[논문]ISO 26262 표준 기반의 소프트웨어 검증을 위한 소프트웨어 결함 주입 기법

이상호; 신승환

doi:10.7467/ksae.2014.22.3.068

ISO 26262 표준 기반의 소프트웨어 검증을 위한 소프트웨어 결함 주입 기법
Software Fault Injection Test Methodology for the Software Verification of ISO 26262 Standards-based 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.22 no.3, 2014년, pp.68 - 74

이상호 (현대오트론 주행제어팀) , 신승환 (현대오트론 주행제어팀)

Abstract ▼ AI-Helper

As the number of ECUs (Electronic control units) are increasing, reliability and functional stability of a software in an ECU is getting more important. Therefore the application of functional safety standards ISO 26262 is making the software more reliable. Software fault injection test (SFIT) is required as a verification technique for the application of ISO 26262. In case of applying SFIT, an artificial error is injected to inspect the vulnerability of the system which is not easily detected during normal operation. In this paper, the basic concept of SFIT will be examined and the application of SIFT based on ISO26262 will be described.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

최근 자동차 분야에서 소프트웨어 개발은 모델기반 개발(Model Based Development)로 진행된다. 따라서 소프트웨어 개발 시 소프트웨어 결함 주입을 모델링 하고 시뮬레이션 함으로써 소프트웨어의 강건성을 검증하는 연구가 진행되었다.⁶⁾
따라서 먼저 대상 소프트웨어의 입력 데이터들에 대한 분석이 필요하다. 본 논문에는 이 과정을 앞서 언급된 소프트웨어 FMEA 과정과 접목하는 방법론을 제안한다
본 논문에서는 이에 ISO 26262 표준 개발 프로세스 항목 중 소프트웨어 FMEA와 결합하여 결함 주입 기법이 수행 되어야 할 대상, 결함의 식별, 결함 주입 방법을 장애 허용 시스템에 의한 강건 설계가 이루어진 소프트웨어 모듈에 한정하여 결함 주입 기법을 수행하는 방법론에 대하여 서술하였다. 이를 통해 검증 대상과 방법론을 좀 더 명확하게 확정 지을 수 있다.
3. 본론

본론에서는 결함 주입 기법을 수행하기 위한 결함 주입 대상의 식별, 입력할 결함 데이터 추출, 결함 주입 방법 등에 대한 실제 적용을 위한 방법론을 다루었다.
실제로 이미 구현된 소프트웨어의 코드가 변형되는 경우는 존재할 수 없지만, 소프트웨어가 실제 ECU에 탑재되어 동작되는 경우 레지스터 값의 변형이 일어나거나 행(Hang)이 걸려 처리되는 값의 지연이 일어날 수 있다. 이러한 현상을 코드 단위에서의 수정을 통해 모사하여 검증하는 것이다. 이때 코드의 변형에는 뮤테이션과 제너레이션(Generation) 두 가지 방법이 있다.

가설 설정

뮤테이션은 기존의 올바르게 작성된 코드에 대하여 일부를 임의적으로 변형시키는 방법이다. 앞서 예를 들었던 레이더 데이터 보정 모듈에서 결함이 나타났다고 가정해보자. 아래의 Table 2와 같이 코드의 일부에 간단한 변형을 줌으로써 소프트웨어의 결함을 유발시킬 수 있다.

제안 방법

이를 통해 검증 대상과 방법론을 좀 더 명확하게 확정 지을 수 있다. 또한 이러한 방법은 소프트웨어 아키텍처에 대한 분석과 코드 단위의 분석을 통해 결함 주입기법을 활용하므로 화이트박스 테스팅 기법을 바탕으로 한다고 할 수 있어 기존의 블랙박스 테스팅 기법을 주로 사용했던 결함 주입 기법과의 차별성을 꾀하였다.
이를 ISO26262 표준에 따른 소프트웨어 개발과 접목시켜보면 기능안전표준에서는 작성된 소프트웨어 아키텍처에 잠재적인 결함이 없는지 분석하는 안전 분석을 반드시 수행해야 한다. 이를 위해 소프트웨어 아키텍처를 정의한 후 소프트웨어 FMEA (Failure Mode and Effects Analysis), FTA(Fault Tree Analysis)등의 과정을 통해 아키텍처상의 취약점을 분석하고 이를 보완하는 장애 허용 시스템이 추가된 소프트웨어 아키텍처를 다시 설계하는 방식으로 개발이 이루어진다. 따라서 ISO26262 표준 기반의 결함 주입 기법을 활용하기 위해서는 표준개발 프로세스에 따라 소프트웨어 안전분석을 통해 강건설계가 이루어진 소프트웨어 모듈에 대하여 결함주입을 활용하면 장애 허용 시스템이 잘 설계되었는지에 대하여 올바른 검증을 할 수 있을 것이다.
테스트 수행은 결함주입 단계에서 결함을 주입한 소프트웨어를 대상으로 소프트웨어 기능 검증에서 사용하는 테스트케이스를 입력하여 진행한다. 정상적인 소프트웨어의 경우에는 기능 검증에서 사용한 테스트케이스를 입력하였을 때는 예상결과를모두 만족할 것이나, 결함을 주입한 소프트웨어의 경우 해당 결함을 처리하기 위해 기능 검증에서 예상한 결과와는 다르게 나올 수 있다.

