Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghệ, hệ thống nhúng ngày càng trở nên phổ biến và đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, y tế, giao thông và thiết bị gia dụng. Theo ước tính, các hệ thống nhúng chiếm tỷ lệ lớn trong các sản phẩm công nghệ hiện đại, từ robot, máy in đến các thiết bị điều khiển từ xa. Tuy nhiên, tại Việt Nam, lĩnh vực phát triển và kiểm thử phần mềm cho hệ thống nhúng còn khá khiêm tốn, đặc biệt là trong việc ứng dụng các công cụ kiểm thử hiện đại.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu ứng dụng công cụ NModel trong việc phát triển và kiểm thử hệ thống nhúng thời gian thực, cụ thể là hệ thống Client/Server – thiết bị điều khiển từ xa sử dụng cảm biến nhiệt độ. Mục tiêu chính là nghiên cứu phương pháp kiểm thử dựa trên mô hình (Model-Based Testing - MBT) nhằm nâng cao hiệu quả kiểm thử, rút ngắn thời gian phát triển và cải thiện chất lượng phần mềm nhúng. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi ngành Công nghệ thông tin, chuyên ngành Kỹ thuật phần mềm, tại Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, trong năm 2014.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện rõ qua việc ứng dụng MBT giúp tự động hóa quá trình sinh ca kiểm thử, giảm thiểu sự nhàm chán và chủ quan trong kiểm thử truyền thống, đồng thời dễ dàng điều chỉnh các ca kiểm thử khi có thay đổi trong hệ thống. Qua đó, nghiên cứu góp phần thúc đẩy sự phát triển của lĩnh vực hệ thống nhúng tại Việt Nam, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về chất lượng và độ tin cậy của phần mềm nhúng trong các ứng dụng thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: hệ thống nhúng và kiểm thử dựa trên mô hình (Model-Based Testing - MBT).

  1. Hệ thống nhúng và hệ điều hành thời gian thực (RTOS):
    Hệ thống nhúng là hệ thống tích hợp phần cứng và phần mềm chuyên dụng, hoạt động ổn định với tính tự động hóa cao. Hệ thống nhúng thời gian thực yêu cầu các tác vụ phải được thực hiện trong khung thời gian xác định, phân thành thời gian thực cứng và mềm. RTOS là phần mềm điều khiển chuyên dụng, quản lý các tác vụ và ngắt, đảm bảo đáp ứng các ràng buộc thời gian nghiêm ngặt. Các kiến trúc phần mềm nhúng như Round-Robin, Round-Robin với ngắt, lập lịch dòng chức năng và RTOS được nghiên cứu để hiểu rõ cơ chế hoạt động và lập lịch tác vụ.

  2. Kiểm thử dựa trên mô hình (MBT) và NModel:
    MBT là kỹ thuật kiểm thử dựa trên mô hình mô tả hành vi của phần mềm, từ đó tự động sinh các ca kiểm thử. NModel là framework hỗ trợ MBT cho các chương trình mô hình viết bằng C#, bao gồm các công cụ như mpv (Model Program Viewer), otg (Offline Test Generator), ct (Conformance Tester). Các khái niệm về chương trình mô hình (Model Program - MP), máy trạng thái hữu hạn (Finite State Machines - FSM), phân tích an toàn và tính hoạt động được áp dụng để xây dựng và phân tích mô hình. Cơ chế thành phần (composition) và điều khiển kịch bản (scenario control) giúp giới hạn phạm vi kiểm thử theo các kịch bản cụ thể.

Các khái niệm chuyên ngành như hành động (Action), trạng thái (State), chuyển trạng thái (Transition), test suite, test harness và chiến lược kiểm thử on-the-fly được sử dụng để thiết kế và thực hiện kiểm thử hiệu quả.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu:
    Nghiên cứu sử dụng dữ liệu thực nghiệm từ việc xây dựng và kiểm thử hệ thống Client/Server – thiết bị điều khiển từ xa với cảm biến nhiệt độ. Các chương trình mô hình được viết bằng ngôn ngữ C# và chạy trên công cụ NModel.

  • Phương pháp phân tích:
    Phân tích dựa trên mô hình hữu hạn (FSM) để thăm dò, trực quan hóa và sinh test suite. Sử dụng kiểm thử ngoại tuyến (offline) với công cụ otg để tạo bộ kiểm thử và kiểm thử on-the-fly với công cụ ct để thực hiện kiểm thử trực tiếp trên thực hiện (implementation). Phương pháp lập trình chiến lược kiểm thử on-the-fly được áp dụng để nâng cao độ bao phủ kiểm thử.

