Testing de Performance aplicando metodologías de ingeniería del Software y experiencias de su aplicación en Uruguay

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1 Testing de Performance aplicando metodologías de ingeniería del Software y experiencias de su aplicación en Uruguay Abstract Gustavo Vázquez Centro de Ensayos de Software, Facultad de Ingeniería de la Universidad de la República, Montevideo, Uruguay La performance suele ser considerada como un requerimiento no funcional de los sistemas informáticos. Sin embargo, dependiendo del tipo de sistema y del uso que se le dé al mismo, puede convertirse en una característica que, de no cumplirse, afecta la usabilidad, la aplicabilidad en una realidad dada e, incluso, las funcionalidades que el mismo brinda. Los test de performance permiten realizar una simulación del uso que se le dará al sistema en producción para permitir, de manera proactiva, determinar cuales van a ser los posibles problemas de performance que se darán. De esta manera podemos determinar los cuellos de botella de la aplicación y así, o bien corregirlos y poder alcanzar los niveles de servicio necesarios, o bien conocerlos y saber en donde nuestra aplicación puede sufrir problemas. En este articulo, se realizará un repaso de la metodología utilizada por el Centro de Ensayos de Software (CES) en la realización de estas pruebas. Tomando metodologías utilizadas por la industria y adaptando las mismas a las realidades de la industria de software de Uruguay, se ha desarrollado una metodología que permite una fácil adaptación a las particularidades de los distintos sistemas bajo prueba. Keywords: Testing, Performance, pruebas no funcionales 1 Introducción En algunos sistemas, se tienen requerimientos que no pasan únicamente por la correctitud de los sistemas a nivel lógico. La velocidad de la aplicación en responder a los requerimientos de los usuarios de manera correcta así como asegurar la respuesta correcta ante cargas extremas del sistema es, en muchos caso, un requerimiento tan importante como la de devolver la respuesta correcta. Esto puede verse claramente en sistemas considerados de tiempo real, como podría ser el sistema de airbag de un automóvil, pero puede verse en otros sistemas considerado menos críticos. Un ejemplo de ello son los sitios Web de comercio electrónico (en donde el cliente puede verse desconforme con el sistema y elegir la competencia)[1]. En estos sistemas se tiene además un problema extra que radica en que la cantidad de potenciales usuarios directos del sistema no puede ser caracterizada fácilmente. En sistemas que incluso parecería tener una cantidad de usuarios fijos, se tiene que el mismo puede ser utilizado para brindar un servicio a un tercero, por lo que los tiempos de sistema se traducen en malos tiempos de atención al usuario final (por ejemplo, sistemas bancarios, de atención en cajas, etc.). Ante estos requerimientos de los sistemas, se tienen dos opciones. Una es la de suponer el cumplimiento de los requisitos y realizar la puesta en producción con el sistema desarrollado. La otra opción es la que se explorará en este artículo y radica en la realización de pruebas de performance, las cuales nos permiten detectar los mismos problemas, pero en un ambiente controlado. Este último enfoque nos permite manejar los posibles problemas con una perspectiva de solución más abierta, evitando la perdida de activos por el uso del sistema (tanto por parte de los usuarios como del desarrollador). El artículo se divide de la siguiente manera. En la siguiente sección, veremos la realidad de la industria de software en la República Oriental del Uruguay. Esta descripción pondrá un contexto a algunas de las particularidades de la metodología y de las decisiones que, generalmente, se toman en los proyectos de este tipo. En a sección Testing de Performance veremos las diferentes etapas de las pruebas. Estas etapas han sido probadas en más de 10 proyectos de testing de performance en Uruguay con distintas particularidades que serán desciptas en la sección Aplicación en el contexto de las industrias uruguaya

