Noch nie war eine so hohe Zahl von vernetzten Geräten verfügbar. Das Internet zählt bereits zu den größten und komplexesten, jemals von Menschen gebauten Systemen. Intelligente Geräte sind spätestens mit den Smartphones Teil unseres Lebens und übernehmen immer mehr die Steuerung und Optimierung von Prozessen.
Die neuen Möglichkeiten bringen jedoch auch neue Herausforderungen mit sich. Das Testen beschäftigt sich als eine wichtige Disziplin des Systems Engineering mit der Sicherstellung der nötigen Qualität von IoT-Produkten.
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Es geht um die Vernetzung
Im Internet der Dinge (IoT) liefern Sensoren vielfältige Informationen und fördern smarte Entscheidungen. Es erlaubt Menschen und Geräten von überall und zu jeder Zeit auf alle angeschlossene Produkte zuzugreifen und Informationen miteinander zu vernetzen. Schlaue und vernetzte Alltagsgegenstände können untereinander über das Internet zu jeder Zeit und an jedem Ort miteinander kommunizieren.
Dabei können das kleine Chips in Sensoren sein oder auch große Maschinen oder Anlagen. Ein wichtiger Aspekt ist die Interoperabilität der Schnittstelle und Güte des dabei angebotenen oder genutzten Dienstes. Eine große Schwierigkeit ist, dass aktuell nur sehr wenig branchenübergreifende Standards existieren. Meist wird auf bestehende low-level Standards, wie HTTP, Message Queue Telemetry Transport (MQTT), Constrained Application Protocol (CoAP) oder Extensible Messaging and Presence Protocol (XMPP) zurückgegriffen. Als Basis-Protokolle kommen Bluetooth Low-Energy (BLE), NFC (Near Field Communication), ZigBee oder WiFi zum Einsatz.
Um den Protokoll-Overhead zu reduzieren, scheiden typische Internet-Protokolle wie HTTP/S aus und es wird öfters auf UDP und IP direkt gesetzt. Protokolle wie TCP/IP oder selbst HTTP, haben inzwischen mehrere Jahrzehnte auf den Buckel und wurden für ganz andere Nutzungsszenarien entwickelt und sind eher Server-, als Client-orientiert. Auch eher verbindungsorientiert als nachrichtenorientiert. Mit TLS 1.3 naht ein neuer Verschlüsselungsstandard, der die heutigen Anforderungen an eine sichere Übertragung besser wiedergibt als SSL.
Die Kommunikation ist bei IoT-Geräten meistens asynchron und nicht, wie bei typischen Web-Anwendungen, synchron. Insofern sind Fortschritte bei der effizienten Nutzung der Übertragungskapazitäten durch die Nachfolgerprotokolle, wie HTTP/2 oder TCP Fast Open gerade für IoT-Geräte zu begrüßen
Durch die Heterogenität und sehr unterschiedliche Leistungsfähigkeit der verwendeten Geräte müssen oft mehrere Protokolle unterstützt werden, um auf die unterschiedlichen Anforderungen oder Gegebenheiten reagieren zu können. Oft werden auch Gateways eingesetzt, um zwischen den unterschiedlichen Protokollen und Schnittstellen zu vermitteln.
Da sich in Hardware gegossene Software ganz anders verhält als typische Web-Anwendungen, kann zwar einiges an Wissen und Werkzeugen, das dort erworben wurde, wiederverwendet werden. Anstelle eines Monoliths aus einem Guss, hat man es im neuen Umfeld mit vielen kleinen unabhängigen Diensten und Systemen zu tun. Es gilt, in Bezug auf das Internet der Dinge nicht nur ein verteiltes System im Blick zu haben, sondern mit einer Vielzahl von verteilten und untereinander sehr unterschiedlichen Systemen (Systems-of-systems) zu operieren. Deshalb sollte man sich nicht nur mit geringen, unzuverlässigen und unsicheren Übertragungskapazitäten beschäftigen, sondern auch berücksichtigen, dass die Verarbeitung fehlertolerant und möglichst energieeffizient stattfindet.
Ohne Qualität geht nichts
Neben traditionell schon schwer und recht aufwändig zu testenden Qualitätsmerkmalen nach ISO/IEC 25000, kommen noch IoT -spezifische hinzu. Dazu zählen z.B. die Energieeffizienz, Selbstverwaltung, Langlebigkeit, Aktualisierbarkeit, Diagnostizierbarkeit, Robustheit oder Resilienz. Ebenso ist auch die Einhaltung ethischer Werte sowie die Privatsphäre, informationelle Selbstbestimmung und Sicherheit für den langfristigen Erfolg wichtig. Sicherheit und Datenschutz können hierbei nicht inkrementell geliefert werden. Sie müssen von Anfang an eingehalten werden.
Nicht erst seit dem VW-Abgasskandal ist bekannt, dass Vertrauen ein hohes Gut ist und das Nichteinhalten bestimmter Standards enorme wirtschaftliche und gesellschaftliche Folgen haben kann. Deswegen ist ein Value Sensitive Design (VSD) und dessen Überprüfung durch geeignete Review- und Auditprozesse zur analytischen Qualitätssicherung und Einhaltung der Governance-Prozesse für IoT-Produkte eminent wichtig.
Gerade bei der großen Zahl der vernetzten Geräte ist es kaum möglich, dass alle zur gleichen Zeit auf demselben Softwarestand sein können. Das kann daran liegen, dass einige Geräte gar nicht oder über längere Zeit nicht erreichbar waren oder sind. Der angebotene Dienst muss also über eine längere Zeit auch mit älteren Nutzern umgehen können. Das bedeutet, dass Änderungen an der Schnittstelle abwärtskompatibel sein müssen und neue Funktionalitäten am Dienst nur sehr gezielt vorgenommen und abgestimmt werden.