  • Timeline nghiên cứu:
    Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2014, bắt đầu từ khảo sát lý thuyết hệ thống nhúng và MBT, tiếp theo là xây dựng chương trình mô hình, cài đặt và sử dụng công cụ NModel, thực hiện kiểm thử trên hệ thống Client/Server, cuối cùng là phân tích kết quả và đề xuất hướng phát triển.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu:
    Mẫu nghiên cứu là hệ thống Client/Server đơn giản nhưng đầy đủ tính năng, không sử dụng hệ điều hành nhúng, phù hợp để thử nghiệm các phương pháp kiểm thử dựa trên mô hình. Việc chọn hệ thống này nhằm đảm bảo tính khả thi và minh họa rõ ràng cho ứng dụng của NModel trong kiểm thử phần mềm nhúng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả của kiểm thử dựa trên mô hình với NModel:
    Qua việc áp dụng kiểm thử ngoại tuyến, bộ kiểm thử được sinh tự động với số lượng ca kiểm thử tối thiểu đảm bảo bao phủ toàn bộ các chuyển tiếp trong FSM. Ví dụ, bộ kiểm thử cho hệ thống Client/Server có thể bao phủ 100% các trạng thái và chuyển tiếp quan trọng, giúp phát hiện các lỗi thiết kế tiềm ẩn.

  2. Kiểm thử on-the-fly nâng cao độ bao phủ:
    Kiểm thử on-the-fly với chiến lược ngẫu nhiên giúp sinh ra nhiều đường chạy kiểm thử đa dạng, tuy nhiên độ bao phủ chuyển tiếp chỉ đạt khoảng 75-85% trong thời gian ngắn. Khi lập trình chiến lược kiểm thử riêng, độ bao phủ có thể tăng lên trên 90%, đồng thời phát hiện thêm các lỗi phức tạp không thể phát hiện bằng kiểm thử ngoại tuyến.

  3. Khả năng mô hình hóa và phân tích hệ thống nhúng:
    Việc sử dụng chương trình mô hình hợp đồng và kịch bản giúp mô tả chính xác hành vi của hệ thống Client/Server, bao gồm các trạng thái tác vụ, hàng đợi và các hành động điều khiển. Phân tích an toàn và tính hoạt động cho thấy hệ thống không tồn tại trạng thái chết và tuân thủ các yêu cầu thời gian thực.

  4. Tính linh hoạt trong điều khiển kịch bản và thành phần:
    Cơ chế thành phần (composition) cho phép kết hợp nhiều chương trình mô hình để giới hạn phạm vi kiểm thử theo các kịch bản cụ thể, giúp giảm thiểu không gian trạng thái và tăng hiệu quả kiểm thử. Ví dụ, việc biên soạn MP hợp đồng với MP kịch bản giúp tập trung kiểm thử vào các tình huống thực tế quan tâm.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy kiểm thử dựa trên mô hình với NModel là phương pháp hiệu quả để nâng cao chất lượng phần mềm nhúng, đặc biệt trong các hệ thống thời gian thực. Việc tự động sinh ca kiểm thử giúp giảm thời gian và công sức so với phương pháp kiểm thử thủ công truyền thống. Độ bao phủ kiểm thử cao đảm bảo phát hiện sớm các lỗi thiết kế, góp phần tăng độ tin cậy của hệ thống.

So sánh với các nghiên cứu khác trong lĩnh vực kiểm thử phần mềm nhúng, phương pháp MBT với NModel có ưu điểm nổi bật về khả năng mô hình hóa chi tiết và hỗ trợ kiểm thử on-the-fly linh hoạt. Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp là khi không gian trạng thái quá lớn hoặc vô hạn, việc thăm dò và sinh bộ kiểm thử ngoại tuyến gặp khó khăn, đòi hỏi phải thiết kế chiến lược kiểm thử phù hợp hoặc giới hạn phạm vi mô hình.

Việc áp dụng thành công NModel trong bài toán Client/Server – thiết bị điều khiển từ xa chứng minh tính khả thi của phương pháp trong thực tế, đồng thời mở ra hướng phát triển cho các hệ thống nhúng phức tạp hơn tại Việt Nam. Các biểu đồ trạng thái, bảng so sánh độ bao phủ kiểm thử và số lượng ca kiểm thử minh họa rõ ràng hiệu quả của phương pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển chiến lược kiểm thử on-the-fly nâng cao:
    Đề xuất xây dựng và tích hợp các chiến lược kiểm thử thông minh, dựa trên phân tích trạng thái và hành vi hệ thống, nhằm tăng độ bao phủ và phát hiện lỗi hiệu quả hơn trong thời gian ngắn. Chủ thể thực hiện: nhóm phát triển phần mềm và kiểm thử; Thời gian: 6-12 tháng.

  2. Mở rộng ứng dụng NModel cho các hệ thống nhúng phức tạp:
    Khuyến nghị áp dụng phương pháp kiểm thử dựa trên mô hình cho các hệ thống nhúng có sử dụng RTOS hoặc đa nhiệm, nhằm nâng cao chất lượng phần mềm trong các lĩnh vực công nghiệp và y tế. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu, doanh nghiệp công nghệ; Thời gian: 1-2 năm.

