Frank J. Furrer - TU Dresdenst.inf.tu-dresden.de/files/teaching/AVorlesung_V20_20160207.pdf · «GO» ist ein Strategie-Brettspiel, das vor ca. 2`500 Jahren in China erfunden wurde

21. Januar 2016 © Prof. Frank J. Furrer 1

TUD Antrittsvorlesung Frank J. Furrer

Prof. h.c. Dr.

Frank J. Furrer

Antrittsvorlesung

Technische Universität Dresden

Lehrstuhl Softwaretechnologie

21. Januar 2016

V2.0



1976 -2011: Industrie-Laufbahn im Gebiet der industriellenSteuerungstechnik und der Architektur sehr grosserSoftwaresysteme

1975: Ph.D.EE (Dr. sc. techn. ETHZ) der SchweizerischenTechnischen Hochschule Zürich (Insitut für Technische Physik)

1970: MS (Diplom) der Schweizerischen TechnischenHochschule Zürich, Fakultät für Elektrotechnik

1945 (27. Januar): Geboren in Zürich (Schweiz)

Kurzlebenslauf

2015 (1. Juli): Professor h.c. der Fakultät für Informatik derTechnischen Universität Dresden (TUD)

2013/14: Lehrbeauftragter TUD Dresden



MS Elektrotechnik ETH-Z(5 Jahre)

Industrielle Elektronik & Software(23 Jahre)

Consulting (Softwarearchitektur)(12 Jahre)

Lehrauftrag TU Dresden(4 Semester)

Professur TU Dresden(1. Juli 2015)

PhD Technische Physik ETH-Z(5 Jahre)

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Frank J. Furrer

SOFTWARE:

Gratwanderungen zwischen

Erfolgsgeschichten und Katastrophen?



… eine kurze Einführung für Nicht-Informatiker

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Was ist Software?



Software:

Liste von

Computerinstruktionen

(Computersprache)

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Interaktion mit der Umwelt



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… das erste Programm

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RoboterarmProgrammierung



«The Power of Software»

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Die Kraft von Software ist (nahezu) allmächtig geworden



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Hauptrolle: Informatiker

Informatiker: Erschaffer des digitalen Universums



Wo findet man überall Software?

… noch eine kurze Einführung für Nicht-Informatiker



Software ist allgegenwärtigh

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e-Commerce

(Internet-Shopping)

On-Line Banking

(Finanztransaktionen)

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Strassen-

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Steuerung

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Luftverkehrs-

Überwachung



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Energieverteilung

Mobilnetzwerk

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Computer-

gesteuertes

Fliegen

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Autonome Fahrzeuge

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Chirurgische Roboter

Militärische Roboter

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Herzschrittmacher

GPS-Navigationsgerät

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… und noch viel mehr



… unsere Abhängigkeit von Software ist nahezu total geworden !

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Software

fehlerfrei

Erfolgsgeschichte

fehlerhaft

Katastrophe



Software-Erfolgsgeschichten:

6 Beispiele



Software Erfolgsgeschichte: Beispiel 1Mercedes GLE 500e (Hybrid)

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Software-gesteuerte Funktionen:

• Hybridoptimierung (Elektro/BenzinV6)

• Elektronisches Stabilitätsprogramm

• Verschiedene Assistenten (Spurhalten, Totwinkel, Abstand, …)

• …



Software Erfolgsgeschichte: Beispiel 1Mercedes S500

Autonome Langstreckenfahren

August 2013: Das “S 500 INTELLIGENT DRIVE”

Versuchsfahrzeug fährt autonom 100 Kilometer von

Mannheim nach Pforzheim



Teilnehmer: 20 mechanisch identische E-Cars mit mehrals 300 km/h Spitzengeschwindigkeit

Entscheidend: Software (Algorithmen, künstlicheIntelligenz, Lernfähigkeit, …)

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Software Erfolgsgeschichte: Beispiel 12016: Erstes Rennen mit fahrerlosen E-Cars



Software Erfolgsgeschichte: Beispiel 2Künstliche Intelligenz spielt «GO»

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«GO» ist ein Strategie-Brettspiel, das vor ca.

