[논문 리뷰] Making Agile Development Processes fit for V-style Certification Procedures

Sergio Bezzecchi, Paolo Crisafulli외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 16.

Advanced Software Engineering Methodologies참고 문헌 7인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 안전 및 보안 중심의 운송 시스템에 대한 V-스타일 인증을 가능하게 하기 위해 형식적 방법과 통합된 새로운 민첩한 개발 프로세스를 제안한다. Isabelle/HOL과 연속적 검증 및 인증 환경(CVCE)을 활용하여, 요구사항, 설계, 코드 간의 종단 간 추적성과 형식적 일관성을 보장하며, 빠른 기계 검증 가능 영향 분석을 지원한다. 이는 seL4 기반 철도 응용 분야의 형식적으로 검증된 오도메트릭 서브시스템을 통해 실증되었다.

ABSTRACT

We present a process for the development of safety and security critical components in transportation systems targeting a high-level certification (CENELEC 50126/50128, DO 178, CC ISO/IEC 15408). The process adheres to the objectives of an "agile development" in terms of evolutionary flexibility and continuous improvement. Yet, it enforces the overall coherence of the development artifacts (ranging from proofs over tests to code) by a particular environment (CVCE). In particular, the validation process is built around a formal development based on the interactive theorem proving system Isabelle/HOL, by linking the business logic of the application to the operating system model, down to code and concrete hardware models thanks to a series of refinement proofs. We apply both the process and its support in CVCE to a case-study that comprises a model of an odometric service in a railway-system with its corresponding implementation integrated in seL4 (a secure kernel for which a comprehensive Isabelle development exists). Novel techniques implemented in Isabelle enforce the coherence of semi-formal and formal definitions within specific certification processes in order to improve their cost-effectiveness . This paper has been published at ERTS2018.

연구 동기 및 목표

• CENELEC, DO 178C, CC ISO/IEC 15408 등의 V-스타일 인증 프로세스(예: CENELEC, DO 178C, CC ISO/IEC 15408)에서 요구하는 철저한 문서화 및 추적성 요구사항과 민첩한 개발 원칙을 조화시키기 위해.
• 도구 지원 및 기계 검증 가능한 개발 자료 간 일관성으로 인해 형식적 인증의 시간과 비용을 줄여 '인증 위기'를 해결하기 위해.
• 요구사항과 설계에 대한 매일, 분산된 수정을 가능하게 하면서도, 형식적 증명과 자동 영향 분석을 통해 전체 추적성과 일관성을 유지하기 위해.

제안 방법

• Isabelle/HOL 기반의 연속적 검증 및 인증 환경(CVCE)을 활용하여 요구사항부터 코드에 이르기까지 모든 개발 자료를 통합하고 검증하기 위해.
• 상호 작용 증명 기법을 사용하여 비즈니스 로직을 운영 체제 모델 및 저수준 코드에 형식적으로 연결함으로써, 정밀도 사슬을 통한 정확성 보장을 위해.
• 문학적 사양 및 형식적 정의를 적용하여 반형식적 표현과 형식적 표현 간의 간극을 메우며, 명확성과 일관성을 향상시키기 위해.
• Isabelle/AutoCorres를 통한 C-to-HOL 컴파일러를 구현하여 수작업으로 작성된 C 코드가 형식적 사양에 정확히 구현되었는지 검증하기 위해.
• 고수준 요구사항에서 실행 가능한 코드까지 종단 간 검증을 수행하며, seL4 마이크로커널 기반으로 오도메트릭 계산의 정확성에 대한 증명을 제공하기 위해.
• 개발 과정에서 신속한 피드백과 영향 분석을 지원하기 위해 자동 및 상호 작용 증명 기법을 통합하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 민첩한 개발 원칙은 어떻게 V-스타일 인증 프로세스의 형식적이고 추적성 중심의 요구사항과 효과적으로 융합될 수 있는가?
• RQ2 안전 중심 시스템에서 요구사항, 설계, 구현 간 지속적이고 기계 검증 가능한 일관성을 확보하기 위한 기술적 인프라는 무엇인가?
• RQ3 형식적 방법은 산업 현장에서 재작업과 인증 비용을 얼마나 줄일 수 있으며, 민첩성은 손상되지 않도록 할 수 있는가?
• RQ4 실제 시스템, 예를 들어 철도 오도메트릭 서브시스템과 같은 복잡한 시스템에 대해 형식적 검증은 어떻게 확장 가능하며 실용성은 유지될 수 있는가?
• RQ5 통합된 형식적 환경은 개발 과정에서 빠른 영향 분석과 변경 관리에 있어 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 제안된 CVCE 기반 프로세스는 요구사항과 설계에 대한 매일, 분산된 수정을 기계 검증 가능한 일관성과 함께 가능하게 하여 재작업과 인증 지연을 크게 감소시켰다.
• Isabelle/HOL에서의 형식적 증명을 통해 오도메트릭 서브시스템의 요구사항이 seL4 기반 C 구현으로 정확히 연결되었으며, 정의된 조건 하에서 유한 정밀도 산술이 이상화된 유리수 계산을 잘 근사함을 보장하였다.
• 문학적 사양 및 형식적 정의의 사용으로 반형식적 및 형식적 콘텐츠의 원활한 통합이 가능해졌으며, 인증 자료의 명확성 향상과 모호성 감소에 기여하였다.
• C-to-HOL 컴파일 및 검증 파이프라인을 통해 수작업 C 코드가 형식적 odostep 기능을 정확히 구현하고 있음을 확인하였으며, 증명을 통해 근사 보장 조건이 확립되었다.
• 철도 오도메트릭 사례 연구를 통해 형식적 방법이 핵심 컴포넌트에 집중할 경우 산업 현장에서 비용 효율적으로 활용될 수 있음을 입증하였다.
• Isabelle/HOL과 CVCE의 통합을 통해 종단 간 추적성과 재현 가능성이 확보되었으며, 주요 인증 요구사항을 충족시키면서도 민첩한 개발 관행을 지원하였다.