Institute of Information Science - University of Miskolc

A szoftver a számítógépes rendszer működését meghatározó programok, adatok, beállítások és kapcsolódó dokumentáció összessége. A hardver fizikai eszköz, a szoftver pedig azt írja elő, hogy a hardver milyen feladatot és hogyan hajtson végre.

Ugyanaz a hardver különböző szoftverekkel eltérő célokra használható. Egy ipari számítógép például működhet gépvezérlőként, mérési adatgyűjtőként vagy képfeldolgozó állomásként.

A legtöbb számítógépen a felhasználó és a hardver között több szoftverréteg található:

Egyes beágyazott vezérlőkön nincs általános célú operációs rendszer: a vezérlőprogram közvetlenül vagy egy kis valós idejű rendszeren keresztül kezeli a hardvert.

• Rendszerszoftver: működteti a számítógépet és kezeli az erőforrásokat. Ide tartozik az operációs rendszer, az eszközmeghajtó és a firmware egy része.
• Alkalmazói szoftver: a felhasználó konkrét feladatát támogatja, például dokumentumkészítést, tervezést, mérést vagy szimulációt.
• Fejlesztői szoftver: más programok, automatizmusok és vezérlések létrehozását, tesztelését és karbantartását segíti.

A csoportok határa nem mindig éles. Egy MATLAB- vagy LabVIEW-rendszer egyszerre lehet kész mérnöki alkalmazás és saját modellek, illetve mérési folyamatok fejlesztési környezete.

Egy kamerás minőség-ellenőrző állomáson:

1. a kamera firmware-e működteti az eszközt;
2. az eszközmeghajtó kapcsolatot teremt a kamera és az operációs rendszer között;
3. a képfeldolgozó alkalmazás megkeresi a hibákat;
4. az adatbázis eltárolja az eredményeket;
5. a kezelőfelület jelzi a gépkezelőnek, ha selejt keletkezett.

Az egész rendszer csak akkor működik jól, ha a rétegek verziói, interfészei és beállításai összeillenek.

Az operációs rendszer (OS) közös környezetet biztosít az alkalmazások számára, és összehangolja a hardver használatát.

• Folyamatkezelés: elosztja a processzor idejét a futó programok között.
• Memóriakezelés: memóriaterületet rendel a programokhoz, és védi őket egymástól.
• Fájl- és háttértárkezelés: fájlokba és könyvtárakba szervezi az adatokat.
• Eszközkezelés: illesztőprogramokon keresztül kezeli a perifériákat.
• Felhasználó- és jogosultságkezelés: szabályozza, ki milyen erőforráshoz férhet hozzá.
• Hálózati szolgáltatások: biztosítja a hálózati kommunikáció alapjait.
• Felhasználói felület: grafikus felületet és gyakran parancssort is nyújt.

Az eszközmeghajtó egy adott hardver kezelését teszi lehetővé. Ha például egy mérőkártyához nincs megfelelő illesztőprogram az adott operációs rendszerhez, az eszköz fizikailag csatlakoztatható, de nem biztos, hogy használható.

Gyakori platform a Windows, a Linux, a macOS, az Android és az iOS; beágyazott területen sokféle RTOS és gyártóspecifikus rendszer létezik. A „valós idejű” nem egyszerűen nagy sebességet jelent: azt jelenti, hogy a rendszernek egy műveletet az előírt határidőn belül, kiszámíthatóan kell végrehajtania.

A számítógép bekapcsolásakor a firmware — PC-knél jellemzően az UEFI — ellenőrzi és inicializálja a hardvert, majd elindítja az operációs rendszert.

• A Secure Boot digitális aláírások alapján ellenőrzi a rendszerindítás fontos elemeit.
• A TPM védett módon kezelhet titkosítási kulcsokat és segítheti a rendszer állapotának ellenőrzését.
• A lemez- vagy eszköztitkosítás csökkenti annak kockázatát, hogy egy elveszett vagy ellopott eszköz adatai hozzáférhetők legyenek.

Ezek egymást kiegészítő védelmek; egyik sem helyettesíti a frissítéseket, a megfelelő jogosultságokat és a biztonsági mentést.

Az alkalmazói szoftver közvetlenül egy felhasználói vagy szervezeti feladatot old meg.

• Irodai és együttműködési eszközök: dokumentum, táblázat, prezentáció, levelezés és csoportmunka.
• CAD: termékek, alkatrészek, építmények vagy áramkörök számítógépes tervezése.
• CAE: mérnöki elemzés és szimuláció, például FEM vagy CFD.
• CAM: gyártási folyamatok és CNC-megmunkálás előkészítése.
• Mérési és adatfeldolgozó szoftver: műszerek vezérlése, adatok rögzítése, kiértékelése és megjelenítése.
• PLM/PDM: termékadatok, dokumentumok, változatok és jóváhagyások kezelése.
• SCADA/HMI: ipari folyamatok felügyelete és kezelői megjelenítése.
• MES/ERP: gyártási műveletek, erőforrások és vállalati folyamatok támogatása.

