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Software in sicherheitsrelevanten Systemen Ralf Pinger / Stefan Gerken Sommersemester 2014.

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Präsentation zum Thema: "Software in sicherheitsrelevanten Systemen Ralf Pinger / Stefan Gerken Sommersemester 2014."—  Präsentation transkript:

1 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Ralf Pinger / Stefan Gerken Sommersemester 2014

2 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page 2 Kapitel 6 - Software für sicherheitsrelevante Systeme Inhaltsübersicht 1.CENELEC 2.EN – eine Gebrauchsanleitung 3.Anforderungen 4.SW-Entwicklungsmethoden 5.SW-Test 6.Qualität 7.Qualitätssicherung von Entwicklungswerkzeugen

3 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page CENELEC  CENELEC ist das Europäische Normungskomitee für Elektrotechnik (Comité Européen de Normalisation Électrotechnique).  In der CENELEC sind die nationalen Normungskomitees von vielen europäischen Staaten vertreten (z.B. DKE - Deutsche Kommission Elektrotechnik, Elektronik, Informationstechnik im DIN und VDE).  In diesen Staaten werden nationale Normen durch CENELEC-Normen sukzessive ersetzt.  Die CENELEC hat unter anderem Normen zur funktionalen Sicherheit im Bahnbereich veröffentlicht

4 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page CENELEC – Struktur der Bahnnormen

5 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page CENELEC – Lebenszyklus nach EN Für jede Phase werden definiert Ziele Input (Dokumente) Anforderungen Output (Dokumente) Verifikationsaufgaben Der Lebenszyklus umfaßt wesentlich mehr als nur die Entwicklung und beinhaltet Aufgaben für Hersteller und Betreiber! Bild: EN 50126

6 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page CENELEC- Obligatorische Anforderungen  Klar definierte Verantwortlichkeit für RAMS-Aufgaben  Kompetenznachweise  Ausarbeitung und Durchführung eines RAM Programms  Ausarbeitung und Durchführung eines Sicherheitsplans  Implementierung eines EN und ISO 900x konformen Geschäftsprozesses  Effektives Konfigurationsmanagement für RAMS-Aufgaben CENELEC EN ist seit in allen CENELEC- Mitgliedsländern als nationale Norm in Kraft gesetzt.

7 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page EN – eine Gebrauchsanleitung  Normen sind keine Gesetze und haben nur Empfehlungscharakter  Haben einen definierten Sprachgebrauch (hier DIN) positivnegativ Anforderung (requirement) mussshalldarf nichtshall not Empfehlung (recommendation) sollteshouldsollte nichtshould not Zulässigkeit (permission) darfmaybraucht nichtneed not Möglichkeit (possibility) kanncankann nichtcannot

8 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page EN – Anwendungsbereich  Verfahren und technische Anforderungen für die Entwicklung von programmierbaren elektronischen Systemen  gesamter Bereich der Sicherheitsanwendungen  gilt für jegliche sicherheitsrelevante Software, die in Eisenbahnsteuerungs- und - überwachungssystemen verwendet wird, einschließlich:  Anwendungsprogrammierung;  Betriebssysteme;  unterstützende Werkzeuge;  Firmware. Anwendungsprogrammierung schließt Programmierung in Hochsprache, Maschinensprache und speziellen Anwendungssprachen ein (z. B.: ladder logic bei speicherprogrammierbaren Steuerungen).  gilt auch für Änderungen und Erweiterungen an bestehender Software

9 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page EN – Aufbau der Norm q Normativer Textteil q Normative Anhänge A, B q Informativer Anhang C, D Normativer Text Anhang D Anhang B Auswahl von Methoden und Techniken Informationen zu Methoden / Techniken Kapitel Referenzen (D.nn) Anhang A Anhang C Schlüsselrollen und Verantwortlichkeiten Zusammenfassung der Dokumentenkontrolle