Das Thema Interoperabilität und Kompatibilität hat beim Internet der Dinge eine große Bedeutung. Oft müssen über eine längere Zeit mehrere Versionen eines Dienstes angeboten werden., Deshalb werden auch organisatorische Maßnahmen benötigt, um den Testaufwand für die Kombination unterschiedlicher Dienstversionen miteinander in machbaren Grenzen zu halten. Die Schnittstellenflut sollte außerdem über geeignete Design-Muster wie Adapter, Wrapper oder Broker reduziert werden.
Standardimplementierungen auf OpenSource-Basis sollten immer Vorrang haben gegenüber Eigenimplementierungen, da nicht nur die Interoperabilität verbessert wird, sondern auch von der Reife der Implementierung profitiert wird. Eine stetig steigende Nutzeranzahl stößt oft auch schneller auf unterschiedliche Fehlersituationen. Gerade bei Open-Source wird eine große Anzahl an Tests mitausgeliefert, die dabei helfen, eigene darauf basierende Tests zu schreiben.
"Kannst Du mich verstehen?"
Es gilt, nicht nur die von der Schnittstelle zur Verfügung gestellte Funktionalität, sondern auch die von ihr angebotene Dienstgüte zu testen. Das allein ist für den Testaufbau ein großer Aufwand und eine Herausforderung, da die Voraussetzungen für das Testen der verschiedenen Qualitätsszenarien erst geschaffen werden müssen. Allein schon wegen der Menge und der Vielzahl der Varianten geht es nicht ohne Testplanung und eine automatisierten Bereitstellung und Automatisierung.
Hier helfen Konzepte wie sie von der DevOps, Cloud und leichtgewichtigen Containern zur Verfügung gestellt werden. Sie stellen schnell, wiederholbar und effizient unterschiedliche Umgebungen in großer Anzahl zur Verfügung. Neben bisher schon verwendeten Praktiken wie Mock-Objekte, Stubs oder Testtreiber, wird es auch simulierte Schnittstellen und eine Virtualisierung der angebotenen Dienste geben.
Die Test-Virtualisierung muss jedoch mit einer repräsentativen Auswahl von physikalischen Geräten im Feldtest regelmäßig ergänzt werden. Hier kann Crowdtesting zum Einsatz kommen, um möglichst realistische Testergebnisse mit Beta-Nutzern zu erhalten. Auch hierzu gibt es bereits Cloud-Plattformen im Bereich mobile Anwendungen, um solche Testarten, inklusive Tester und deren Ergebnisse zu organisieren. Diese müssten jedoch noch für die IoT-Spezifika erweitert werden.
Es wird nicht mehr reichen, nur die Schnittstellenbeschreibung zur Verfügung zu stellen. Die Nutzer müssen ihre Annahmen an die Schnittstelle als Consumer-Oriented-Tests beschreiben und dem Dienst-Producer zur Verfügung stellen, damit dieser die Tests im Rahmen seiner kontinuierlichen Integrationsprozesse verwenden kann. Schon die alten Römer wussten: Pacta sunt servanda. Einmal vereinbarte Verträge sind auch dauerhaft einzuhalten.
Nur so können frühzeitig Fehler durch Änderungen in der internen Implementierung getestet werden oder auch mit den unterschiedlichen Qualitätstest-Szenarien nachgestellt und simuliert werden. Die Diagnostizierbarkeit bei IoT-Umgebungen ist dafür eine wichtige Voraussetzung., Da die Geräte aber von keinem Administrator betreut werden, muss die Möglichkeit bestehen, aussagekräftige Diagnoseinformationen bei Fehlern über einen definierten Zeitraum vorzuhalten und automatisiert, oder auf Anfrage, zur Verfügung stellen zu können.
Sind diese Daten zudem maschinell les- und auswertbar, können sie als hervorragende Testdaten automatisiert zur Fehlerbehebung in der Entwicklung als Testtreiber eingespielt und im Rahmen der Integration für Regressionstests verwendet werden. Diese Diagnoseinformationen sollten deshalb, neben einer eindeutigen Eingliederung der Identifikation, auch fachlichen Testkategorien zugeordnet werden, um sie für später wiederverwendbar zu machen. Hier kann es sich lohnen, diese als Basis zu nehmen und daraus auch für neue Funktionen zeitgemäße Testdaten zu generieren oder per Mutationstest Varianten davon zu erstellen.
Vom Internet der Computer zum Internet der Dinge
Der Grad der Vernetzung nimmt immer mehr zu. Ein Gesamtsystemtest ist in einem realen System mit vertretbarem Aufwand nicht mehr möglich. Deswegen ist man darauf angewiesen, die Dienste und ihre Umgebungen zu simulieren und zu virtualisieren, um möglichst schnell und realistisch die unterschiedlichen Umgebungsbedingungen und Dienstvarianten nachstellen zu können und für die kontinuierlichen Tests zu verwenden.
Dem API-Management kommt eine immer größere Bedeutung zu, weil die erfolgreiche Nutzung der von einer Plattform oder Geräten angebotenen Dienste über den dauerhaften Erfolg von smarten Geräten entscheidet. Hier muss sicher ein Mittelweg zwischen Innovation und Langlebigkeit gesucht werden. Das Internet-der-Dinge bleibt eine große Herausforderung für das Testen, insbesondere, da die damit gebauten Systeme immer kritischer und komplexer werden. Der wirtschaftliche Druck ist groß, aber dieser sollte nicht auf Kosten der Produktqualität und der Nutzer gehen. (mb)