Валерий Аджиев - Мифы о безопасном ПО: уроки знаменитых катастроф

* ошибка «Operand Error» произошла из-за неожиданно большой величины BH (Horizontal Bias горизонтальный наклон), посчитанной внутренней функцией на основании величины «горизонтальной скорости», измеренной находящимися на Платформе датчиками. Величина BH служила индикатором точности позиционирования Платформы;

* величина BH оказалась много больше, чем ожидалось потому, что траектория полета Ariane 5 на ранней стадии существенно отличалась от траектории полета Ariane 4 (где этот программный модуль использовался ранее), что и привело к значительно более высокой «горизонтальной скорости».

Финальным же действием, имевшим фатальные последствия, стало прекращение работы процессора; соответственно, вся авигационная Система перестала функционировать. Возобновить же ее действия оказалось технически невозможно.

Осталось добавить, что всю эту цепь событий удалось полностью воспроизвести с помощью компьютерного моделирования, что вкупе с материалами других исследований и экспериментов позволило заключить; причины и обстоятельства катастрофы полностью выявлены.

Прежде всего проследим, откуда взялось первоначальное требование на продолжение выполнения операции регулировки после взлета ракеты.

Оказывается, оно было заложено более чем за 10 лет до рокового события, когда проектировались еще ранние модели серии Ariane. При некотором (весьма маловероятном!) развитии событий взлет мог быть отменен буквально за несколько секунд до старта, например в промежутке H0-9 сек., когда на IRS запускался «полетный режим», и H0-5 сек., когда выдавалась команда на выполнение некоторых операций с ракетным оборудованием. В случае неожиданной отмены взлета необходимо было быстро вернуться в режим «обратного отсчета» (countdown) и при этом не повторять сначала все установочные операции, в том числе приведение к исходному положения Инерциальной Платформы (операция, требующая 45 мин. время, за которое можно потерять «окно запуска»).

Было обосновано, что в случае события отмены старта период в 50 сек. после H0-9 будет достаточным для того, чтобы наземное оборудование смогло восстановить полный контроль за Инерциальной Платформой без потери информации за это время Платформа прекратит начавшееся было перемещение, а соответствующий программный модуль всю информацию о ее состоянии зафиксирует, что поможет оперативно возвратить ее в исходное положение (напомним, что все это в случае, когда ракета продолжает находиться на месте старта). И действительно, однажды, в 1989 г., при старте под номером 33 ракеты Ariane 4, эта особенность была с успехом задействована.

Однако, Ariane 5, в отличие от предыдущей модели, имел уже принципиально другую дисциплину выполнения предполетных действий настолько другую, что работа рокового программного модуля после времени старта вообще не имела смысла. Однако, модуль повторно использовался без каких-либо модификаций видимо из-за нежелания изменять программный код, который успешно работает.

В конце концов, было бы странно, если бы тривиальная ошибка переполнения (даже если она и возникла) была бы столь фатальной, что с ней невозможно бороться. Почему же программный код (написанный на таком оснащенном всеми необходимыми для обеспечения надежности средствами языке, как Ада) оказался незащищеным до такой степени, что наступили столь катастрофические последствия?

Расследование показало, что в данном программном модуле присутствовало целых семь переменных, вовлеченных в операции преобразования типов. Оказалось, что разработчики проводили анализ всех операций, способных потенциально генерировать исключение, на уязвимость. И это было их вполне сознательным решением добавить надлежащую защиту к четырем переменным, а три включая BH, оставить незащищенными. Основанием для такого решения была уверенность в том, что для этих трех переменных возникновение ситуации переполнения невозможно в принципе. Уверенность эта была подкреплена расчетами, показывающими, что ожидаемый диапазон физических полетных параметров, на основании которых определяются величины упомянутых переменных, таков, что к нежелательной ситуации привести не может. И это было верно но для траектории, рассчитанной для модели Ariane 4. А ракета нового поколения Ariane 5 стартовала по совсем другой траектории, для которой никаких оценок не выполнялось. Между тем она (вкупе с высоким начальным ускорением) была такова, что «горизонтальная скорость» превзошла расчетную (для Ariane 4) более чем в пять раз.

