Modellbasierte Software-Entwicklung eingebetteter Systeme Prof. Dr. Holger Schlingloff Institut für Informatik der Humboldt Universität und Fraunhofer Institut für offene Kommunikationssysteme FOKUS
Fragen? • Welche Hardwarekomponenten enthält eine Embedded Plattform? • Unterschied Mikroprozessor – Mikrocontroller – System-on-Chip? • Besonderheiten von embedded CPUs? • Stromsparkonzepte? • Besonderheiten vom Speicher für eingebettete Systeme? • Welche Arten von Sensoren kennen Sie? • Wie werden intelligente Sensoren mit der CPU verbunden? • Was versteht man unter PWM?
Kap. 6: Sicherheit • Funktionale Sicherheit (FuSi) • der Teil der Sicherheit eines Systems, der von der korrekten Funktion der sicherheitsbezogenen (Sub-)Systeme und externer Einrichtungen zur Risikominderung abhängt • nicht erfasst: nichtfunktionale Eigenschaften, z.B. Brandschutz • Diverse Normen und Richtlinien • IEC 61508 "Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener elektrischer/elektronischer/programmierbar elektronischer Systeme“ • viele daraus abgeleitete Normen • Maßnahmen zur Vermeidung, Erkennung und Beherrschung von Fehlern • Maßnahmen während der Entwicklung • Absicherung des laufenden Betriebs
Ursache, Wirkung und Folge • Standardwerk zur Terminologie:J.C. Laprie, A. Avizienis,H. Kopetz: Dependability: Basic Concepts and Terminology. Springer-Verlag (englisch, deutsch, französisch) Irrtum (error) Ursache Fehlzustand (fault)Wirkung Ausfall (failure) Folge • Ausfall kann Ursache für weiteren Fehler sein!
Fehlerursachen • Fehlerursache (cause): direkter oder indirekter Vorgänger in der Wirkfolge • ein Fehler hat meist viele Ursachen • Fehlerursache =Anerkannte oder angenommene Ursache für einen Fehler. Ereignis, das vermieden oder toleriert werden sollte. Auswirkung des Ausfalls eines anderen Systems, das mit dem betrachteten System zusammengewirkt hat oder zusammenwirkt, auf das betrachtete System • letztlich ist jeder Fehler auf das menschliche Unvermögen zurückzuführen, die Gesamtheit aller Wirkzusammenhänge zu verstehen. • Beispiel: Materialbruch Materialforschung • Beispiel: Ariane 5 Flugbahneinfluss • Irrtum (error), Fehlhandlung (mistake)
Fehlzustände • Fehlzustände treten auf, wenn ein System auf Grund äußerer Einflüsse oder selbsttätig in einen ungewollten Zustand übergeht • Fehlzustand = Teil des Systemzustands, der dafür verantwortlich ist, dass ein Ausfall auftritt. Offenbarung einer Fehlerursache im System • Möglichkeit des Fehlzustands ist immer schon im System vorhanden, der Fehlzustand wird durch den ausführenden Prozess nur aktiviert • Beispiel: Division durch 0 in Zeile 739 • Beispiel: Bit kippt auf Grund von alpha-Strahlung • Fehlzustand (fault), Defekt (defect)
Fehlerauswirkung • Fehlverhalten ist die Konsequenz aus einem Fehlzustand. Wenn ein System einen Defekt enthält, führt das meist früher oder später zu einem teilweisen oder totalen Ausfall. • Beispiel: kaputtes Zahnrad Getriebeschaden • Beispiel: ungeschützte Gleitpunktkonvertierung … • Ausfall =Abweichung der erbrachten Leistung von der in der Spezifikation geforderten Leistung. Übergang von korrekter Leistungserbringung zu fehlerhafter Leistungserbringung. • Ausfall und Versagen sind weitgehend synonym (failure) • Ausfall eher für Komponenten, Versagen eher für Gesamtsysteme • Im Sinne der Hierarchie ist der Ausfall einer Komponente die Ursache für das Versagen des Systems
Fehlerarten oftmals unterscheidet man zwischen • zufälligen Fehlern • Auftreten nur statistisch vorhersagbar, z.B. Bitflip auf Grund von Strahlung und • systematischen Fehlern • in der Systematik (Art der Zusammensetzung des Systems) begründet, z.B. Bitflip auf Grund eines Programmierfehlers • Diese Unterscheidung ist grob vereinfachend bzw. unscharf! • Was ist z.B., wenn ein Bitflip eine Exception wirft, die nicht gefangen wird?
