Sistemi elettronici per la sicurezza dei veicoli: presente e futuro. Il ruolo della norma ISO per la Sicurezza Funzionale

Transcript

1 La Sicurezza Funzionale del Software Prof. Riccardo Sisto Ordinario di Sistemi di Elaborazione delle Informazioni Dipartimento di Automatica e Informatica

2 Sicurezza Funzionale del Vari Aspetti Sicurezza del software embedded Sicurezza del software usato per automatizzare progetto e sviluppo development Process HW HW development Process System System development Process Vehicle 2

3 Obiettivo della Relazione Fornire una (parziale) presentazione dei requisiti posti dalla norma ISO sullo sviluppo del software embedded (principalmente contenuti nella parte 6) In particolare, i requisiti sui metodi di specifica e verifica 3

4 La Natura degli Errori nel Embedded Gli errori dovuti al sono errori sistematici in genere non caratterizzabili probabilisticamente Due Grandi Categorie: Errori di run-time Errori nell uso del linguaggio di programmazione Non individuabili dal compilatore, provocano l interruzione del programma in fase di esecuzione Esempi: divisioni per zero, overflow e altri errori di tipo aritmetico riferimenti ad indirizzi di memoria inesistenti indisponibilità di risorse Errori di carattere logico o funzionali Non sono violazioni del linguaggio ma solo dei requisiti Simili agli errori di progetto di un circuito logico o di un FPGA 4

5 Perché è difficile eliminare gli Errori nel Un sistema è un sistema discreto con memoria che riceve input e produce output in forma numerica Input numerici Sistema Software Output numerici A differenza di un sistema fisico, per il software il superamento di un test in condizioni limite non implica che il test verrà superato anche in altre condizioni Numero di stati interni enorme anche per software semplici testing esaustivo di solito impossibile il testing può verificare il corretto comportamento in un numero molto limitato di casi modellare l ambiente esterno può essere utile per circoscrivere i casi in cui occorre testare il software 5

6 Metodi per migliorare la Qualità del Processi di sviluppo rigorosi Sviluppo Model-based Metodi Formali e Semi-Formali Metodi per la generazione e la selezione dei test Linee Guida per l uso dei linguaggi di programmazione e di modellazione Rivelazione di malfunzionamenti e fault tolerance 6

7 Requisiti della norma ISO per lo Sviluppo Requisiti sul processo di sviluppo Requisiti sui metodi utilizzati per raggiungere gli obiettivi definiti Requisiti sulla documentazione Focalizzati solo sulla sicurezza funzionale I requisiti sui metodi dipendono dall dell elemento per raggiungere un certo obiettivo si deve pianificare l uso di una combinazione di metodi e giustificarla la norma fornisce raccomandazioni sui principali metodi in forma tabellare. Ciascun metodo in tabella può essere raccomandato (+) altamente raccomandato (++) non raccomandato (o) per un certo 7

8 Avvio del processo di sviluppo a livello (Cl. 5) Criteri per la definizione del processo di sviluppo modello di riferimento a V Criteri per la scelta di linguaggi di programmazione e modellazione linee guida da adottare 8

9 Modello di Riferimento a V per lo sviluppo System Design development flow testing phase verification Item Integration and Testing Specification of Safety requirements Verification of Safety requirements Architectural Design Integration and Testing design phase verification Unit Design and Implementation Unit Testing 9

10 Line Guida per l uso dei linguaggi Obiettivo: evitare gli usi pericolosi dei linguaggi favorendo invece gli usi virtuosi Forzare la semplificazione senza limitare troppo l espressività Favorire la programmazione difensiva Aderire a pratiche che si sono rivelate efficaci per ridurre la difettosità Esempio: MAAB Esistono per diversi tipi di linguaggi e notazioni (di modellazione, di programmazione) Esempio: MISRA 10

11 Specifica dei Requisiti di Safety del (Cl. 6) System Design technical safety concept system design specification Specification of Safety requirements safety requirements specification I metodi di specifica e verifica dei requisiti vengono trattati nella parte 8 Metodi per la Specifica dei requisiti Metodi per la Verifica dei requisiti 1a Informal notations b Semi-formal notations c Formal notations a Walkthrough ++ + o o 1b Inspection c Semi-formal verification d Formal verification o