2`500 Jahren in China erfunden wurde.

Spielbrett: 19 x 19 Linien, unbeschränkte

Anzahl schwarzer und weisser Steine.

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Ziel: Möglichst grosseGebietsanteilebesetzen

Anzahl verschiedener Stellungen aufdem GO-Brett: 4,63 x 10170

Schach: 1043

Anzahl Atome im Universum: 1080




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Januar 2016: Das KI-

Programm «AlphaGO» gewinnt

gegen den mehrfachen und

amtierenden GO-

Europameister Fan Hui 5:0

Beeindruckend/Erschreckend:

«AlphaGO» wurde NICHT

programmiert, sondern ist ein

selbstlernendes Programm

[Deep Learning]

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Beeindruckend/Erschreckend:

«AlphaGO» wurde NICHT programmiert, sondern ist ein

selbstlernendes Programm [Deep Learning]

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.ch Da wurde eine Hürde

übersprungen, welcheunvorhersehbareKonsequenzen habenwird



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Software-Expertensystem für Krebsdiagnose und Krebstherapie

Kennt und «versteht» das gesamte onkologische Wissen

Software Erfolgsgeschichte: Beispiel 3Krebsdiagnose/Therapie-System IBM Watson



Software Erfolgsgeschichte: Beispiel 3Krebsdiagnose/Therapie-System IBM Watson

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• Enorme Wissensbasis

• Interaktive Diagnose-/Therapieführung

• Personalisierte Medizin

• …



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Software Erfolgsgeschichte: Beispiel 4Vollautomatisierte Fahrzeugproduktion

Schweiss-/Montageroboter



Software Erfolgsgeschichte: Beispiel 4Vollautomatisierte Fahrzeugproduktion

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Menschenleeres Produktionsfliessband«Dunkle Fabrik»



Software Erfolgsgeschichte: Beispiel 5e-Commerce


• Produktkatalog/Personalisierte Empfehlungen

• Warenkorb/Zahlungsabwicklung

• Logistik

• …

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Software Erfolgsgeschichte: Beispiel 5e-Commerce

Electronic Banking

Electronic Publishing

Electronic Videos

Electronic Social Networks

Electronic Commerce

Teleconferencing

Cloud DocumentStorage

Electronic Signatures



Software Erfolgsgeschichte: Beispiel 6Pflegeroboter

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Roboter für die Pflege und

Altenbetreuung erreichen

die Einsatzbereitschaft


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Software Erfolgsgeschichte: Beispiel 6Pflegeroboter

… sie werden zu unseren täglichen, geschätzen Begleitern werden



Software-Katastrophen:

6 Beispiele



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Software Katastrophe: Beispiel 1Absturz Airbus A400M (9. Mai 2015)

A400M: Militärisches TransportflugzeugZuladung von 37 Tonnen, Reichweite über 3’000 km



Software Katastrophe: Beispiel 1Absturz Airbus A400M (9. Mai 2015)

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Grund: Unvollständige Triebwerkdaten nach Softwareupdate

Software darf NIE ohne Datenprüfung aufstarten

Ausfall derSchubsteuerung von 3Triebwerken nach dem

Start Absturz



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“Mehr als 40 Millionen Kundenkreditkarten von russischenHackern gestohlen”

( später auf dem Schwarzmarkt angeboten)

Software Katastrophe: Beispiel 2US Home Depot Kreditkartendiebstahl (September 2014)



Software Katastrophe: Beispiel 3Knight Capital 440 M$ Handelsverlust (1. August 2012)

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Handelsverlust am 1.8.2012 (NYSE): 440 Millionen US$

Knight Capital:

Computer-Traderim Hochfrequenzhandel

[10’000 Trades/secHaltezeit: Millisekunden]



Software Katastrophe: Beispiel 3Knight Capital 440 M$ Handelsverlust (1. August 2012)

Grund: Programmierfehler im automatisierten High-Frequency

Trading-Algorithmus der Firma (nach einem Software-Update)

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Am 1.8.2012 um 9:30generierten die Computer(ohne menschliches Zutun)Millionen von fehlerhaftenTrades

Um 9:58 hatte Knight Capital440 Millionen US$ verloren



Software Katastrophe: Beispiel 4Einbruch in Bundestag-Intranet (Mai 2015)

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Die Bundestags-Computer sind im Mai 2015 Ziel einer bislangbeispiellosen Attacke noch unbekannter Hacker geworden.

