基于需求建模的軟件安全性分析方法研究

田曾昊

（航空工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

基于需求建模的軟件安全性分析方法研究

田曾昊

（航空工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

為了提高軟件安全性及可靠性，將需求建模引入針對軟件需求的安全性分析過程，利用系統(tǒng)危險源、典型運行場景、外部輸入輸出接口等建模方法從系統(tǒng)需求分配、動態(tài)交互、接口故障處理等開展多角度分析，從而提高軟件質(zhì)量，并為后續(xù)軟件需求分析以及安全性分析工作中提供可復用數(shù)據(jù)資產(chǎn)。

需求建模；軟件安全性；軟件失效模式

軟件安全性分析屬于軟件確認（Validation）技術(shù)，與軟件測試所屬的驗證（Verification）技術(shù)共同構(gòu)成軟件確認與驗證（V&V）工作閉環(huán)。分析與識別軟件需求中存在的安全性缺陷，制定相應的控制措施，并落實為軟件安全性需求，從而有效的消除和控制軟件安全性失效導致的系統(tǒng)危險。

在軟件開發(fā)過程中，由于技術(shù)難度高，軟件需求復雜，開發(fā)周期短等困難，軟件中存在安全性缺陷的幾率是很大的?，F(xiàn)代化的軟件本身變得越來越復雜，開發(fā)一個軟件產(chǎn)品或一個大型系統(tǒng)所需要依靠的技術(shù)也越來越多樣化，如果不能在軟件生命周期早期發(fā)現(xiàn)軟件缺陷，將可能造成嚴重的后果。特別是對于航空航天、金融、交通等關乎人身財產(chǎn)安全的領域，在軟件生命周期早期發(fā)現(xiàn)并定位軟件缺陷對于減少不必要的人力財力成本和改善軟件質(zhì)量至關重要。在軟件需求分析階段進行軟件安全性分析并結(jié)合歷史分析數(shù)據(jù)可以有效的減少軟件開發(fā)成本，提高軟件研制質(zhì)量。

需求建模是一種軟件安全性分析方法，通過模型驅(qū)動從多角度分析軟件安全性缺陷，形成可復用的軟件失效數(shù)據(jù)庫，有效的防止或控制軟件缺陷的發(fā)生，為軟件后續(xù)的研制提供質(zhì)量保證。

1 軟件安全性分析方法概述

1.1 系統(tǒng)危險分析與控制

● 系統(tǒng)需求建模：依據(jù)系統(tǒng)需求或設計文檔，分析系統(tǒng)需求，了解軟件所實現(xiàn)的系統(tǒng)功能、與外部設備或軟件的交聯(lián)關系、外部危險源信息等，從而建立外部輸入輸出接口交聯(lián)環(huán)境模型、外部危險源列表，有效開展系統(tǒng)危險分析；

● 系統(tǒng)危險分析：在系統(tǒng)需求模型基礎上，結(jié)合系統(tǒng)背景知識、系統(tǒng)所處環(huán)境信息、外部交聯(lián)信息等，以初步危險分析（PHA），功能危險分析（FHA）[1～2]等技術(shù)為分析手段，分析潛在的系統(tǒng)危險、原因及影響；

● 系統(tǒng)危險控制：針對識別的系統(tǒng)危險及發(fā)生原因，從軟件層面上給出控制措施，同時將控制措施落實為系統(tǒng)向軟件分配的安全性需求。

1.2 軟件失效分析與控制

● 軟件需求建模： 依據(jù)軟件研制任務書、軟件需求規(guī)格說明等文檔，明確軟件功能層次關系、功能動態(tài)執(zhí)行過程以及功能邏輯關系，從而建立功能執(zhí)行過程模型、功能邏輯模型等，以輔助規(guī)范且有效的開展軟件失效模式分析；

● 軟件失效模式識別與影響分析：依據(jù)軟件需求模型，以軟件失效模式及影響分析（SFMEA）等技術(shù)手段，分析軟件需求中存在的各種失效模式，并明確失效模式對系統(tǒng)的影響；

● 失效模式原因及控制措施：針對軟件需求中存在的各種失效模式，分析其發(fā)生原因，即軟件需求中存在的各類缺陷，并依據(jù)失效原因提出相應的控制措施，同時將控制措施落實為軟件安全性需求。

