[논문]자동차 내장형 시스템을 위한 소프트웨어 신뢰성

고요한; 이경우

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문제 정의

다시 한 번 토요타 급발진 사태에 대해서 살펴보자. 토요타 급발진 사례에서 문제가 되었던 부분 중 하나는 토요타가 자동차 업계에서 지켜야 할 표준을 지키지 않았다는 점이었다.
본 논문에서는 왜 자동차 내장형 시스템의 소프트웨어 신뢰성이 중요한지, 그리고 왜 이러한 신뢰성의 위협 요소가 증가하는지, 이러한 신뢰성의 문제로 발생한 토요타 급발진 사태를 2장에서 다룬다. 또한, 3장에서는 자동차 내장형 시스템의 신뢰성을 높이기 위한 기존 연구를 기술한다.
본 장에서는 자동차 내장형 시스템 소프트웨어의 신뢰성이 문제가 된 것을 실제 사례를 통해서 알아보자. 2009년부터 2010년까지 세계에서 가장 안전한 자동차중 하나로 손꼽히는 토요타 프리우스에서 급발진 사고가 보고되었다.
또한, 자동차 장치의 특성상 전원을 쉽사리 켜고 끌 수 없다는 점도 신뢰성과 연관이 깊다. 스마트폰과 같은 보통의 치명적이지 않은 내장형 시스템에 대해서 생각해보자. 이러한 경우 에러가 발생한다고 해도 재부팅 등을 통해서 에러를 제거할 수 있는 경우가 많다.
또한, 가장 안전한 자동차로 인식되었던 토요타 프리우스 급발진 사태는 소프트웨어로 인한 급발진 사태로 밝혀져 이러한 자동차의 소프트웨어가 가지는 의미가 점점 더 중요해지고 있다. 이러한 자동차 내장형 시스템 소프트웨어의 신뢰성을 향상시키기 위하여 대표적인 치명적 내장형 시스템인 브레이크 전자화 기술의 신뢰성 분석 및 향상 방법을 서술하였다. 또한, 이러한 컴포넌트 하나하나의 접근뿐만 아니라 시스템 전체의 신뢰성을 확보하기 위한 표준화 제정 노력도 필요하다.
이러한 자동차 내장형 시스템의 소프트웨어 신뢰성의 문제를 수치적으로 고려해보자^[8]. 2013년 국도교통부 통계에 따르면 한국에 총 1,940만대에 달하는 자동차가 등록되어 있다.

가설 설정

2013년 국도교통부 통계에 따르면 한국에 총 1,940만대에 달하는 자동차가 등록되어 있다. 편의를 위해 모든 차량은 단 1개의 내장형 프로세서를 사용하여 ABS를 구현했다고 가정하자. 또한, 이러한 ABS는 에러가 거의 발생하지 않아 1,000년에 한 번 꼴로 에러를 발생시키는 장치라고 한다면 어떨까? 일견 생각하기에 1,000년에 한번 에러를 발생시키는 시스템은 굉장히 안정적으로 느껴진다.

제안 방법

먼저, 자동차 내의 시스템에 있어서의 에러의 영향을 조사하기 위해 CPU 레지스터와 메인 메모리에 에러를 삽입시켰다^[3]. 그 결과 47%에 이르는 에러의 경우 아무런 오동작 없이 시스템이 정상적으로 동작하였고, 23%에 이르는 에러의 경우 현재의 하드웨어 구조상으로도 검출이 가능하였다.
초기 자동차 내장형 시스템의 소프트웨어가 가지는 숙제는 성능이었다. 즉, 어떻게 자동차 기계 장치를 제어할지, 혹은 효율적인 주행을 도와주기 위한 소프트웨어의 기여 등을 고려하였다. 그리고 이러한 내장형 시스템의 소프트웨어는 기술이 발달함에 따라 자동차 한 대가 하나의 컴퓨터 혹은 그 이상의 컴퓨터와 맞먹을 정도의 놀라운 컴퓨팅 속도를 가지는 등 새로운 기술의 시대가 열리고 있다^[5].
해당 논문에서는 치명적 영향이 발생하였을 때 어떤 부분에 에러가 삽입되었는지를 추적하는 비교적 단순한 방법을 사용하였다. 그 결과 ABS 제어기구의 적분기(integrator) 부분이나, 스택 포인터에 에러가 삽입될 경우 브레이크나 핸들에 영향을 주는 것을 찾을 수 있었다.

대상 데이터

본 사태가 심각해지자 미국 항공우주국(NASA: national aeronautics and space administration), 고속도로교통안전국(NHTSA: national highway traffic safety administration)에서는 10개월에 걸친 리콜 차량 검사를 실시하였다[19].

이론/모형

적분기의 에러를 줄이기 위해서는 비율의 한계를 확인하는 방식(rate limit check)를 사용하였다. 적분기란 어떠한 변수의 값을 입력값으로 받아 적분값을 출력해주는 연산 회로로, ABS에서는 브레이크 요청과 바퀴의 미끄러짐을 입력받아 ABS의 동작 여부 등을 출력한다.