대상 데이터

끝으로 결함주입기법을 통해 얻은 결과를 분석하는 방법에 대한 논의가 필요하다. 본 논문에서는 결함주입기법의 대상을 소프트웨어 FMEA를 통해 강건 설계가 이루어진 소프트웨어 모듈에 한정하였다. 따라서 입력되는 결함 역시 FMEA과정에서 식별된 결함에 대하여 이루어졌으며 검증 결과는 결함의 처리가 잘 이루어져 전체 시스템의 동작에 영향이 미치지 않는지를 판단하는 방식으로 이루어지면 될 것이다.

이론/모형

결함 주입 단계에서는 결함 식별 단계에서 식별된 결함을 소프트웨어에 주입한다. 결함을 주입하기 위해서는 Fig. 5와 같은 소프트웨어 추적 매트릭스(Software Traceability Matrix)를 사용한다. 소프트웨어 추적 매트릭스란 소프트웨어 요구사항에서 소프트웨어 코드까지 연관관계를 매트릭스 형태로 표현한 것으로써 아키텍처 상에서의 모듈이 어떤 소프트웨어 코드로 구현되었는지 확인할 수 있다.

성능/효과

컨설팅 업체인 맥킨지社의 보고서에 의하면, 자동차 제조원가에서 전장이 차지하는 비중은 2004년 19퍼센트에서 현재 20퍼센트 대 중반으로 높아진 데 이어 2015년엔 40퍼센트 수준으로 급성장 할 것으로 예상된다.¹⁾ 이처럼 전자부품의 사용이 크게 증가하면서 전자적 오류에 따른 자동차 사고 위험성을 줄이는 것이 자동차 업계의 화두로 떠오르고 있다. 따라서 전자제어 장치에 들어가는 소프트웨어의 품질 및 기능안정성이 자동차 산업에서 중요해지고 있으며 이를 만족시키고 신뢰성을 갖기 위한 소프트웨어 검증이 필요해지고 있다.
2) 이를 통해 시스템의 정상작동 시 쉽게 발견되지 않는 내부 결함을 파악하고 안전 기능이 예상치 못한 상황에서 적절하게 통제되고 견고성을 유지하는 지에 대한 검증이 가능하다.
이러한 과정의 반복을 통해 좀더 기능 안전을 만족하는 시스템의 구현이 가능할 것이다. 코드 뮤테이션의 경우 코드 변형에 따른 원인 분석이 명확하지 않을 수 있으나 본 논문에서는 하나의 결함에 대해서 코드뮤테이션을 수행하여 테스트를 수행하기 때문에 결함과 관련된 코드 수정을 쉽게 확인할 수 있다.