2 模型建立

2.1 系統(tǒng)危險分析模型

系統(tǒng)危險分析核心思想是從系統(tǒng)層面開展分析，即依據(jù)軟件所在系統(tǒng)的外部交聯(lián)設備、外部接口、危險源等信息，分析可能存在的系統(tǒng)危險及其原因和影響。結(jié)合軟件特點，可以從表1所示幾個方面考慮并建立需要的系統(tǒng)危險分析模型。系統(tǒng)危險分析模型見表1。

表1 系統(tǒng)危險分析模型

2.2 軟件失效模式分析模型

軟件失效模式分析核心思想是從軟件層面開展分析，即依據(jù)軟件需求中的功能、性能等需求項，分析可能存在的軟件失效模式及其原因和影響。結(jié)合軟件特點，可以從表2所示幾個方面考慮并建立需要的軟件失效模式分析模型。軟件失效模式分析模型見表2。

表2 軟件失效模式分析模型

2.3 系統(tǒng)危險分析與軟件失效模式分析關系

系統(tǒng)危險分析模型及軟件失效模式分析模型在分析內(nèi)容上彼此獨立，但分析過程間是相互影響、相互映射的關系。系統(tǒng)危險分析將所識別的系統(tǒng)危險映射至軟件需求層面，借助于軟件失效分析，確定系統(tǒng)危險的可能軟件原因和失效模式；而軟件失效分析則將所識別的失效模式映射至系統(tǒng)層面，借助于系統(tǒng)危險分析，確定軟件失效模式所可能導致的系統(tǒng)危險。因此，二者共同構(gòu)成了“系統(tǒng)—軟件，軟件—系統(tǒng)”的雙向閉環(huán)分析策略，具體關系如圖1所示。

系統(tǒng)危險分析模型與軟件失效模式分析模型不僅限于上述幾種類型，軟件安全性分析人員可根據(jù)軟件特點增加或刪減分析模型。每種模型對于各類的軟件，分析效果也不相同，分析人員需熟練運用分析模型才能取得更好的分析效果。