10 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page EN – Beispiel 1: Normativer Textteil 7.2 Software-Anforderungen Ziele Beschreibung eines vollständigen Satzes von Anforderungen an die Software, der alle System- und Sicherheitsanforderungen erfüllt, und einen umfassenden Satz von Dokumenten für jede spätere Phase bereitstellt Beschreibung der Gesamtsoftware-Testspezifikation Eingangsdokumente 1)System-Anforderungsspezifikation … Ausgangsdokumente 1)Software-Anforderungsspezifikation Anforderungen Eine Software-Anforderungsspezifikation muss unter der Verantwortung des Anforderungsmanagers auf der Grundlage der Eingangsdokumente nach erstellt werden. Die Anforderungen in bis beziehen sich auf die Software- Anforderungsspezifikation Die Software-Anforderungsspezifikation muss die geforderten Eigenschaften der zu entwickelnden Software darstellen. Diese Eigenschaften, die alle in der Normenreihe ISO/IEC 9126 (mit Ausnahme der Sicherheit) definiert sind, müssen einschließen:… Der Software-Sicherheits-Integritätslevel muss nach der Definition in Abschnitt 4 abgeleitet und in der Software-Anforderungsspezifikation festgehalten werden.

11 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page EN – SIL q SILheißt Sicherheitsanforderungsstufe m 5 SIL-Stufen Þ 0 = nichtsichere Anwendungen Þ 1 = niedrigste Anforderungsstufe Þ 4 = höchste Anforderungsstufe m 2 Klassen für sichere Anwendungen à (1,2) und (3,4) q Maßnahmen sind notwendig bei unter-schiedlichen SSAS innerhalb eines Systems

12 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page EN – Beispiel 1 aus Anhang A

13 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page EN – Beispiel 1 aus Anhang D D.13Entscheidungstabellen (Wahrheitstabellen) (en: Decision Tables (Truth Tables)) Ziel Erstellen einer klaren und zusammenhängenden Spezifikation und Analyse komplexer logischer Kombinationen und Beziehungen. Beschreibung Diese verwandten Verfahren benutzen zweidimensionale Tabellen zur Kurzdarstellung logischer Beziehungen zwischen boolschen Programmvariablen. Durch die Kürze und die tabellarische Form eignen sich beide Verfahren zur Analyse komplexer logischer Kombinationen, ausgedrückt in codierter Form. Beide Verfahren können ausführt werden, falls sie als Spezifikation benutzt werden.

14 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page EN – Beispiel 2 aus Anhang A Quelle: EN 50128

15 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page EN – Beispiel 2 aus Anhang A (Fortsetzung) Quelle: EN 50128

16 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page EN – Beispiel 2 aus Anhang D Quelle: EN 50128

17 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page EN – Beispiel 2 aus Anhang D (Fortsetzung) Fortsetzung D.54 Quelle: EN 50128

18 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page EN Quelle: EN 50128

19 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page EN – Prozess Ergebnisse Phase Ver Val Quelle: EN 50128

20 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page EN – Verifikation und Validierung Verifikation: Untersuchungsprozess mit anschließender, auf Nachweisen beruhender Beurteilung, dass die Ergebnisse (Prozess, Dokumentation, Software oder Anwendung) einer bestimmten Entwicklungsphase die Anforderungen dieser Phase hinsichtlich Vollständigkeit, Richtigkeit und Konsistenz erfüllt DIN EN 50128, März 2012 Validierung: Analyseprozess gefolgt von einer auf Nachweisen beruhenden Beurteilung, ob ein Objekt (z. B. Prozess, Dokumentation, Software oder Anwendung) den Bedarf des Nutzers erfüllt, insbesondere bezüglich Sicherheit und Qualität, sowie mit einem Schwerpunkt auf die betriebliche Eignung für den Verwendungszweck in der vorgesehenen Betriebsumgebung DIN EN 50128, März 2012 Wird richtig entwickelt Ist das Richtige entwickelt worden?

21 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page EN – Dokumente / Ergebnisse m Definitionen / Anforderungen zu den Phasen des Lebenszyklus‘ (Textteil) m Vorgaben von Maßnahmen und Tools (Anhang A) m Vorgaben zu Kompetenzprofilen (Anhang B) m Vorgaben zu Reviews (Verifikation) m Verfolgbarkeit der Anforderungen

22 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page EN – Rollen und Unabhängigkeiten Anerkannter Fachbetrieb: Der Gutachter kann auch der entwickelnden Firma unterstellt sein, wenn eine ausreichende Unabhängigkeit zur entwickelnden Abteilung gewährleistet ist Voraussetzung: Anerkennung durch Zulassungsbehörde wie z.B. EBA Quelle: EN 50128

23 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page EN – Aufgaben und Rollen Quelle: EN 50128

24 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page EN – Zusammenfassung m Vorgaben für den Entwicklungsprozess m Festlegung von Maßnahmen und Tools m Anforderungen an Dokumente m Unabhängige Stellen