2 de TI. Por último se verán algunas conclusiones a este trabajo. 2 Realidad de la industria de software en Uruguay La industria de tecnologías de la información en Uruguay se puede considerar como una industria altamente pujante [2]. Gozando en la actualidad de un desempleo cero en el sector, la misma se caracteriza, principalmente, por estar compuesta por empresas pequeñas y medianas (ver Figura 1). Estas empresas, si bien de tratan de empresas que manejan recursos acotados para la mayoría de sus actividades, tienen todas un mercado que, mayoritariamente se basa en la exportación de sus productos y servicios. Segmentos de empresas cometido brindar servicios multiempresas, basados en la tercerización de tareas que son consideradas costosas de ser mantenidas internamente por las empresas. En particular, se establecen como objetivo del CES el brindar servicios de testing de software y de observatorio tecnológico a las empresas de TI nacionales. Esto permitiría crear una estructura especializada en dichas tareas y mantener una infraestructura común a todos ISO 9001 ISO CMM Otras ** 2 3 Empresas con planes de certificación Empresas en proceso de certificación Empresas con certificación De 5 a 10 1% Menos de 0,2 62% Más de 10 1% De 2,5 a 5 1% De 1 a 2,5 6% De 0,5 a 1 7% De 0,2 a 0,5 22% Figura 2 Procesos de certificación Actualmente, el CES cuenta con dos laboratorios de testing, uno basado en el testing funcional de las aplicaciones y otro basado en el ensayo de plataformas. Dentro de este último laboratorio es que se desarrollan los proyectos de testing de performance. 3 Testing de Performance Figura 1 Segmentos de empresas en Uruguay (según facturación en U$S) En los últimos años, se ha visto un crecimiento en las exportaciones del sector de las TI. Actualmente, las exportaciones rondan los U$S 100 millones anuales, lo cuál abre, a la gran mayoría de las empresas, la posibidad y el reto de expandir sus negocios y el uso de sus productos a mercados de mayores tamaños y exigencias. Regionalmente, mercados como Argentina o Brasil imponen problemas técnicos que deben ser atacados de manera directa. Los mismos no solamente vienen por el lado de la adaptación o generalización a nivel funcional (por ejemplo, para adaptar el sistema a las distintas regulaciones fiscales o legales), sino que se dan también desde la dimensión no funcional. En especial, sistemas para ser usados por 20 usuarios se ven en la obligación de soportar cientos de ellos. Asimismo, los requerimientos de los mercados son cada vez más altos. Los requerimientos por parte de los clientes en lo referente a cumplimientos de estandares de calidad de procesos se ven claramente en la actual tendencia de las empresas a emprender procesos de certificación (ver Figura 2). Dentro de esta realidad, en el año 2003 la Cámara Uruguaya de Tecnologías de la Información junto con la Universidad de la República crean el Centro de Ensayos de Software. Esta empresa tiene como 3.1 Objetivos El testing de performance tiene como objetivo determinar el rendimiento de una aplicación bajo un escenario de carga dado. Marcando un objetivo de carga a lograr que sea aceptable para las realidades de negocio planteadas, se toma la aplicación y se genera la carga que se tendrá en un ambiente de producción con las mismas restricciones, a nivel de hardware, software y ambiente informático, que se tendrá en la realidad. Reproduciendo este escenario, se busca que el mismo se cumpla manteniendo una estabilidad que permita cumplir con los requerimientos del negocio que utiliza al mismo como herramienta. Como toda actividad relacionada con el desarrollo de una aplicación, debe tener un proceso bien determinado y que se acople con el proceso de desarrollo. De esta manera, el CES ha desarrollado un proceso que permite ser adaptado a los diferentes sistemas a testear teniendo como foco las necesidades comunes de los mismos. En especial, se considera en el mismo la necesidad de automatizar las pruebas mediante herramientas de generación de carga, punto esencial en estas pruebas. 3.2 Etapas El proceso de realizar un testing de performance consta de cuatro etapas, las cuales pueden observarse en la Figura 3. Cada una de estas etapas tiene una

3 serie de actividades que deben cumplirse en su totalidad para realizar el pasaje a la próxima etapa del mismo. El objetivo es desarrollar las pruebas poniendo el foco en dos premisas fundamentales, el uso del sistema por parte de los usuarios y la automatización de las mismas para permitir su realización y repetición con un costo/beneficio aceptable. Figura 3 Etapas de un testing de performance En una primera instancia se realiza un estudio de lo que se conoce como escenario de la prueba. Esto implica el entorno que el sistema tendrá en producción (infraestructura tecnológica, normativas de uso, etc.) y fundamentalmente, un estudio de cómo los usuarios del sistema lo usaran. Los usuarios son los que generarán la carga al sistema, por lo que la manera en que ellos generen dicha carga es sumamente importante para que la simulación a realizarse en la prueba se acerque lo máximo posible a la realidad. Este uso del sistema debe ser automatizado utilizando herramientas conocidas como generadores de carga. Los mismos permitirán hacerle sentir al sistema a testearse, los requerimientos que los usuarios realizan sobre él, simulando de esta manera la carga relevada en la etapa anterior. De manera paralela, puede llevarse a cabo la tercera etapa que es la preparación de la infraestructura necesaria para