• Helyben telepített alkalmazás: a felhasználó gépén fut. Előnye lehet a kis késleltetés, az offline működés és a helyi hardver — például GPU — közvetlen használata.
• Webalkalmazás: böngészőn keresztül használható, ezért egyszerűbb lehet a központi frissítés és a több eszközről történő elérés.
• SaaS (Software as a Service): szolgáltatásként, általában előfizetéssel igénybe vett szoftver. Az üzemeltetés jelentős részét a szolgáltató végzi.
• Hibrid megoldás: a számítás egy része helyben, más része szerveren vagy felhőben történik.

Egy nagyméretű CAD-modell szerkesztése történhet helyi munkaállomáson, miközben a dokumentumkezelés és a jóváhagyás felhőszolgáltatásban fut. A választásnál az internetkapcsolat, az adatvédelem, a teljesítmény, a rendelkezésre állás és a költség egyaránt számít.

Nem elegendő azt vizsgálni, hogy a program képes-e egy számítás elvégzésére. Fontos még:

• kezeli-e a szükséges fájlformátumokat és berendezéseket;
• megfelelő pontosságú és ellenőrizhető-e a számítási modell;
• biztosított-e a gyártói támogatás és a hosszú távú elérhetőség;
• együtt tud-e működni a vállalat más rendszereivel;
• megfelel-e az adatvédelmi és iparági előírásoknak;
• mennyi a licenc, a betanítás, az üzemeltetés és az esetleges leállás teljes költsége.

Biztonságkritikus döntésnél a szoftver eredményét mérnöki ellenőrzésnek és lehetőség szerint fizikai mérésnek vagy másik módszerrel végzett számításnak is alá kell támasztania.

Nem minden mérnök lesz szoftverfejlesztő, de a fejlesztési folyamat alapjainak ismerete segít az automatizálás, a mérőrendszerek és a műszaki szoftverek megértésében.

1. Követelmények: mit kell a rendszernek elvégeznie, milyen pontossággal és határidővel?
2. Algoritmus vagy modell: milyen lépések vezetnek az eredményhez?
3. Megvalósítás: programkód, grafikus folyamatábra, PLC-program vagy konfiguráció elkészítése.
4. Tesztelés: helyes-e az eredmény normál és hibás bemenetek esetén is?
5. Üzembe helyezés és karbantartás: dokumentálás, verziózás, frissítés és hibajavítás.

• A gépi kódot közvetlenül a processzor hajtja végre.
• Az assembly a gépi utasítások ember számára olvashatóbb leírása.
• Az általános célú magas szintű nyelvek, például C, C++, Python vagy Java összetettebb feladatok leírását teszik lehetővé. A C közel engedi a programozót a hardverhez, de nem gépi vagy assembly nyelv.
• A szakterület-specifikus nyelvek egy adott feladattípusra készülnek, például SQL adatlekérdezésre, MATLAB mérnöki számításokra vagy VHDL digitális hardver leírására.
• A PLC-k programozására az IEC 61131-3 szabvány többféle nyelvet, például létradiagramot és strukturált szöveget határoz meg.

A fordítóprogram a forráskódot a futtatás előtt gépi kódra vagy köztes formára alakítja. Az értelmező futás közben dolgozza fel a programot. A gyakorlatban hibrid megoldások is gyakoriak, ezért a két kategória nem mindig válik el élesen.

• IDE: szerkesztést, futtatást, hibakeresést és projektkezelést egyesítő környezet.
• Debugger: lehetővé teszi a program lépésenkénti vizsgálatát és a változók értékének ellenőrzését.
• Verziókezelő rendszer: rögzíti, hogy ki, mikor és mit változtatott; korábbi állapotok visszakereshetők. A Git verziókezelő, míg a GitHub és a GitLab együttműködési szolgáltatás is.
• Automatikus tesztelés: ismételhetően ellenőrzi, hogy a módosítás nem rontotta-e el a már működő részeket.
• Konténer: az alkalmazást és fontos függőségeit egységes futtatási csomagba szervezi; nem azonos egy teljes virtuális géppel.

Mérnöki példa: egy számítási táblázat vagy mérési szkript is szoftver. Ha termelési döntés alapja, ugyanúgy fontos a dokumentálás, a tesztadat, a változatok követése és a jóváhagyás, mint egy hagyományos programnál.