25 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Anforderungen – Inhaltsübersicht Inhaltsübersicht 1.Anforderungsmanagement 2.Ermittlung von Anforderungen 3.Rapid Prototyping 4.Verfolgung von Anforderungen 5.Identifikation von Anforderungen 6.Umsetzung von Anforderungen 7.Nachweis von Anforderungen

26 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Anforderungen – Ziele der EN  Beschreibung eines vollständigen Satzes von Anforderungen an die Software, der alle System- und Sicherheitsanforderungen erfüllt, und einen umfassenden Satz von Dokumenten für jede spätere Phase bereitstellt.  In dem durch den Software-Sicherheits-Integritätslevel festgelegten Umfang muss die Software-Anforderungsspezifikation so formuliert und strukturiert werden, dass sie vollständig, klar, genau, eindeutig, verifizierbar, testbar, wartbar und umsetzbar ist und auf alle Eingangsdokumente rückverfolgbar.  Beschreibung der Gesamtsoftware-Testspezifikation.

27 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Anforderungsmanagement – Motivation fehlende oder falsche Anforderungen  haben Auswirkungen auf das gesamte Produkt  werden üblicherweise erst bei Inbetriebnahme oder später erkannt  gefährden die erfolgreiche Abnahme des Produkts  können Auswirkungen auf die gesamte Architektur haben  Änderungen sind entsprechend kostspielig Anforderungsmanagement  ist eine Managementaufgabe  zielt auf Effizienz  zielt auf Fehlerarmut  ordnet das Chaos

28 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Ermittlung von Anforderungen Ziel der Anforderungsermittlung:  Erkennen der Anforderungen des Kunden Das bedeutet:  Definition der Systemgrenzen  Definition der Schnittstellen  Definition der zu erbringenden Systemfunktionen  Definition der Umgebungsbedingungen  Definition der zu unterstützenden Kundenprozesse  Definition der gesetzlichen Rahmenbedingungen  Definition der wirtschaftlichen Rahmenbedingungen  …

29 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Ermittlung von Anforderungen Häufige Probleme  Mensch  Sprache (Domäne vs. SW-Experte)  Divergierende Meinungen von Stakeholdern  Motivation zur Unterstützung  Organisationen  Produktstrategie  Verfügbarkeit von Stakeholdern  Fachlicher Inhalt  Kritikalität des Systems  Systemumfang  Unterschiedliche Detaillierung von Anforderungen  Nicht funktionale Anforderungen  Methoden  Und vieles mehr

30 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Ermittlung von Anforderungen Bewertung der Anforderungen:  Korrektheit  Vollständigkeit  Machbarkeit  Bewertung, ob Kundenanforderung  Wichtigkeit  Kosten

31 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Rapid Prototyping Rapid Prototyping  kommt eigentlich aus dem Maschinenbau  beschreibt den schnellen Musterbau  ist als Software Engineering Methode adaptiert worden  wird in Verbindung mit agilen Vorgehensweisen eingesetzt  kann auch zur Anforderungsermittlung eingesetzt werden

32 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Rapid Prototyping Vorteile  ausführbares Anforderungsmodell macht das System „erlebbar“  Ausführbares Testmodell als Diskussionsgrundlage mit dem Kunden dienen  Anforderungsmodell kann als Testmodell verwendet werden Nachteile  Anforderungsmodell orientiert sich an einer Spezifikation oder Kundengesprächen  Anforderungsmodell ist nicht architekturgetrieben  Anforderungsmodell erzeugt den Eindruck doppelter Entwicklung

33 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Vom Rapid Prototype zum Design-Modell

34 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Analyse-/Design-Modell Analyse-Modell:  schneller Prototyp  keine vollständige Durchdringung der Anforderungen notwendig  Anforderungsfehler werden frühzeitig offenbart  Schnelle Anpassbarkeit an Kundenänderungen (agil)  Ausprägungen:  Wegwerfprototyp  …  Refaktorisierung bis zum Produkt Design-Modell:  Verständlichkeit/Wartbarkeit  Einfache Lösungen entstehen in der Regel nicht im ersten Ansatz!  Hohe Durchdringung der Anforderungen notwendig  Architektur muss weitgehend bekannt sein  Ausprägungen:  (Neu-) Entwicklung  …  Refaktorisiert aus Analyse-Modell