la ejecución de las pruebas. Esta infraestructura debe ser similar a la que se tendrá en producción, por lo que generalmente no es suficiente los entornos de prueba que la gran mayoría de las empresas cliente tienen. Por último, la ejecución de las pruebas de manera iterativa nos permitirá conocer el estado de nuestro sistema, así como conocer los cuellos de botella de nuestras aplicaciones. Conociendo estos cuellos de botella y analizando posibles soluciones a los mismos, se puede llegar a una mejora en las aplicaciones y alcanzar los objetivos de performance y estabilidad necesarios Determinación del escenario Saber como se va a ejecutar el sistema es el punto clave de una prueba de performance. La simulación a realizarse debe amoldarse lo máximo posible a la realidad del sistema en producción, algo que, muchas veces, no se conoce con exactitud. El primer punto a tener en cuenta en esta etapa es la imposibilidad de realizar una prueba sobre todas las funcionalidades del sistema. Aquí es donde se encuentra un punto muy importante y es el de evaluar el costo/beneficio de integrar ciertas funcionalidades en una prueba. Cada funcionalidad agregada a las pruebas (conocidas generalmente como transacciones de negocio), implican un costo tanto a nivel de la automatización de las pruebas como del análisis de los datos en las ejecuciones posteriores. Se debe, por lo tanto, determinar un número acotado de transacciones de negocio que impliquen la mayor complejidad a nivel de carga. Para evaluar las transacciones a incluirse en una prueba de performance, conviene aplicar estas tres preguntas: Cuáles son las transacciones más utilizadas en el sistema? Cuáles son las transacciones que, a nivel de la performance del sistema, implican un uso más intensivo de los recursos? Cuáles son las transacciones que, si bien no pertenecen a ninguna de las categorías anteriores, pueden generar problemas en la operativa del sistema debido a su baja performance? Con estas tres preguntas, suele llegarse a un conjunto de transacciones que, en general, rondan las 10 operaciones. Sabiendo cuales son las transacciones a incluirse en las pruebas, es importante determinar como utilizan los usuarios dichas funcionalidades. Esto implica comportamiento a nivel macro (por ejemplo, la cantidad de usuarios que utilizan cada una de las transacciones y cantidad de operaciones que se realizan en un período de tiempo representativo para el negocio) y micro (como es el comportamiento de los usuarios ante ciertas interfases con el usuario y a la información que el sistema despliega). Saber como los usuarios utilizan el sistema es sumamente importante, teniendo en cuenta que un relevamiento no apropiado puede generar, o bien una carga menor a la que se tendrá en la realidad, o una carga superior. Cualquiera de las dos opciones genera una desconfianza no solo en el rendimiento del sistema, sino también en los resultados de las pruebas realizadas. Determinados estos puntos, se deben determinar cuales serán las condiciones de la infraestructura para la realización de las pruebas. Esto implica puntos tales como

4 Hardware Software de base Datos de prueba En cuanto a los datos de prueba, es importante notar que los mismos deben representar los que se tendrán en producción no solo a nivel de distribución de los mismos, sino también a nivel de cantidad de datos. Solo así es posible ver problemas de performance que comúnmente se dan en los sistemas de información (por ejemplo, la falta de índices). Esta etapa tiene, como resultado, un documento de relevamiento y la definición del alcance de la prueba y de los parámetros de conformidad de la aplicación Automatización Cuando vamos a realizar pruebas de performance, es imprescindible la utilización de herramientas para la generación de la carga objetivo. Sin estas herramientas, se haría necesario contar con una gran cantidad de testers y usuarios que ejecuten las transacciones sobre el sistema de manera coordinada. La automatización de las pruebas permiten la repetición de las mismas, no solo a lo largo del tiempo (para realizar pruebas de regresión), sino en un momento dado de tiempo para conseguir la cantidad de usuarios requerida. La automatización de las transacciones se realizan utilizando lo que se conoce como herramientas de generación de carga[3]. Estas herramientas permiten realizar las tareas necesarias en estas pruebas. Estas son: Grabación de las transacciones: Con la actividad que un usuario realiza sobre el sistema, se genera un primer script que será la base de las automatizaciones a utilizarse. Generalización de los scripts: Los scripts generados en la etapa anterior, deben ser modificados de manera de que en la ejecución concurrente de los mismos lo hagan con datos de parámetros distintos. De otra manera, solamente serían utilizados los