12 Metodi Formali e Semi-Formali Metodi formali: metodi matematici (rigorosi) per modellare ed analizzare sistemi informatici (hardware, software, system, ) specifica formale: costruire modelli matematici consistenti completi e non ambigui per specificare un sistema e i suoi requisiti verifica formale: verificare che nel modello matematico il sistema soddisfi i requisiti Metodi semi-formali: quando il rigore non è completo Esempio: molti linguaggi di modellazione hanno una sintassi formale ma non una semantica formale 12

13 Linguaggi di Specifica Linguaggio usato Informale Linguaggio Naturale Notazionie strutturata basata su Linguaggio Naturale Può essere formale o semi-formale Linguaggio di Modellazione In genere è semi-formale Linguaggio di Programmazione 13

14 Metodi di Verifica del Manuale Statico Walkthrough, Inspection Dinamico Theorem Proving Debugging Formal verification Data /Control Flow Analysis Model Checking Testing, Simulation Automatico Type Checking, Compilation 14

15 Progetto dell architettura del (Cl. 7) Specification of Safety requirements safety requirements specification Architectural Design architectural design specification Metodi per la Verifica del design architetturale Notazioni per il design architetturale 1a Informal notations b Semi-formal notations c Formal notations a Walkthrough ++ + o o 1b Inspection c Simulation d Prototype generation o o e Formal verification o o + + 1f Control flow analysis g Data flow analysis

16 Sviluppo Model-Based Requisiti informali check di consistenza Definizione Test simulazione Modellazione Modello check di consistenza Test ambiente Modello ambiente verifica formale simulazione SIL generazione codice sorgente check di consistenza compilazione codice eseguibile 16

17 Possibili strategie di applicazione dei metodi formali Modellazione Modellazione modello formale modello semi-formale Verifica formale Model extraction Poco praticabile! modello formale Verifica formale 17

18 Progetto e implementazione di unità (Cl. 8) Architectural Design architectural design specification Unit Design and Implementation unit design specification unit implementation Notazioni per il design di unità 1a Natural language b Informal notations c Semi-formal notations d Formal notations Metodi per la Verifica del design di unità 1a Walkthrough ++ + o o 1b Inspection c Semi-formal verification d Formal verification o o + + 1e Control flow analysis f Data flow analysis g Static code analysis h Semantic code analysis

19 Possibili strategie di applicazione dei metodi formali Modello Implementazione Programmazione Modellazione modello semi-formale Code generation codice sorgente Model extraction Model extraction modello formale Code generation modello formale Verifica formale 19

20 Esempio: Analisi Statica del Codice Può combinare varie tecniche di analisi type checking control/data flow analysis theorem proving software model checking Mira a individuare gli errori di run-time che possono verificarsi indipendentemente dagli input che il software riceve Data l indecidibilità di questo problema, le segnalazioni possono non essere precise (falsi positivi e falsi negativi) In alcuni casi il metodo è in grado di fornire prova dell esistenza di un certo errore nel modello dell assenza di un certo errore nel modello (verifica formale) 20

21 Test di unità del Unit Design and Implementation Unit Testing Criteri per derivare i test case di unità Tipologie di test di unità 1a Requirement-based b Interface c Fault-injection d Resource usage e Back-to-back a Requirements b Equivalence classes c Boundary values d Error guessing Metriche di copertura strutturale (test di unità) 1a Statement b Branch c MC/DC

22 Test di integrazione del Architectural Design Integration and Testing Metodi per derivare i test case di int. Tipologie di test di integrazione 1a Requirement-based b Interface c Fault-injection d Resource usage e Back-to-back a Requirements b Equivalence classes c Boundary values d Error guessing Metriche di copertura strutturale (test di int.) 1a Function b Call

23 Verifica dei requisiti di safety del Specification of Safety requirements Verification of Safety requirements Ambienti di test per la verifica dei requisiti 1a Hardware-in-the-loop b ECU network c Vehicle