35 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Verfolgung von Anforderungen Ziele sind Identifikation von:  Verfeinerungen  Realisierungen  Wechselwirkungen  Nachweisen Nebenwirkungen der Identifikation:  Änderungsauswirkungsanalyse  Regressionstests  Fehleranalyse  Kostenabschätzung für Änderungen

36 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Identifikation von Anforderungen Anforderung bedarf  einer eindeutigen Bezeichnung (z. B. Text, Nummer, Identifikator)  eines vereinbarten Zwecks, z. B.  define  refine  implement  test  safety  RAM  motive  annotation  version um die Verfolgbarkeit und Nachvollziehbarkeit zu gewährleisten

37 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Umsetzung von Anforderungen Arten der Umsetzung  Artefakte  Modellierung  Programmierung  Dokumente  Verfeinerung der Anforderungen durch neue Anforderungen  Umsetzen nicht-funktionaler Anforderungen durch Prozesse

38 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Nachweis von Anforderungen Zielgruppen:  Kunde  Gutachter  Zulassungsbehörde Methoden:  Analyse  Sicherheitsnachweise  RAM-Nachweise  Qualitätsnachweise  Test  Testberichte

39 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page SW-Entwicklungsmethoden – Inhaltsübersicht Inhaltsübersicht 1.Konventionelle Entwicklungsmethoden 2.Halb-formale Entwicklungsmethoden 3.Formale Entwicklungsmethoden 4.Modellbasiertes Software-Engineering

40 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page SW-Entwicklungsmethoden – Ziele der EN SW-Architektur & SW-Entwurf und Design  Entwickeln einer Software-Architektur  Überprüfen der Anforderungen an die System-Architektur  Feststellen und Bewerten, der Wechselwirkungen zwischen Hardware und Software  Auswahl eines Entwurfsverfahrens  Entwurf und Implementierung von Software  Software, die analysierbar, testbar, verifizierbar und wartbar ist  Auswahl eines für die geforderte Software-Sicherheitsanforderungsstufe angemessenen Satzes von Werkzeugen  Durchführung der Softwareintegration

41 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Konventionelle Entwicklungsmethoden – Beispiele Konventionelle Entwicklungsmethoden  VHIDT – Vom Hirn in die Tastatur  Strukturierte Verfahren (laut EN 50128)  JSD - Jackson System Development  MASCOT - Modular Approach to Software Construction, Operation and Test  SADT - Structured Analysis and Design Technique  SDL  SSADM  Yourdon - Real-time Yourdon  Modulares Vorgehen  Entwurfs- und Codierstandards  Streng typisierte Programmiersprache  Strukturierte Programmierung  Objektorientierte Programmierung

42 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Modellierung – Beispiele Methoden der Modellierung aus der EN  Datenmodellierung  Datenflussdiagramme  Kontrollflussdiagramme  Endliche Zustandsmaschinen/Zustandsübergangsdiagramme  Zeit-Petri-Netze  Entscheidungs-/Wahrheitstabellen  Formale Methoden  Leistungsmodellierung  Strukturdiagramme  Ablaufdiagramme

43 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Formale Entwicklungsmethoden – Beispiele Formale Entwicklungsmethoden aus der EN  CSP - Communicating Sequential Processes  CCS - Calculus of Communicating Systems  HOL - Higher Order Logic  LOTOS - Language for Temporal Ordering Specification  OBJ – ist eine algebraische Spezifikationssprache  Temporal Logic  VDM - Vienna Development Method  Z  B  Model Checking

44 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Modellbasiertes Software-Engineering – Ursprünge  Erste Ansätze in den 80er Jahren mit den CASE-Tools  Modellierungselemente waren: SA/SD  Es gab viele Erfolge mit CASE-Tools  Qualitätsverbesserung  Bessere Beherrschung der Komplexität  Mehr Abstraktion  mehr Plattformunabhängigkeit  Die CASE-Tools hatten aber auch noch einige Unzulänglichkeiten  Roundtrip-Engineering nicht möglich  Formale Verifikation noch nicht ausgereift  Tool-Entwicklung war nicht fortschrittlich genug  Modellelemente waren für viele Probleme nicht ausreichend

45 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Modellbasiertes Software-Engineering – Erläuterung Modellbasierte Entwicklung definiert:  n Hierarchieebenen  auf jeder Ebene eine (formale, domänenspezifische) abstrakte Sprache  Transformationen zwischen den Hierarchieebenen  möglichst weitgehende Automatisierung der Transformationen