datos que se grabaron inicialmente. Modelado del escenario: De manera independiente a los scripts, debe poder modelarse el escenario definido en la etapa de relevamiento. Esto implica parámetros tales como delays, cantidad de usuarios y lotes de usuarios. Distribución en la generación de la carga: Esto permite que la carga a generarse contra un sistema no se limite a la capacidad de un equipo a desarrollar la carga. Figura 4 Funcionamiento de las herramientas de generación de carga Existen en el mercado una gran cantidad de herramientas de generación de carga. Sin embargo, hay que tener claro que las herramientas de generación de carga tienen su talón de Aquiles en el mismo lugar en donde tienen su ventaja respecto a otras herramientas de automatización de pruebas. Todas funcionan a nivel de protocolo de comunicación. Esto hace que no exista una única herramienta válida, sino que la aplicabilidad de una herramienta a las pruebas de un sistema dado debe ser evaluado cuidadosamente. En la Tabla 1 pueden verse diferentes herramientas de generación de carga y los protocolos a para las cuales son aplicables. Si bien existen herramientas que cubren la gran mayoría de los protocolos, su costo y modo de licenciamiento vuelve inaplicable el uso de las mismas para la gran mayoría de los proyectos en el mercado uruguayo. Por esta razón, el CES desarrolla una tarea continua de investigación sobre las herramientas de bajo costo de licenciamiento, realizando incluso desarrollos sobre las mismas. Comerciales Gratuitas LoadRunner QALoad SilkPerformer WebLoad OpenSTA JMeter Grinder Java-Corba G/R G/R G/R R RMI G/R G/R G/R R R HTTP/S G/R G/R G/R G/R G/R G/R G/R SOAP G/R G/R G/R R R Remoting G/R G/R G/R R ADO.NET G/R G/R G/R ODBC G/R G/R G/R JDBC G/R G/R G/R R R Tabla 1 Herramientas de generación de carga De esta etapa se deben obtener las automatizaciones necesarias para reproducir la carga necesaria para las pruebas Preparación de la infraestructura De manera paralela a la etapa de automatización, se debe reproducir el ambiente de prueba. Esta etapa, idealmente, debería realizarse previo a la etapa de automatización. De esta manera, se podría grabar los scripts sobre el escenario final, por lo que se eliminan toda la necesidad de realizar posibles ajustes a los scripts (debidos a cambios en las URL, uso de balanceadores de carga, etc.). Sin embargo, la necesidad de infraestructura de tamaño características similares a los de producción hace imposible contar con dicho equipamiento para pruebas si no es en

5 algún proveedor de infraestructura común o en algún cliente del productor de software. Por esta razón es que esta etapa se realiza lo más próximo posible a la ejecución de las pruebas para hacer un uso eficiente del equipamiento. En la actualidad, el CES ataca estos puntos realizando convenios con los proveedores que tienen laboratorios de plataformas específicas de hardware. La infraestructura no debe limitarse únicamente al hardware de prueba, sino también al software, reproduciendo en este caso, el escenario más similar al de producción. Esto implica, por ejemplo, la aplicaciones de parches y updates a los sistemas operativos, servidores de aplicaciones y servidores de base de datos a utilizarse. Puede ser parte de las conclusiones de estas pruebas la aplicación de estos parches, pero deben de estar previstos de antemano aquellos que son necesarios para la ejecución y aquellos que, por conocimiento de la infraestructura, permitan un mejor rendimiento de alguna pieza de hardware o software. Otra de las piezas fundamentales de la infraestructura pasa por la monitorización de la misma. Tan importante como generar la carga es conocer en todo momento el estado de las diversas piezas de hardware o software que conforman la solución final. Mediante monitores especializados para las distintas plataformas, se buscará determinar el estado de la misma con la finalidad de conocer los cuellos de botella existentes o potenciales de la solución. Especial cuidado debe tomarse en la manera en que se realiza dicha automatización. Debe ser lo menos intrusita posible, de manera que la monitorización no influya o lo haga lo menos posible, en el comportamiento del sistema. Por último, las generadoras de carga deben ser instaladas y las herramientas complementarias preparadas para la etapa de reporte Ejecución de las pruebas Luego de las etapas anteriores de preparación, se tiene todo listo para la ejecución de las pruebas propiamente dichas. Las mismas se realizan en un ciclo iterativo de ejecución de la carga, análisis de los datos y resolución de los posibles problemas. La ejecución de la carga consiste en reproducir el escenario relevado y verificar la correcta ejecución de las pruebas contra el sistema. Utilizando las herramientas de generación de carga, se ejecutan las