Wie stark und mit welchen Folgen das Datennetz des Parlamentsin Mitleidenschaft gezogen ist, bleibt zunächst unklar.



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Es wurden grosse Mengenvertraulicher E-Mails vonAbgeordneten erbeutet

Bisherige Erkenntnisse: Daten vonrund 16 Gigabyte kopiert

Software Katastrophe: Beispiel 4Einbruch in Bundestag-Intranet (Mai 2015)



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Software Katastrophe: Beispiel 5Remote Car Hacking (Jeep Model 2014, July 2015)

Charlie Miller und Chris Valasek gelang es 2015 einenserienmässigen Jeep (Modelljahrgang 2014) von ihrem

Wohnzimmer aus zu hacken und die Kontrolle über dessenvitale Funktionen zu übernehmen



Software Katastrophe: Beispiel 5Remote Car Hacking (Jeep Model 2014, July 2015)

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Unmittelbares Resultat: Chrysler Rückruf (1.4 Mio Fz),Sammelklagen und hektische Aktivität im US-Kongress



Software Katastrophe: Beispiel 6Ungewollte Beschleunigung bei Toyota Fahrzeugen

Die ungewollte Beschleunigung von Toyota und Lexus Fahrzeugen

führte von 2000-2010 zu 89 Verkehrstoten und 52 Verletzten

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Software Katastrophe: Beispiel 6Ungewollte Beschleunigung bei Toyota Fahrzeugen

Toyota behaupteteanfänglich, Grund fürdie ungewollteBeschleunigung sei dieFussmatte

UnabhängigeUntersuchungen wiesenaber einSoftwareproblem in derSteuerung desGaspedales nach

19. März 2014: Toyota bezahlt eine Busse von 1.2 Milliarden US$



Unsere Abhängigkeit von Software ist nahezu total geworden !

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Müssen wir mit den Software-Risiken leben?

Was können wir dagegen unternehmen?



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Erfolgs-geschichte

Katastrophe

Widerstandsfähige(resiliente)Software

FehlerbehafteteSoftware



Wie entsteht Software?

… noch eine kurze Einführung für Nicht-Informatiker



«Software Development is a technical activity

conducted by human beings»

Niklaus Wirth [ETHZ]

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ErweitertesSW-System

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NeueGeschäfts-

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BestehendesSW-System

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Software-Entwicklungsprozess



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Fehler & Fehlentscheide in allen Phasen

des Software-Entwicklungsprozesses



Software-Entwicklungsprozess


Wie vermeiden wir fehlerbehafteteSoftware?

Antwort:

• Adäquate Strategie

• Korrekte Prinzipien & Prozesse

• Geeignete Informatiker

• Qualitäts-Firmenkultur


Wie bauen wir widerstandsfähige(resiliente) Software?



Software-Entwicklungsstrategie:

MANAGED EVOLUTION

… jetzt wird es etwas akademischer

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MANAGED EVOLUTION

= Software Entwicklungsstrategie

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• Laufende Erhöhung desGeschäftsnutzens

• Kontinuierliche Verbesserungder Agilität und derResilience

• VertrauensvolleZusammenarbeit zwischen denGeschäftseinheiten und den IT-Abteilungen



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Neue Funktionalität = Erhöhung desGeschäftsnutzens (Business Value)

Transformation derQualitätseigenschaften[Sicherheit, Leistungsdaten, …]

21. Januar 2016 58


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Neue Funktionalität = Erhöhung desGeschäftsnutzens (Business Value)

Transformation derQualitätseigenschaften[Sicherheit, Leistungsdaten, …]

© Prof. Frank J. Furrer



Transformation der Qualitätseigenschaften

[Sicherheit, Zuverlässigkeit, Integrität, Leistungsdaten, …]

Verbesserung Verschlechterung

IT-ProjektWir haben bei jedemIT-Projekt die Wahl



Verschlechterung

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Transformation der Qualitätseigenschaften