46 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Modellbasiertes Software-Engineering 29.text p2align 2,,3 31.globl main 32.type 33 main: pushl %ebp E5 movl %esp, %ebp b 83EC08 subl $8, %esp e 83E4F0 andl $-16, %esp EC0C subl $12, %esp E0000 pushl $.LC C movl $3, a E8FCFFFF call puts 41 FF C movl $4, (%esp)

47 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Modellbasiertes Software-Engineering void Step(void) { input.AktuelleZeit.timeX = GetTickCount() - starttime; tbl_display.hour = timeinfo->tm_hour; tbl_display.min = timeinfo->tm_min; if ((stepcount > 1000) && (output.StarteDailyTest)) { input.DailyTestResult.vorhanden = kcg_true; input.DailyTestResult.Result = DT_ok_TBL1p_Types; } writeSSS(&input); do{ stepcount = stepcount + 1; TBL1p_MainMixer(&input, &output); output2display(); } while(!output.HabeFertig); }

48 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Modellbasiertes Software-Engineering

49 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Modellbasiertes Software-Engineering – Motivation  Logisch funktionale Inhalte auf hoher Abstraktionsebene  Unabhängig von konkreter Hardwareplattform  lange Produktlebenszyklen  Effizienzsteigerung in der Entwicklung  Frühzeitige Fehleroffenbarung  stärkere Verknüpfung von Implementierung und Dokumentation  Qualitätssteigerung  Einsatz von Analysewerkzeugen (z. B. Model Checker)  Nachweis von Eigenschaften  Unterstützung der Zertifizierung von Systemen

50 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Modellbasiertes Software-Engineering – Abgrenzung Eigenschaften der modellbasierten Entwicklung (1)  Verwendung von Modellen zur Softwareentwicklung um die Abstraktion zu erhöhen  Verwendung von Generatoren/Transformatoren bei der Softwareentwicklung  Auch teilweise Automatisierung möglich (je nach fachlicher Anforderung zwischen 20% und 100%)  Die erste Abstraktionsebene wird vollständig manuell erzeugt  Ziel ist die Steigerung der Softwarequalität bzw. -effizienz  Schlagwort „Automation durch Formalisierung“ in frühen Entwicklungsphasen  Definitionen MDA, MDSD, MDSE nicht einheitlich und weichen je nach Literaturquelle voneinander ab

51 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Modellbasiertes Software-Engineering – Abgrenzung Eigenschaften der modellbasierten Entwicklung (2)  Die Modelltransformation erzeugt Modelle zur manuellen Weiterbearbeitung  MDA erfordert anwendungsspezifische Frameworks  MDA erfordert plattformspezifische Generatoren  MDA kann - abhängig von der Vollständigkeit der Codegenerierung – auch änderungsunfreundlich sein  MDA sagt nichts über den Abstraktionsgrad der Ebenen aus  Ebenen können aufeinander aufbauen.  Logische Fortsetzung des Abstraktionsgedankens bei der Entwicklung – manuelle Drahtverbindung, Maschinencode, Assembler, Programmiersprache, Modellierungssprache

52 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Modellbasiertes Software-Engineering

53 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Modellbasiertes Software-Engineering  Ausdehnung der Abstraktionsidee auf gesamten Prozess  Entwicklung:  UML entwickelt sich zur industriellen Standardsprache  SCADE für sicherheitsrelevante Systeme geeignet  kommerzielle Werkzeuge im industriellen Einsatz bewährt  Testen/Analyse:  UML entwickelt sich zur industriellen Standardsprache  kaum geeignete, kommerzielle Werkzeuge am Markt  sehr großes Potenzial vor allem in der Sicherungstechnik

54 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page SW-Test – Inhaltsübersicht Inhaltsübersicht 1.Konventionelle Testmethoden 2.(halb-)automatisierte Testmethoden 3.modellbasierte Testmethoden 4.analytische Methoden 5.Testende-Kriterien

55 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page 55 Herausforderung des Testens:  Der Testling besitzt einen großen internen Zustandsraum (vielleicht interne Zustände)  Testfälle sind separat zu erstellen  2 15 manuell erstellte Testfälle sind schon sehr viel, aber bestimmt nicht erschöpfend  nur ein kleiner Teil des Verhaltens wird getestet 6.5 Testmethoden – Motivation Eddington number N_edd = 136×2 256 = 1.57×10 79 Zum Vergleich: Anzahl Elektronen im sichtbaren Universum