automatizaciones realizadas durante un plazo que simule el escenario a evaluar. En caso de que se traten de escenarios en donde no solo interesen los tiempos de respuesta sino que la estabilidad del mismo, se recomiendan ejecuciones no menores a dos horas. Estas ejecuciones deben ser incrementadas a medida que el sistema cumple con la calidad del servicio requerida. En un principio comienzan con lo que se conocen como tiempos base o baselines. Esta ejecución consiste en realizar varias iteraciones de cada transacción por parte de un único usuario con el equipo disponible únicamente para dicha transacción. Esto permite verificar el menor tiempo posible que dicha transacción tendrá y servirá como comparación a los tiempos que se tengan en ejecuciones posteriores. Luego, pruebas con el 20%, 40% y así hasta alcanzar el 100% deben realizarse. Esto nos permite ver los problemas incrementalmente, pudiendo centrarnos mejor en la solución de los mismos. De esta manera mantenemos el ambiente controlado en todo momento, pudiendo limitar y establecer nuevas pruebas según los resultados obtenidos en las actuales. Luego de la ejecución, los datos de las diferentes monitorizaciones deben ser reunidos y estudiadas, con el fín de determinar los posibles cuellos de botella de la aplicación y la razón de que el sistema no cumpla con los factores de calidad. De todas las posibles métricas, se debe poner foco en aquellas que dan la información más genérica (por ejemplo, uso de CPU, espera por I/O, etc.) y luego, en caso de que alguna de ellas muestren posibles problemas, centrarnos en métricas de menor nivel, incluso agendando ejecuciones en las cuales podremos monitorizar con mayor detalle dichos indicadores. Para verificar estos indicadores, es necesario mirar el mapa general de la aplicación, siendo necesario incluso a veces, mezclar diferentes métricas en una única vista. Estas vistas deberán tomar generalmente la forma de gráficas. Figura 5 Tiempo de respuesta vs. Tiempo de ejecución Por último, las correcciones o mejoras deben ser realizadas a al aplicación con el fin de poder evaluar, posteriormente, las mejoras obtenidas con estos cambios. Es posible que los cambios modifiquen la manera en que la aplicación se comporta tanto a nivel de usuario como de los protocolos de ejecución. Es imprescindible, en estos casos, evaluar los cambios que pueden ocurrir en las automatizaciones y realizar las modificaciones necesarias en las mismas.

6 4 Aplicación en el contexto de las industrias uruguaya de TI La aplicación de esta metodología en el CES ha sido ampliamente satisfactoria. Han permitido que sistemas hayan establecido y alcanzado los niveles de servicio requeridos pudiendo incluso ganar algunos mercados que de otra manera hubieran sido problemáticos. Es importante que, a pesar de que estas pruebas son generalmente tercerizadas, es altamente recomendable y necesaria la participación de los desarrolladores del software. Puntos tales como conocimiento funcional o de programación son necesarios para que etapas como la de determinación del escenario o automatización de las pruebas puedan ser desarrolladas de manera rápida y sin obstáculos. Asimismo, se recomienda la participación de los expertos de infraestructura e implementación del cliente en las etapas de ejecución y preparación del escenario. Estas pruebas les agrega un valor y conocimiento que serán directamente utilizados luego en la implementación de los sistemas en los ambientes de producción. 5 Conclusiones La realización de pruebas de performance han demostrado, en los diversos proyectos en los cuales el CES ha participado, una utilidad importante para los clientes finales. Como se dijo anteriormente, no solamente se ha utilizado estas pruebas como una oportunidad de mejora técnica del producto, sino que incluso se ha utilizado como un arma de venta y de ventaja comercial sobre otros sistemas similares. A esto último, aporta enormemente la figura del CES como un órgano de verificación independiente y especializado en el área. La aplicación de la metodología es una pieza clave en el éxito de estas tareas. Diferencia una simple generación de carga de una prueba de performance, poniendo foco en la experiencia y uso del usuario del mismo. Esto permite adelantarnos al uso del sistema, permitiendo encontrar los mismos problemas que luego serían encontrados en producción, pero sin la presión de los clientes y usuarios finales del mismo. 6 Bibliografía [1] D.A. Menasc\é and V.A.F. Almeida, Capacity Planning for Web Services: Metrics, Models, and Methods, Prentice Hall, [2] Encuesta anual de la industria uruguaya de TI. Cámara Uruguaya de Tecnología de la Información. Ultima visita: 1 de Octubre de 2007 [3] Client/Server Testing Tools. Ultima visita: 1 de Octubre de 2007

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