후속연구

결함의 주입과 상관없이 전체시스템이 정상적으로 작동한다면 FMEA과정을 통한 강건설계가 제대로 이루어졌음을 검증할 수 있고 만약 결함 주입에 의하여 전체 시스템의 안정성에 문제가 생겼다면 원인을 파악하고 추가적인 아키텍처 설계를 통해 강건 설계가 이루어지는 과정이 다시 수행되어야 한다. 이러한 과정의 반복을 통해 좀더 기능 안전을 만족하는 시스템의 구현이 가능할 것이다.
이를 위해 소프트웨어 아키텍처를 정의한 후 소프트웨어 FMEA (Failure Mode and Effects Analysis), FTA(Fault Tree Analysis)등의 과정을 통해 아키텍처상의 취약점을 분석하고 이를 보완하는 장애 허용 시스템이 추가된 소프트웨어 아키텍처를 다시 설계하는 방식으로 개발이 이루어진다. 따라서 ISO26262 표준 기반의 결함 주입 기법을 활용하기 위해서는 표준개발 프로세스에 따라 소프트웨어 안전분석을 통해 강건설계가 이루어진 소프트웨어 모듈에 대하여 결함주입을 활용하면 장애 허용 시스템이 잘 설계되었는지에 대하여 올바른 검증을 할 수 있을 것이다.
본 논문에서는 결함주입기법의 대상을 소프트웨어 FMEA를 통해 강건 설계가 이루어진 소프트웨어 모듈에 한정하였다. 따라서 입력되는 결함 역시 FMEA과정에서 식별된 결함에 대하여 이루어졌으며 검증 결과는 결함의 처리가 잘 이루어져 전체 시스템의 동작에 영향이 미치지 않는지를 판단하는 방식으로 이루어지면 될 것이다.
이와 같은 ISO 26262 표준 프로세스와 FMEA를 통해 설계된 소프트웨어라면 이미 위의 과정에서 각각의 검증대상 소프트웨어 발생할 수 있는 결함들이 식별되어 있다고 볼 수 있다. 또한 개별 결함이 미치는 리스크에 대하여 우선 순위가 정해져 있으므로 우선순위가 높은 리스크에 대하여 검증의 강도를 부여한다면 좀 더 높은 신뢰성을 갖춘 검증 결과를 얻을 수 있을 것이다.
하지만 아직 주입된 결함에 대한 결과에 대한 정확한 측정방법을 체계화하고 명시적으로 나타내는 방법에 대한 연구는 부족한 듯하다. 앞으로 이 부분에 대한 활발한 연구가 더욱 진행되어야 할 것이다.
결함의 주입과 상관없이 전체시스템이 정상적으로 작동한다면 FMEA과정을 통한 강건설계가 제대로 이루어졌음을 검증할 수 있고 만약 결함 주입에 의하여 전체 시스템의 안정성에 문제가 생겼다면 원인을 파악하고 추가적인 아키텍처 설계를 통해 강건 설계가 이루어지는 과정이 다시 수행되어야 한다. 이러한 과정의 반복을 통해 좀더 기능 안전을 만족하는 시스템의 구현이 가능할 것이다. 코드 뮤테이션의 경우 코드 변형에 따른 원인 분석이 명확하지 않을 수 있으나 본 논문에서는 하나의 결함에 대해서 코드뮤테이션을 수행하여 테스트를 수행하기 때문에 결함과 관련된 코드 수정을 쉽게 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	각성 섬망은 부분 마취와 전신 마취를 받고 수술 받은 환자 중 얼마나 발생하는가?	각성 섬망(Emergence delirium)은 1960년대에 처음 사용된 용어로 수술 후 마취에서 깨어나면서 발생하는 현상 으로 환자가 소리내어 울거나, 흐느끼고, 몸부림치며, 혼란을 겪으며 나타나는 다양한 행동장애이다[1]. 각성 섬망은 부분 마취와 전신 마취를 받고 수술을 받은 환자 중에 11~40%정도 발생했다고 보고되고 있다[2,3]. 수술 후 각성 섬망은 짧은 시간동안(보통 30분 정도) 지속되지만, 노인에게서는 각성 섬망이 쉽게 회복되지 않는 경우도 있으며 8시간에서 24시간이 지나도록 진단조차 되지 않는 경우가 있다[4].
	각성 섬망이란?	각성 섬망(Emergence delirium)은 1960년대에 처음 사용된 용어로 수술 후 마취에서 깨어나면서 발생하는 현상 으로 환자가 소리내어 울거나, 흐느끼고, 몸부림치며, 혼란을 겪으며 나타나는 다양한 행동장애이다[1]. 각성 섬망은 부분 마취와 전신 마취를 받고 수술을 받은 환자 중에 11~40%정도 발생했다고 보고되고 있다[2,3].
	각성 섬망으로 인해 환자에게 어떤 문제가 발생하는가?	실제로 회복실에서 환자에게 각성 섬망이 발현 되었을 때 환자는 폭력적이고 불안정하여 협조가 어려워진다. 이로 인해 환자는 상해를 입을 수 있고, 환자의 상태가 악화 될 수 있으며, 다른 업무의 지체 등으로 스트레스 상황에 놓이게 된다[6]. 특히 환자가 폭력성을 띌 때 간호사는 두렵지만 의료인으로서 환자를 간호하고 보호해야 할 책임감을 가져야 하므로 각성 섬망과 관련된 업무 스트레스는 가중될 것이다[4].

참고문헌 (8)

Mckinsey & Company, Analysis of the Global Dimensional Metrology Market in Electronic Manufacturing, http://www.mckinsey.com, 2007.
R. Thorhuus, Software Fault Injection Testing, M. S. Thesis, KTH, Royal Institute of Technology, Stockholm, 2000.
K. Kim, Y. Choi, J. Yang and S. Hong, Software Security Testing using Fault Injection, Information Security Academic Journal, National Security Research Institute, 2006.
S. Shin and S. Cho, Smart-car Software Engineering, Acon, 2013.
SAE International, SAE ARP5580: Recommended Failure Modes and Effects Analysis (FMEA) Practices for Non-automobile Applications, http://standards.sae.org/arp5580, 2001.
R. Rana, Improving Fault Injection in Automotive Model Based Development using Fault Bypass Modeling, Computer Science & Engineering, M. S. Thesis, Chalmers, University of Gothenburg, Gothenburg, Sweden, 2013.
R. Rana, Increasing Efficiency of ISO 26262 Verification and Validation by Combining Fault Injection and Mutation Testing with Model Based Development, Computer Science & Engineering, M. S. Thesis, Chalmers, University of Gothenburg, Gothenburg, Sweden, 2013.
Z. Hong, Integrated Analysis of Software FMEA and FTA, International Conference on Information Technology and Computer Science, Beighang Universty, Beijing, 2009.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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