56 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Konventionelle Testmethoden Excel-basiert, Ringbuch-Ordner oder einfach die Waldabholz-Methode  Testfälle sind in einer Tabelle aufgelistet  Eingabewerte, Ausführungsbeschreibung, Erwartungswert  Testausführung erfolgt manuell  Einstellen der Eingabewerte/Sequenzen  Ausführen des Tests  Beobachtung der Reaktionen und Vergleich mit Sollwert  Dokumentation des Tests in der Liste Probleme:  Regressionstest nur sehr aufwändig möglich  Bei Software-Änderungen wird nur ein sehr kleiner Teil des Tests wiederholt Unentdeckte Seiteneffekte möglich!

57 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page (halb-)automatisierte Testmethoden Ausprogrammierte Testfälle:  Testfälle werden ausprogrammiert  Erwartungswerte werden ebenfalls hinterlegt und am Ende der Ausführung verglichen  Test endet mit: „OK“ oder „FAILED“  Testausführung wird regressionsfähig  Nach SW-Änderung können (alle) Testfälle wiederholt werden  Ungewollte Seiteneffekte können entdeckt werden  Unterstützt durch Unit-Test-Module: JUnit, etc. Probleme:  Testfälle „folgen sehr eng den Programmstrukturen“  Änderung an SW zieht oft große Änderungen an den Testfällen nach sich

58 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Modellbasierte Testmethoden Modellbasiertes Testen  ist weitgehend noch Gegenstand der Forschung  hat kaum geeignete, kommerzielle Werkzeuge am Markt  hat sehr großes Potenzial vor allem in der Sicherungstechnik  Testen umfasst 40 % des Gesamtaufwand eines Projekts Zwei unterschiedliche Ausprägungen  Einsatz von Standard-Sprachen  Einsatz domänenspezifischer Sprachen ist möglich Sehr hohes Potenzial zur Effizienzsteigerung  Generierung sehr vieler Testfälle ist möglich: Aber: Testorakel nicht vergessen

59 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Modellbasierte Testmethoden Modellbasiertes Testen mit Standardsprachen  Verwenden einer bekannten Sprache zur Testfallmodellierung  Teilsprache der UML  Use-Case-Diagramm  Aktivitäts-Diagramm  Sequenz-Diagramm  Zustands-Diagramm  Auch andere Sprachen sind denkbar, z. B. Markov-Ketten  Generieren der Testfälle aus diesen Beschreibungen  Anpassen an die Testumgebung notwendig  Werkzeuge sind bestenfalls Baukästen

60 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Modellbasierte Testmethoden Modellbasiertes Testen mit domänenspezifischen Sprachen  Entwickeln einer domänenspezifischen Sprache  Modellieren mit Meta-Modellierungswerkzeugen  EMF (Eclipse Modeling Framework)  Metaedit (kommerzielles Werkzeug)  Topcased (Open-source-Werkzeug)  In der Regel graphische Sprachen  Entwickeln eines Generators zur Testfallerzeugung  Leichter Zugang für Domänen-Experten

61 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page 61 Ein Fahrprofil Modellbasierte Testmethoden

62 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Modellbasierte Testmethoden Editor für Fahrprofile Meta-Sprache in Metaedit Editor-Generierung Code-Generierung in XML-Format

63 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Modellbasierte Testmethoden Metaedit bis zur Zwischensprache Unterschiedliche Back-Ends für verschiedene Zielplattformen Identische Testfälle für Simulation am PC Integrationstestumgebung Zielplattform

64 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Modellbasierte Testmethoden Strategie  Generierung aus abstrakten Beschreibungen: -Viele Testfälle aus einer abstrakten Beschreibung -Basis meist Aktivitätsdiagramme oder Zustandsmaschinen -Grundprinzip: Fallunterscheidungen “ausrollen“ -Testorakel muss separat erzeugt werden  Generierung aus festgelegten Eingabesequenzen: -In der Regel ein Testfall pro abstrakter Beschreibung -Basis meist Sequenz-Diagramme, Use-Case-Diagramme -Grundprinzip: Ein “Durchlauf“ durch das System -Erzeugung vieler Testfälle durch Mischen -Testorakel kann mit beschrieben werden

65 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Modellbasierte Testmethoden  Modellbasierte Entwicklung ist auf dem Weg zum Industriestandard  Modellbasierte Entwicklungswerkzeuge sind auch für sicherheitsrelevante Systeme einsetzbar  Modellbasiertes Testen bietet erhebliches Einsparpotenzial  Werkzeugunterstützung für domänenspezifische Sprachen  Einfache Sprache für Domänenexperten -Leicht zu Erlernen -Nur der Sprachumfang der auch benötigt wird  Generierung kann durch Software-Experten leicht ausgeführt werden  Anpassung an Testumgebungen, Simulation...