A fájl névvel ellátott adategység egy adattárolón. Legfontosabb tulajdonságai a név, az elérési út, a méret, az időbélyegek, a tulajdonos és a jogosultságok.

A fájlnév kiterjesztése — például `.pdf`, `.csv`, `.step` vagy `.jpg` — általában a formátumra utal, de önmagában nem garantálja a tartalom típusát. A fájl átnevezése nem alakítja át az adatot másik formátumba.

• Szöveges formátum: ember által is olvasható lehet, például TXT, CSV, JSON vagy XML.
• Bináris formátum: tömörebb vagy összetettebb adatot tárolhat, de értelmezéséhez megfelelő program szükséges.
• Metaadat: az adatot leíró információ, például mértékegység, mérési idő, koordináta-rendszer, anyagminőség vagy szoftververzió.

Mérési adatnál az értéksor önmagában gyakran kevés. A mértékegység, a mintavételi frekvencia, az érzékelő azonosítója és a kalibrálás ideje nélkül az adat félreérthető vagy később használhatatlan lehet.

A könyvtárak hierarchiába rendezik a fájlokat. Az abszolút elérési út a fájlrendszer egy rögzített kiindulópontjától, a relatív elérési út az aktuális könyvtártól adja meg a fájl helyét.

Gyakori fájlrendszerek:

Az adathordozó és a fájlrendszer nem ugyanaz: ugyanaz az SSD többféle fájlrendszerrel formázható.

Mérnöki adatcsere során gyakran kell formátumot konvertálni. A konverzió adatvesztést okozhat: egy semleges CAD-formátum például átadhatja a geometriát, miközben a parametrikus szerkesztési előzmény, az anyagadat vagy egyes tűrések elveszhetnek.

• Nyílt formátum: specifikációja hozzáférhető, ezért több gyártó támogathatja.
• Gyártóspecifikus formátum: egy adott szoftver funkcióit teljesebben őrizheti meg, de függőséget okozhat.
• Veszteségmentes tömörítés: az eredeti adat teljesen visszaállítható, például ZIP esetén.
• Veszteséges tömörítés: a kisebb méret érdekében információt hagy el; fotónál elfogadható lehet, mérési adatnál veszélyes lehet.

A `vegleges2_uj_javitott.step` jellegű fájlnevek nem adnak megbízható változáskövetést. Mérnöki projektben célszerű szabályozni:

• az elnevezést és a könyvtárszerkezetet;
• a verzió- és revíziószámot;
• a jóváhagyás állapotát;
• a módosítás okát és felelősét;
• azt, hogy melyik változat került gyártásba.

CAD- és dokumentumállományoknál ezt PDM/PLM vagy dokumentumkezelő rendszer, forráskódnál és szöveges konfigurációnál gyakran verziókezelő rendszer támogatja.

A hálózati kommunikáció szabályait protokollok határozzák meg. Egy adatátvitelben több protokoll együtt működik.

• IP: címzést és csomagok hálózatok közötti továbbítását biztosítja.
• TCP: kapcsolatot épít fel, sorrendhelyes és megbízható adatfolyamot nyújt.
• UDP: kisebb többletterhelésű, kapcsolat nélküli átvitelt ad, de önmagában nem garantálja a kézbesítést.
• DNS: neveket, például egy szerver nevét IP-címhez rendel.
• HTTP/HTTPS: webes erőforrások és API-k elérésére szolgál; HTTPS esetén a kommunikáció titkosított és hitelesített csatornán történik.
• SFTP: biztonságos fájlátvitelt biztosít SSH-kapcsolaton keresztül. Nem azonos az FTP titkosított változatával, az FTPS-sel.

• Kliens–szerver: a kliens szolgáltatást kér, a szerver válaszol. Példa: a mérnöki munkaállomás fájlt kér a PDM-szervertől.
• Peer-to-peer: a résztvevők közvetlenül is szolgáltathatnak egymásnak erőforrást.
• Publish–subscribe: az adatforrás egy témába üzenetet küld, a feliratkozók pedig megkapják azt. Szenzorhálózatokban és IoT-rendszerekben gyakori.
• API: szabályozott szoftveres kapcsolódási felület, amelyen keresztül két alkalmazás adatot vagy szolgáltatást cserélhet.

• Helyi (on-premises) rendszer: a szervezet saját telephelyén és felügyelete alatt működik.
• Edge feldolgozás: az adatot a géphez vagy szenzorhoz közel dolgozza fel; előnye lehet a kis késleltetés és a hálózati forgalom csökkentése.
• Felhőszolgáltatás: távoli, igény szerint méretezhető számítási, tárolási vagy alkalmazási szolgáltatás.