[Sicherheit, Zuverlässigkeit, Integrität, Leistungsdaten, …]



Agility [Agilität]

Widerstandsfähigkeit [Resilience]

Geschäftsnutzen [Business Value]

ManagedEvolution

[Murer, Bonati, Furrer - 2011]

Credo:

Müssen kontinuierlich

- mit jedem Projekt –

verbessert werden

… alle anderen Qualitätseigenschaften So gut wie nötig



ManagedEvolution

[Murer, Bonati, Furrer - 2011]

Geschäftsnutzen[Business Value]

Widerstandsfähigkeit[Resilience]

Agility[Agilität]

Managed Evolution: 3 messbare Schlüsselqualitäten des SW-Systemes

Zunahmebusiness value

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Erhöhungresilience

Widerstandsfähigkeit[Resilience]

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Resilience = Widerstandsfähigkeit gegen Fehler, Ausfälle, Angriffe, …h

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… einleuchtend – aber gibt es Widerstände?

Geschäftseinheiten wollen:• Kurze Markteinführungszeit

• Tiefe Entwicklungskosten

• Nur die essentielle Funktionalität

• Neueste Technologien

CIO & IT-Architektur wollen:• Verbesserung der Agility

• Erhöhung der Resilience

• Beschränkung der Komplexität

• Keine technischen Schulden

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• Verständnis• Vertrauen



Kernfrage: Wie baut man resiliente Systeme?

Fundament =

Architektur

[System- & Softwarearchitektur]

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Architektur =

Struktur und Beziehungen der Elementein einem System, sowie die Beziehungen

zur Umwelt

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Resilienz:

• Verkehrsstau

• Stromausfälle

• Hochwasserschutz

• Feuerwehrzugang

• Polizeistandorte

• Krankenhausdichte

• …



Gibt es eine Medizin für resiliente Architektur?h

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Architektur-Prinzipien

Die strikte und konsequente Anwendung der

Architektur-Prinzipien führt zu agilen und

resilienten Systemen

Fundamentale Einsichten – als Regeln formuliert – wie ein

gutes Softwaresystem gebaut wird («Ewige Wahrheiten»)



Schlussfolgerungen

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Erfolgs-geschichte

Katastrophe


Was können wir dagegen unternehmen?

… daher müssen wir ein Restrisiko akzeptieren



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Die heutigen Software-Systeme sind diekomplexesten technischen Systeme in der Welt




Was können wir gegen die Risiken unternehmen?

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Verlässliches SW-Entwicklungsvorgehen (Managed Evolution)

Wirksamere Produkt-Haftungsgesetze für Software (weltweit)

Grundlegende Sicherheitskultur in Software-Firmen

… und eine exzellente Ausbildung unserer Informatiker

Strikte Einhaltung der Architekturprinzipien



Ausgewählte Literaturangaben

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TU Dresden Die Technische Univerrsität Dresden

http://tu-dresden.de

Software-Grundlagen

Jochen Ludewig, Horst Lichter:

Software Engineering - Grundlagen, Menschen, Prozesse, Techniken

Dpunkt verlag GmbH, 3. Auflage, 2013. ISBN 978-3-8649-0092-1

Mercedes-Benzautonomousdriving

Mercedes-Benz long-distance autonomous driving

https://www.mercedes-benz.com/en/mercedes-benz/innovation/autonomous-long-distance-drive/

Computer GO Sarah Griffiths:

Artificial intelligence breakthrough as Google's software beatsgrandmaster of Go, the 'most complex game ever devised'

Daily Mail Online, January 31, 2016

http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-3419548/March-machines-Computer-BEATS-one-world-s-best-players-ancient-board-game-using-human-like-skills.html

IBM WatsonCancer ExpertSystem

IBM Watson for Oncology - Get oncologists the assistance they needto make more informed treatment decisions

http://www.ibm.com/smarterplanet/us/en/ibmwatson/watson-oncology.html

und:

John E. Kelly, Steve Hamm:

Smart Machines – IBM’s Watson and the Era of Cognitive Computing

Columbia University Press, New York, N.Y., USA, 2013. ISBN 978-0-231-16856-4

Pflegeroboter Stefan Simons:

Pflegeroboter - Hightech-Kameraden fürs Alter

SPIEGEL On-Line, Freitag, 22.03.2013 – 18:40 Uhr

http://www.spiegel.de/gesundheit/diagnose/pflegeroboter-hightec-kameraden-fuers-alter-a-890342.html

Literatur [1]



Literatur [2]

KnightCapital

Edgar Perez:

Knightmare on Wall Street – The Rise and Fall of Knight Capitaland the biggest Risk for Financial Markets

www.mredgarperez.com, 2013. ISBN 978-0-9896577-0-9

Bundestag-Hacking

Maik Baumgärtner, Sven Röbel, Wolf Wiedmann-Schmidt:

Cyberangriff auf den Bundestag - Hacker kopierten Abgeordneten-E-Mails

SPIEGEL On-Line, Donnerstag, 18.06.2015

http://www.spiegel.de/politik/deutschland/cyberangriff-auf-bundestag-abgeordneten-e-mails-erbeutet-a-1039388.html

Toyota Case Junko Yoshida:

Acceleration Case - Jury Finds Toyota Liable

EE Times, 10/24/2013 09:00 PM EDT

http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1319897

und auch:

https://en.wikipedia.org/wiki/Sudden_unintended_acceleration

Jeep Hacking Charlie Miller, Chris Valasek: Remote Exploitation of an Unaltered PassengerVehicle. August 10, 2015. Downloadable from:http://illmatics.com/Remote%20Car%20Hacking.pdf [last accessed:17.8.2015]



Literatur [3]

VorlesungProf. Furrer,WS15/16

Prof. Dr. Frank J. Furrer:

Future-Proof Software Systems

Lecture Winter Term 2015/16

http://tu-dresden.de/die_tu_dresden/fakultaeten/fakultaet_informatik/smt/st/studium?leaf=1&lang=en&subject=304

ManagedEvolution

Stephan Murer, Bruno Bonati, Frank J. Furrer:

Managed Evolution – A Strategy for Very Large Information Systems

Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2011, ISBN 978-3-642-01632-5

LanglebigeSoftware

Carola Lilienthal:

Langlebige Softwarearchitekturen – Technische Schulden analysieren,begrenzen und abbauen

Dpunkt Verlag, Heidelberg, 2016. ISBN 978-3-86490-292-5

Zukunfts-fähigeSoftware

Frank J. Furrer:

Zukunftsfähige Softwaresysteme – Zukunftsfähig trotz zunehmender SW-Abhängigkeit

Informatik Spektrum, Springer-Verlag, Heidelberg. First online: 30 June2015. 10.1007/s00287-015-0909-6. Downloadable from SpringerLink:http://link.springer.com/article/10.1007/s00287-015-0909-6 (Lastaccessed: 31.12.2015)

Architecture George Fairbanks:

Just Enough Software Architecture – A Risk-Driven Approach

Marshall & Brainerd, Boulder CO, USA, 2010. ISBN 978-0-9846181-0-1

SecureArchitecture

Eduardo B. Fernandez:

Security Patterns in Practice – Designing Secure Architectures using SoftwarePatterns

John Wiley & Sons, Ltd., Chichester UK, 2013. ISBN 978-1-119-99894-5

O. N. Bradley Omar Nelson Bradley (* 12. Februar 1893 in Clark, Missouri, † 8. April 1981in New York City)

https://de.wikipedia.org/wiki/Omar_N._Bradley

http://www.brainyquote.com/quotes/authors/o/omar_n_bradley.html



Mein herzlicher Dank geht

an die Fakultät für

Informatik der Technischen

Universität Dresden

Es ist für mich eine

wunderbare Erfüllung, meine

«letzte Runde» im beruflichen

Leben mit interessanten

Kollegen und motivierten

Studenten verbringen zu

dürfen



If we continue to develop our technology withoutwisdom or prudence, our servant may prove to be

our executionerOmar N. Bradley (U.S. Army General, Chairman of the Joint Chiefs of Staff [1949])

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21. Januar 2016

© Prof. Frank J. Furrer

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Danke für Ihre Aufmerksamkeit

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