66 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Analytische Methoden Analyse  Testorakel: Ist mein Testfall durchgefallen?  Formale Verifikation: Erfüllt mein System die Anforderungen?  Timing-Analyse: Werden die Zeitanforderungen erfüllt?  Testende-Kriterien: Abdeckungsmessungen  Statische Analyse: Laufzeitfehler, Speicherverbrauch  Simulation: Wie verhält sich das System im Einsatz?  Güte des Designs: Ist die Architektur verständlich?

67 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Testende-Kriterien Testende-Kriterien  Code-Abdeckung  Anweisungsüberdeckung – EN  Pfadüberdeckung  Modified Condition/Decision Coverage (MC/DC) – DO 178C  Funktionsüberdeckung  Requirementsüberdeckung  Schnittstellenüberdeckung

68 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Prozesse Prozesse bilden die Grundlage für  Zertifizierbarkeit  Können geforderte Eigenschaften nachgewiesen werden?  Ist nach dem Stand der Technik entwickelt worden?  Qualität  Wurde an alles gedacht?  Gibt es genügend Maßnahmen zur Fehlerreduktion?  Wartbarkeit  Wo muss was geändert werden?  Vorhersagbarkeit eines Projekts  Wann wird was geliefert?  Wie viel kostet es?  Gerichtsfeste Nachweise

69 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Fehlerkultur Offener Umgang mit Fehlern:  Fehler in Projekten sind ganz normal  Der Gesamtprozess mit den unterschiedlichen Rollen soll gemachte Fehler erkennen und beseitigen  Erkannte Fehler dürfen/müssen offen kommuniziert werden  Das Erkennen von Fehlern ist die Grundlage für die künftige Vermeidung!

70 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Qualitätssicherung von Entwicklungswerkzeugen EN verlangt:  CENELEC-Norm gilt auch für „unterstützende Werkzeuge“  „angemessener Satz an Werkzeugen“ soll eingesetzt werden.  Automatische Testwerkzeuge und integrierte Entwicklungswerkzeuge werden empfohlen.  Werkzeuge und Hilfsmittel sollten zum frühest möglichen Termin verfügbar sein.  Software-Werkzeuge müssen für den Zweck geeignet sein. In der Praxis:  Werkzeuge mit Validierung, Begutachtung und Zulassung!  Werkzeuge ohne Nachweis der Qualifizierung  Und alles was dazwischen ist

71 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Qualitätssicherung von Entwicklungswerkzeugen Neue Version der EN klassifiziert Werkzeuge T1:Kein direkter oder indirekter Einfluss auf Code: Editoren, Requirements Management Tools T2:Verifikations- und Testwerkzeuge: Fehler im Tool erzeugen keine Fehler im Produkt, aber er bleibt evtl. unentdeckt T3: Output hat direkten oder indirekten Einfluss auf das sicherheitsrelevante System ISO klassifiziert Werkzeuge nach: Einfluss des Tools auf das Ergebnis (ähnliche T1, T2, T3) Fehleraufdeckung durch nachgelagerte Prozessschritte

72 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Qualitätssicherung von Entwicklungswerkzeugen Einsatz von Werkzeugen  bei Automatisierung manueller Tätigkeiten Aber  das Werkzeug besitzt deterministisches Fehlerverhalten  der Mensch besitzt stochastisches Fehlerverhalten Nachgelagerte Qualitätssicherung zum Fehlerfinden  keine Qualifizierung von Werkzeugen notwendig!  gleicher Prozess wie bei manueller Erstellung der Ergebnisse Einsparen von Qualitätssicherungsschritten:  Qualifizierung von Werkzeugen notwendig!