  3. Đào tạo và nâng cao năng lực kiểm thử dựa trên mô hình:
    Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về MBT và công cụ NModel cho sinh viên, kỹ sư phần mềm và kiểm thử viên để phổ biến kiến thức và kỹ năng ứng dụng. Chủ thể thực hiện: các trường đại học, trung tâm đào tạo; Thời gian: liên tục.

  4. Phát triển công cụ hỗ trợ tích hợp và tự động hóa kiểm thử:
    Đề xuất nghiên cứu phát triển các công cụ tích hợp NModel với các môi trường phát triển phần mềm phổ biến, hỗ trợ tự động hóa kiểm thử và báo cáo kết quả chi tiết. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu công nghệ phần mềm; Thời gian: 12-18 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Công nghệ thông tin, Kỹ thuật phần mềm:
    Giúp hiểu rõ về kiểm thử dựa trên mô hình, hệ thống nhúng và ứng dụng thực tế của NModel trong kiểm thử phần mềm nhúng.

  2. Kỹ sư phát triển và kiểm thử phần mềm nhúng:
    Cung cấp phương pháp và công cụ kiểm thử hiệu quả, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và rút ngắn thời gian phát triển.

  3. Giảng viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực phần mềm và hệ thống nhúng:
    Là tài liệu tham khảo để phát triển các đề tài nghiên cứu, ứng dụng kiểm thử dựa trên mô hình trong các dự án thực tế.

  4. Doanh nghiệp công nghệ và các tổ chức phát triển hệ thống nhúng:
    Hỗ trợ áp dụng các kỹ thuật kiểm thử hiện đại, nâng cao độ tin cậy và hiệu suất của các sản phẩm nhúng, đặc biệt trong các lĩnh vực yêu cầu cao về thời gian thực.

Câu hỏi thường gặp

  1. Kiểm thử dựa trên mô hình (MBT) là gì và có ưu điểm gì?
    MBT là kỹ thuật kiểm thử sử dụng mô hình mô tả hành vi phần mềm để tự động sinh ca kiểm thử. Ưu điểm gồm tự động hóa, giảm thời gian kiểm thử, tăng độ bao phủ và phát hiện lỗi sớm hơn so với kiểm thử thủ công.

  2. NModel hỗ trợ những công cụ nào cho kiểm thử?
    NModel bao gồm mpv (trực quan hóa mô hình), otg (sinh bộ kiểm thử ngoại tuyến), ct (thực thi kiểm thử), và mp2dot (chuyển đổi mô hình sang định dạng đồ họa). Các công cụ này hỗ trợ toàn diện quá trình kiểm thử dựa trên mô hình.

  3. Kiểm thử on-the-fly khác gì so với kiểm thử ngoại tuyến?
    Kiểm thử on-the-fly sinh ca kiểm thử trong quá trình thực thi, không cần bộ kiểm thử có sẵn, phù hợp với hệ thống có không gian trạng thái lớn hoặc vô hạn. Kiểm thử ngoại tuyến sinh bộ kiểm thử trước khi thực thi.

  4. Làm thế nào để mô hình hóa hệ thống nhúng trong NModel?
    Hệ thống được mô hình hóa bằng chương trình mô hình viết bằng C#, sử dụng các biến trạng thái và phương thức hành động tương ứng với các chức năng và trạng thái của hệ thống thực tế.

  5. Phạm vi áp dụng của phương pháp kiểm thử này trong thực tế?
    Phương pháp thích hợp cho các hệ thống nhúng đơn giản đến phức tạp, đặc biệt là các hệ thống thời gian thực, thiết bị điều khiển từ xa, giao thức truyền tin và các ứng dụng yêu cầu độ tin cậy cao.

Kết luận

  • Kiểm thử dựa trên mô hình với NModel là phương pháp hiệu quả, giúp tự động hóa sinh ca kiểm thử và nâng cao chất lượng phần mềm nhúng.
  • Hệ thống Client/Server – thiết bị điều khiển từ xa được mô hình hóa và kiểm thử thành công, chứng minh tính khả thi của phương pháp.
  • Kiểm thử on-the-fly với chiến lược kiểm thử tùy chỉnh giúp tăng độ bao phủ và phát hiện lỗi phức tạp hơn so với kiểm thử ngoại tuyến.
  • Cơ chế thành phần và điều khiển kịch bản giúp giới hạn phạm vi kiểm thử, tăng hiệu quả và giảm chi phí kiểm thử.
  • Hướng phát triển tiếp theo là mở rộng ứng dụng cho các hệ thống nhúng phức tạp hơn, phát triển chiến lược kiểm thử nâng cao và công cụ hỗ trợ tích hợp.

Các nhà nghiên cứu và kỹ sư phần mềm nên áp dụng và phát triển thêm các kỹ thuật kiểm thử dựa trên mô hình, đồng thời đào tạo nguồn nhân lực để nâng cao năng lực kiểm thử phần mềm nhúng tại Việt Nam.