성능/효과

. 그 결과 47%에 이르는 에러의 경우 아무런 오동작 없이 시스템이 정상적으로 동작하였고, 23%에 이르는 에러의 경우 현재의 하드웨어 구조상으로도 검출이 가능하였다. 또한, 나머지 30% 중에서도 26%에 이르는 에러는 큰 영향을 끼치지 않았고, 4%의 에러만 브레이크가 동작하지 않거나, 핸들이 잠기는 등 브레이크 전자화 기술에 심각한 영향을 끼쳤다.
해당 논문에서는 치명적 영향이 발생하였을 때 어떤 부분에 에러가 삽입되었는지를 추적하는 비교적 단순한 방법을 사용하였다. 그 결과 ABS 제어기구의 적분기(integrator) 부분이나, 스택 포인터에 에러가 삽입될 경우 브레이크나 핸들에 영향을 주는 것을 찾을 수 있었다. 바꿔 말하면, 위의 4%의 확률을 줄이기 위해서 필요한 것은 하드웨어 전체를 전체 시간 동안 보호하는 것이 아니라 적분기 부분과 스택 포인터를 보호하는 것이 효율적이다.
NASA의 보고서에 따르면 스택 오버플로우의 현상이 발생 될 가능성이 없는 것은 아니나 현재 프로그램에서는 절반 정도 스택이 사용되고 있으므로 이를 급발진의 원인이라고 말할 수 없다고 결론지었다. 그러나 추가 조사 결과 재귀 함수, 라이브러리 함수의 스택 사용량의 잘못된 추정, 운영체제의 문맥 전환을 고려하지 않은 점 등의 문제가 드러났다. 즉, 실시간으로 스택을 감시하는 체계에서 허점을 보였으며, 메모리의 잘못된 값이 저장되게 하고, 이로 인해 스로틀의 오동작을 야기하였다.
이는 재귀 호출이 간결한 모습을 취하는 강점을 지니나, 스택의 사용 허용량을 초과할 수 있는 잠재적인 문제점을 가지고 있기 때문이다. 그러나 토요타의 프로그래밍 코드에서는 재귀 호출이 쓰이는 등 MISRA-C 위반 사항이 8만 건 이상 발견되었을 뿐만 아니라 100개가 넘는 규칙 중 겨우 11개의 규칙만을 준수하고 있었다는 것이 추가적으로 발견되었다.

후속연구

그러나 스티어링 전자화(steering-by-wire) 혹은 브레이크 전자화 기술의 경우는 어떨까? 즉, 의도치 않은 스티어링이 발생하거나 의도한 경우에 브레이크가 동작하지 않는다면 어떨까? 그뿐만 아니라 향후 전자화 기술은 안전과 관련한 위급 상황 회피 기술 등이 적용될 예정이다. 회피 기술은 자동차의 각종 센서를 이용하여 자동차의 상태를 체크한 후 긴급 정지를 하는 방식으로 구현이 예상된다.
즉, 차량용 소프트웨어의 경우 신뢰성 문제가 발생하고, 그 발견이 늦는다면 큰 경제적 피해를 일으킬 수 있다. 또한, 대부분의 프로그래밍에서 에러의 발생은 코딩 단계와 같은 초기 단계에서 발생하므로^[11], 신뢰할 수 있는 시스템이 구축되어 있다면 사후 처리에 드는 고비용을 최소화할 수 있을 것이다.
한국은 대표적인 자동차 생산국이자 수출국이지만, 그러한 세계적인 위상에 비해서는 자동차 내장형 시스템 소프트웨어의 발전 단계는 아직 완전한 고도에 이르지는 모못한 상태이다. 이러한 내장형 시스템 자체 기술의 고도화를 위해서 선행되어야 할 조건은 신뢰성임을 깨닫고, 하루 빨리 소프트웨어의 신뢰성 향상을 위한 연구에 박차를 가해야 할 것이다. 그렇게 된다면 한국의 자동차 산업은 고신뢰 컴퓨팅으로 대표될 수 있는 새로운 마케팅 전략을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 그를 토대로 새로운 시장을 개척할 수 있으리라 사료된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

자동차 시스템에서 소프트웨어의 신뢰성이 중요한 문제로 대두된 이유는?

그러나 자동차 내장형 시스템의 소프트웨어는 이러한 장밋빛 미래만을 그리지는 않는다. 모든 소프트웨어는 버그를 가지기 마련인데, 자동차에서는 이러한 에러가 단순한 버그 정도가 아닌 사람의 목숨과 관련되었기 때문이다. 이에 따라 소프트웨어의 신뢰성이 중요한 문제로 대두되기 시 작하였다.

현대의 자동차 무엇으로 제어되는가?

여전히 자동차에서는 기계공학의 설계 등 이 큰 비중을 차지하는 것은 사실이지만, 동시에 적지 않은 부분의 자동차의 문제가 소프트웨어로 넘어오게 되었다[5]. 현대의 자동차는 기계적인 메커니즘에 의해 제어되던 많은 부분이 이제는 엔진뿐만 아니라 변속기, 에어백, 공기압 조절 등 많은 부분이 전자 제어 장치(electronic control unit)을 통해서 제어되고 있다. 뿐만 아니라 자동차가 제2의 집처럼 받아들여짐에 따라 인포테인먼트(infotainment) 소프트웨어 역시 날로 증가하고 있다.

복잡한 전자 제어 장치간을 연결하는 네트워크는 무엇이 있는가?

즉, 자동차 내장형 시스템의 소프트웨어는 멀티코어와 같은 새로운 환경을 고려해야 하는 정도로 점점 더 복잡해지고 있고, 게다가 다양한 기능을 수행해야 하면서 점점 더 규모조차 거대해지고 있다. 또한, 이러한 복잡한 전자 제어 장치간을 연결하는 CAN(controller area network), LIN(local interconnect network), MOST(media oriented systems transport), FlexRay, Ethernet과 같은 네트워크 역시 아직 안정적인 모습을 보여 준다고 단정하기 어렵다[6].

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