73 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Qualitätssicherung von Entwicklungswerkzeugen Beispiel: Compiler oder Generator  Generator mittels Validierungssuite überprüfen  Vorwärts- und Rückwärtsübersetzung mit Vergleich des Ausgangsmaterials  Zwei Mal diversitäre Vorwärtsübersetzung mit Ergebnisvergleich  Applikationstest mit Abdeckungsmessung auf Ebene des Bytecodes oder Assemblers  Generierung der Testfälle aus dem Modell mit Abdeckungsmessung  Generierung der Testfälle aus einem Testmodell mit anschließender Abdeckungsmessung  Formal beweisbare Übersetzung

74 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Qualitätssicherung von Entwicklungswerkzeugen Validierungssuite  ausführliche Sammlung von Testfällen  Bei Unvollständigkeit der Sammlung bleiben ungetestete Situationen übrig.  Testendekriterien bleiben genauso entscheidend wie bei den Tests des sicherheitsrelevanten Systems  Validierungssuite muss nicht besser sein als ein Test eines sicherheitsrelevanten Systems  gängige Praxis bei der Validierung von Compilern

75 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Qualitätssicherung von Entwicklungswerkzeugen Zwei Mal diversitäre Vorwärtsüber- setzung mit Ergebnisvergleich  Setzen G1 und G2 auf denselben Spezifikationen auf?  Können G1 und G2 wirklich unabhängig sein?  diversitäre Auslegung des Vergleichers?  In der Luftfahrt wird diversitäre Vorwärtsentwicklung im first und second level eingesetzt  doppelter Transformationsaufwand (Kosten)  Validierung der Ergebnisse bei jeder Übersetzung -> keine fehlenden Testfälle

76 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Qualitätssicherung von Entwicklungswerkzeugen Vorwärts- und Rückwärtsübersetzung mit Vergleich des Ausgangsmaterials  Diversität durch unterschiedliche Aufgaben besser gegeben  Vergleich diversitär?  Falls Transformation nicht eineindeutig ist, kann M‘ nicht wiederhergestellt werden.  Evtl. zusätzliche Hilfen notwendig, damit M‘ aus dem Code herstellbar ist.  Vergleicher kann mit Intelligenz ausgestattet werden (Äquivalenzvergleich)  Validierung mit jeder Übersetzung.  Fehler in V mit anschließender Fehlerverschleierung in R relativ unwahrscheinlich -> sehr gute Fehleroffenbarung

77 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Qualitätssicherung von Entwicklungswerkzeugen Generierung der Testfälle aus dem Modell mit Abdeckungsmessung  Generierte Testfälle nur für die Korrektheit des Generators (Gen)  Abdeckungsmessung soll die Güte der erzeugten Testfälle dokumentieren und nachweisen (optional).  Validierung mit jeder Übersetzung und Testausführung -> keine offenen Testfälle  Keine Funktionstests des Modells, die müssen noch gesondert formuliert und durchgeführt werden.

78 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Qualitätssicherung von Entwicklungswerkzeugen Applikationstest mit Abdeckungs- messung auf Ebene des Bytecodes oder Assemblers  Generierte Code wird mit Testfällen aus der Validierung abgedeckt  keine offene Funktionalität im Code vorhanden, da Testabdeckung gemacht  Test der Generierung wird mit den ohnehin notwendigen Funktionstests kombiniert -> Einsparung intensiver Generator-Tests  Abdeckungsmessungen können sehr aufwändig sein, bei sehr viel generiertem Code  Abdeckungsmessungen können manuelle Argumentation für nicht abgedeckte Testfälle haben -> aufwändig

79 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Qualitätssicherung von Entwicklungswerkzeugen Generierung der Testfälle aus einem Testmodell mit anschließender Abdeckungsmessung  ähnlich voriges Beispiel, allerdings werden die Testfälle aus einem separaten Testmodell erzeugt.  impliziter Funktionstest des Systems  korrekte Generierung wird über die korrekte Testausführung nachgewiesen  doppelter Modellierungsaufwand (Modell + Testmodell)  Abdeckungsmessung weist Güte der generierten Testfälle nach  Abgleich zwischen Modell und Testmodell kann anhand der Abdeckungsmessungen schwierig sein

80 Software in sicherheitsrelevanten Systemen Sommersemester Ralf Pinger / Stefan Gerken Page Qualitätssicherung von Entwicklungswerkzeugen Formal beweisbare Übersetzung  Korrektheit der Übersetzung anhand eines formalen Nachweises auf der Ebenen der Sprachdefinitionen  Formale Semantik der Sprachen notwendig  Evtl. aufwändige Nachweise notwendig  bisher noch keine industrielle Anwendung in der Breite möglich (Forschungsgegenstand)


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