Ipari példa: egy rezgésérzékelő nagy sebességű jeleit egy edge eszköz helyben elemzi, csak a jellemzőket és a riasztást küldi a felhőbe, ahol hosszú távú elemzés és több telephely összehasonlítása történik. A helyi vezérlés így internetkimaradáskor is működhet.

A felhő nem automatikusan olcsóbb vagy biztonságosabb. Mérlegelni kell az adat mennyiségét, az átviteli költséget, a késleltetést, a szolgáltatói függést, a hozzáférési szabályokat és a kiesés következményeit.

Nincs olyan biztonsági program, amely önmagában minden támadást kivéd. A védelem egymást kiegészítő műszaki és szervezési intézkedésekből áll:

• rendszeres biztonsági frissítés;
• kártevő- és végpontvédelem;
• tűzfal és hálózati szegmentálás;
• egyedi felhasználói fiókok és a legkisebb szükséges jogosultság elve;
• többtényezős hitelesítés;
• adatok titkosítása;
• naplózás, felügyelet és incidenskezelés;
• kipróbált biztonsági mentés és visszaállítás.

Ipari környezetben különösen veszélyes lehet egy már nem támogatott, de a gép működéséhez szükséges szoftver. Ilyenkor hálózati leválasztásra, szigorú hozzáférésre, ellenőrzött adathordozó-használatra és korszerűsítési tervre lehet szükség.

• Biztonsági mentés: helyreállítható másolat adatvesztés esetére.
• Szinkronizálás: több helyen ugyanazt az aktuális állapotot tartja; egy hibás törlést vagy titkosítást is továbbíthat, ezért önmagában nem feltétlenül mentés.
• Archiválás: hosszú távra megőrzött, ritkán változó adatállomány.

A 3–2–1 elv szerint legyen legalább három példány az adatból, kétféle adathordozón, és legalább egy példány fizikailag vagy logikailag elkülönítve. Fontos a verziók megőrzése és a visszaállítás rendszeres próbája is.

• Teljes mentés: minden kijelölt adatot lemásol.
• Növekményes mentés: az előző bármilyen mentés óta történt változásokat menti.
• Differenciális mentés: a legutóbbi teljes mentés óta történt változásokat menti.

Mérnöki projektnél a CAD-modellek mellett a kapcsolódó anyagjegyzéket, szimulációs beállításokat, mérési nyersadatokat, kalibrációs információkat és szoftverkörnyezetet is meg kell őrizni, ha az eredmény később reprodukálandó.

A szoftver használatát a licenc feltételei szabályozzák. A „letölthető” vagy „ingyenes” nem jelenti automatikusan azt, hogy a szoftver bármilyen célra korlátozás nélkül használható.

• Tulajdonosi, kereskedelmi licenc: a gyártó meghatározott felhasználási jogot ad; a forráskód rendszerint nem hozzáférhető.
• Nyílt forráskódú licenc: engedélyezheti a forráskód tanulmányozását, módosítását és terjesztését, de feltételeket is előírhat.
• Freeware: díjmentesen használható, de nem feltétlenül nyílt forráskódú.
• Oktatási licenc: gyakran csak oktatásra és kutatásra használható, üzleti munkára nem.
• Előfizetéses vagy SaaS-licenc: a használati jog időszakhoz, felhasználóhoz vagy szolgáltatási csomaghoz kötődhet.

Vállalati használat előtt ellenőrizni kell a felhasználók, gépek vagy egyidejű használatok számát, a külső partnerek hozzáférését, a felhőben kezelt adatok helyét, valamint a szerződés megszűnése utáni adatexport lehetőségét.

A szoftver nem egyszeri beszerzés: telepíteni, konfigurálni, frissíteni, felügyelni és végül kivonni kell. Egy frissítés javíthat hibákat és biztonsági problémákat, de megváltoztathat fájlformátumot, illesztőprogramot vagy számítási eredményt is.

Mérnöki és ipari rendszerben ezért célszerű:

1. nyilvántartani a használt verziókat és licenceket;
2. tesztkörnyezetben kipróbálni a jelentős frissítéseket;
3. mentési és visszaállítási tervet készíteni;
4. dokumentálni a változtatást és annak jóváhagyását;
5. figyelni a gyártói támogatás végét;
6. megtervezni az adatok és modellek későbbi megnyithatóságát.

Egy tíz-húsz évig üzemelő gépnél a vezérlőszoftver, az operációs rendszer, az illesztőprogram és a licenckezelés elavulása ugyanolyan fontos kockázat lehet, mint a fizikai alkatrészek kopása.