Klassifikation von Fehlern (1) • Intention (Art) • zufälliger Fehler =zufällig auftretender oder erzeugter Fehler(z.B. Kommafehler) • absichtlicher Fehler = in böswilliger Absicht erzeugter Fehler (z.B. Backdoor) „zufällig“ bedeutet hier nicht „stochastisch auftretend“, sondern „ohne Absicht“ • Idee, phänomenologischer Ursprung • physikalischer Fehler = Fehler aufgrund eines physikalischen Phänomens (z.B. Materialbruch) • logischer Fehler = auf menschlicher Unzulänglichkeit basierende Fehlerursache, Denkfehler (z.B. Feldindex)
Klassifikation von Fehlern (2) • Raum • externer Fehler = von der Beeinflussung des Systems durch seine physikalische Umgebung oder vom Zusammenwirken mit seiner menschlichen Umgebung hervorgerufene Fehlerursache • interner Fehler = Teil des Systemzustandes, der bei Aufruf durch eine Rechenaktivität einen Fehler hervorruft • Zeit, Entstehungsphase • Betriebsfehler = während der Nutzung des Systems auftretender Fehler • Entwurfsfehler, Konstruktionsfehler = während der Entwicklung oder der Modifikation oder der Erstellung der Betriebsprozeduren entstandener Fehler
Klassifikation von Fehlern (3) • Dauer • permanente Fehler = Anwesenheit ist nicht von einer punktuellen Bedingung abhängig • Temporäre oder transiente Fehler = nur während einer bestimmten Zeit vorhanden • Unterscheidung reversibel (reparierbar) oder nicht! temporäre interne Fehler werden auch intermittierende Fehler genannt „Benutzerfehler“ oder „Bedienfehler“ ist demnach zufälliger, logischer, externer, temporärer Betriebsfehler wichtig: Ursachen- statt Schuldanalyse! jeder Fehler kann als permanenter Entwurfsfehler verstanden werden
Klassifikation von Ausfällen • Wert- oder Zeitausfälle • verfrüht oder verspätet • konsistent oder inkonsistent • kritisch oder unkritisch • Stillstand oder Livelock • Auslassungsausfälle, Totalausfälle • …
IEC 61508: Sicherheits-Lebenszyklus • Analyse der Bedrohung durch das EUC • Ableitung von Sicherheits-anforderungen • Planung und Realisierung von Sicherheits-mechanismen • Validierung und Betrieb der Systeme
IEC 61508 Prozess (System)
IEC 61508 Prozess (Software)
Gefährdungs- und Risikoanalyse • Gefährdung: potentielle Schadensquelle • Risiko: Verbindung / Kombination der Auftretenswahrscheinlichkeit eines Schadens und des zugehörigen Schadensausmaßes • Auftretenswahrscheinlichkeit: der Parameter des Risikos, der Auskunft über die Wahrscheinlichkeit gibt, mit der eine identifizierte Gefährdung bzw. ihre Ursache in der Praxis tatsächlich auftreten könnte. • Eintrittswahrscheinlichkeit • Entdeckungswahrscheinlichkeit • Möglichkeit zur Gefahrenabwendung • Schadensausmaß: quantitatives Maß für die möglichen Folgen / Konsequenzen einer Gefährdung • Sicherheit: Freiheit von nicht akzeptablen Risiken Risiko = Eintrittswahrscheinlichkeit * Schadensausmaß
Risikoanalyse • Risiko = Eintrittswahrscheinlichkeit * Schadensausmaß • z.B. Aktienkursverlust • Problem bei sehr kleinen und sehr großen Zahlen • sehr großer Schaden bei sehr geringer Wahrscheinlichkeit • Problem der numerischen Einschätzung • Kosten bei Personenschaden? • Wahrscheinlichkeit von Katastrophen? • akzeptabeles Risiko? • abhängig vom persönlichen Einfluss
ALARP • ALARP-Prinzip: „As Low As Reasonably Possible“ • Wenn ein Risiko mit vertretbarem Aufwand reduziert werden kann, sollte dies getan werden • Oft auch: Wenn das Risiko nicht reduziert werden kann, muss der Nutzen des Systems (Nutzungsdauer * Gewinn) den Schaden übersteigen • “Cost per life saved”
Automobil- versus Luftfahrtsicherheit • Katastrophen werden subjektiv höher gewichtet
Planes, Trains and Automobiles E. Schnieder: 4. Bieleschweig Workshop, 14.-15.9.04: NEUE UND HERKÖMMLICHE MAßE ZUR QUANTIFIZIERUNG DES RISIKOS IM EISENBAHNVERKEHR Quelle: http://www.ifev.bau.tu-bs.de/Workshops_Tagungen/Bieleschweig/bieleschweig4/pdf/Bieleschweig4_Folien_Schnieder.pdf