3 分析方法

下面將對軟件安全性分析過程中幾種通用的系統(tǒng)危險建模分析及軟件失效模式建模分析方法進行簡要說明。

3.1 外部輸入輸出接口分析

3.1.1 輸入模型或信息

建立“外部輸入輸出接口”模型，應明確如下信息：

● 接口類型（離散量、模擬量、總線數(shù)據(jù)等）；

● 接口值域（正常值域、異常值域）；

● 外部設備（輸入源、輸出目的）；

● 通訊方式（周期型、任務型）；

● 相關功能；

● 接口關系（組合、約束等）；

● 初始值、安全值；

● 已有接口故障診斷和處理策略。

建立“功能層次關系”模型，應明確如下信息：

● 軟件功能點；

● 相關接口；

● 功能點從屬關系。

3.1.2 分析內(nèi)容與方法

外部輸入輸出接口分析內(nèi)容和方法見表3。

3.2 系統(tǒng)危險源分析

3.2.1 輸入模型或信息

明確系統(tǒng)危險源：參考通用危險，結(jié)合軟件特點，確定系統(tǒng)危險源。通用系統(tǒng)危險源見表4。

表4 通用系統(tǒng)危險源

3.2.2 分析內(nèi)容與方法

系統(tǒng)危險源分析內(nèi)容和方法見表5。

表5 系統(tǒng)危險源分析內(nèi)容和方法

3.3 典型運行場景分析

3.3.1 輸入模型或信息

明確系統(tǒng)所在設備的可能運行階段，飛機如起飛、巡航、復飛、下降、滑行等。明確在設備運行階段下，軟件的各種可能運行場景。

3.3.2 分析內(nèi)容與方法

典型運行場景分析內(nèi)容和方法見表6。

表6 典型運行場景分析內(nèi)容和方法

3.4 工作模式遷移分析

3.4.1 輸入模型或信息

建立“工作模式遷移模型”，應包含如下信息：

● 明確軟件在運行過程中所可能進入的工作模態(tài)，包括初始化、自檢、維護、控制管理、數(shù)據(jù)處理、下電等；

● 明確各工作模態(tài)的進入條件、退出條件、相關約束等信息；

● 明確可以相互遷移的工作模態(tài)之間的遷移關系，包括時序遷移、條件遷移、約束遷移等信息；

● 明確不能相互遷移的工作模態(tài)；

● 明確工作模態(tài)之間的邏輯關系，包括互斥關系、組合關系等。

3.4.2 分析內(nèi)容與方法

工作模式遷移分析內(nèi)容和方法見表7。

3.5 功能控制過程分析

3.5.1 輸入模型或信息

建立“功能控制過程模型”，應包含如下信息：

● 明確工作模態(tài)下所有功能點的執(zhí)行操作信息；

● 明確功能控制過程中的條件遷移、時序遷移、約束遷移、順序遷移等控制邏輯；

● 明確各執(zhí)行操作之間的邏輯關系，包括組合關系、約束關系等；

● 明確功能控制過程中的數(shù)據(jù)流向信息。

3.5.2 分析內(nèi)容與方法

功能控制過程分析內(nèi)容和方法見表8。

3.6 功能交互關系分析

3.6.1 輸入模型或信息

建立“功能控制過程”模型。

3.6.2 分析內(nèi)容與方法

功能交互關系分析內(nèi)容和方法見表9。

4 數(shù)據(jù)定義

對分析記錄數(shù)據(jù)進行整理與合并，形成軟件安全性問題單，并在此基礎上形成軟件通用系統(tǒng)危險數(shù)據(jù)庫和通用失效模式數(shù)據(jù)庫，見表10。

其中：

● 問題編號：軟件安全性問題的唯一標識；

● 分析對象：功能點或需求點；

● 問題原因：描述軟件安全性問題的觸發(fā)條件與需求層面原因；

● 安全性問題：描述在滿足“問題原因”的前提下，軟件運行時所可能產(chǎn)生的失效模式；

● 問題影響：描述軟件安全性問題產(chǎn)生后，在系統(tǒng)層面所可能導致的后果；

● 系統(tǒng)危險：描述軟件安全性問題所可能導致的系統(tǒng)進入的危險狀態(tài)；

表8 功能控制過程分析內(nèi)容和方法

表9 功能交互關系分析內(nèi)容和方法

表10 軟件安全性問題單格式

● 控制措施：描述為避免由于軟件安全性問題而導致系統(tǒng)進入危險狀態(tài)，所提出的安全性要求。

● 重要度[4]：軟件安全性問題重要度等級見表11；

表11 軟件安全性問題重要度等級

表12 軟件安全性問題類型

表13 軟件安全性問題解決方案

5 總結(jié)

本文基于需求建模研究了一套軟件安全性分析方法。需求建?？蓪④浖δ?、狀態(tài)遷移、輸入輸出等要素進行可視化轉(zhuǎn)換，使軟件安全性分析更易于開展。同時，使用需求建模的方法可以保證軟件安全性分析的充分性，分析效果得到提升。

然而，為了發(fā)揮系統(tǒng)危險數(shù)據(jù)和失效模式數(shù)據(jù)的作用，還需要在如下幾個方面進行考慮：

建立系統(tǒng)危險數(shù)據(jù)及失效模式數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。在本文中僅給出了軟件安全性分析過程中產(chǎn)生的系統(tǒng)危險數(shù)據(jù)和失效模式數(shù)據(jù)格式。在數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中，還需對系統(tǒng)危險及失效模式數(shù)據(jù)進行提取[5]、存儲，以為后續(xù)的使用打下基礎。

對系統(tǒng)危險數(shù)據(jù)及失效模式數(shù)據(jù)進行挖掘并應用。在進行相關軟件模塊開發(fā)的需求階段，應充分參考系統(tǒng)危險數(shù)據(jù)及失效模式數(shù)據(jù)，確保類似問題不再出現(xiàn)或得到有效控制，減少軟件缺陷，提高軟件質(zhì)量。

[1] 劉建軍，孫有朝. 功能危險分析在大型復雜系統(tǒng)中的應用[J]. 民用飛機設計與研究，2004（1）：35～40.

[2] 孫春林，劉東宇. 功能危險分析在飛機剎車系統(tǒng)中的應用研究[J]. 機械設計與制造，2011（2）：89～91.

[3] 周育才. 功能樹與FMEA的高效運用[J]. 質(zhì)量與可靠性，2005（1）：16～18.

[4] GJB/Z 102A-2012. 軍用軟件安全性設計指南[S].

[5] 王丙磊. 系統(tǒng)級軟件FMEA方法及輔助分析工具的研究[D]. 國防科學技術(shù)大學，2009.

T-65 [文獻標識碼] C [文章編號] 1003-6660（2017）04-0038-05

10.13237/j.cnki.asq.2017.04.010

[收修訂稿日期] 2017-05-03

（編輯：雨晴）