Но почему же не была (пусть в порядке перестраховки) обеспечена защита для всех семи, включая BH, переменных? Оказывается, для компьютера IRS была продекларирована максимальная величина рабочей нагрузки в 80 %, и поэтому разработчики должны были искать пути снижения излишних вычислительных издержек. Вот они и ослабили защиту там, где теоретически нежелательной ситуации возникнуть не могло. Когда же она возникла, то вступил в действие такой механизм обработки исключительной ситуации, который оказался совершенно неадекватным.

Этот механизм предусматривал следующие три основных действия. Прежде всего, информация о возникновении нештатной ситуации должна быть передана по шине на бортовой компьютер OBC; параллельно она вместе со всем контекстом записывалась в перепрограммируемую память EEPROM (которую во время расследования удалось восстановить и прочесть ее содержимое), и наконец, работа процессора IRS должна была аварийно завершиться. Последнее действие и оказалось фатальным именно оно, случившееся в ситуации, которая на самом деле была нормальной (несмотря на сгенерированное из-за незащищенного переполнения программное исключение), и привело к катастрофе.

Произошедшая с Ariane 5 катастрофа имела исключительно большой резонанс и по причине беспрецедентных материальных потерь, и вследствие очень оперативного расследования, характеризовавшегося к тому же открытостью результатов (впервые такая практика публичности была опробована при расследовании причин аварии космического корабля Challenger 1986 г.). Сразу стало очевидным, что данному событию суждено войти в историю не только космонавтики, но и программной инженерии. Поэтому неудивительно, что авария послужила поводом для оживленной дискуссии, в которой приняли участие многие известные специалисты.

Ж.-М. Жезекель (J.-M. Jezequel) и Б. Мейер (B.Meyer)[3] пришли к совершенно однозначному выводу: допущенная (и так и не выявленная) программная ошибка носит, по их мнению, чисто технический характер и коренится в некорректной практике повторного использования ПО. Более точная формулировка: роковую роль сыграло отсутствие точной спецификации повторно-используемого модуля.

Расследование показало, что обнаружить требование, устанавливающее максимальную величину BH (вмещающуюся в 16 битов), можно было с большим трудом: оно затерялось в приложениях к основному спецификационному документу. Мало того, в самом коде на этот счет не было никаких комментариев, не говоря уже о ссылке на документ с обоснованием этого требования.

В качестве панацеи в такого рода ситуациях авторы предложили задействовать принцип «Контрактного Проектирования» (что и неудивительно, ибо его разработчиком как раз и является Мейер[4]). Именно «контракт» в духе языка Eiffel, явным образом (с помощью пред- и пост-условий) устанавливающий для любого программного компонента ограничения на входные и выходные параметры, и мог бы предотратить катастрофическое развитие событий. Был приведен и набросок такого контракта:

convert (horizontal_bias: INTEGER): INTEGER is

     require

          horizontal_bias <= Maximum_bias

               do

               …

          ensure

     …

end

Соответственно, ошибка могла быть выявлена уже на этапе тестирования и отладки (когда проверка логических утверждений включается по специальной опции компилятора); если же пред- и пост-условия проверялись бы и во время полета, то сгенерированное исключение могло быть надлежащим образом обработано (правда, авторы оговариваются, что использование такого режима могло бы нарушить ограничения, связанные с вычислительной нагрузкой).

Однако, самым важным достоинством использования контрактных механизмов является, по мнению авторов, явное присутствие легко понимаемых и при необходимости верифицируемых ограничений как в документации, так и в коде.

При работе над сложными проектами типа Ariane именно контракты могли бы выступать в качестве опорных ориентиров для групп качества «QA Team», чья задача выполнять систематический мониторинг ПО на предмет соответствия требованиям. Авторы с сожалением заключают, что контрактные механизмы никак не получат должного распространения в современной практике. Более того, положение только усугубляется: например, в Java даже исчезла присутствовавшая в языке Cи скромная по возможностям инструкция «assert». В составной части CORBA языке IDL (Interface Definition Language), предназначенном обеспечить полномасштабное повторное использование компонентов в распределенной среде, отсутствует какой-либо механизм спецификации семантики. То же относится и к ActiveX. Авторы заключают: без полной и точной спецификации, основанной на пред- и пост-условиях и инвариантах, «повторное использование программных компонентов совершенное безрассудство».