Ernst Sikora. 1

Transkript

1 der autor Prof. Dr. Klaus Pohl ( ist Leiter der Arbeitsgruppe Software Systems Egieerig der Uiversität Duisburg-Esse. Die Schwerpukte der Arbeitsgruppe sid Requiremets Egieerig, Software Services ud service-basierte Systeme sowie Software-Produktliie. Erst Sikora ( leitet das Requiremets-Egieerig-Team der Arbeitsgruppe Software Systems Egieerig a der Uiversität Duisburg-Esse. Er promoviert auf dem Gebiet Requiremets Egieerig ud Architektur. COSMOD-RE: Verzahug des Architekturetwurfs mit dem Requiremets Egieerig Eie fuktioierede Zusammearbeit zwische Aforderugsigeieure ud -architekte ist eie wichtige Grudlage für die erfolgreiche Realisierug jedes komplexere softwareitesive Systems. Defizite bei der Abstimmug zwische de Systemaforderuge ud der Systemarchitektur sollte daher möglichst früh erkat ud behobe werde. Zum Beispiel sollte alle architekturtreibede Aforderuge möglichst frühzeitig de Architekte bekat sei, damit die Architekte eie für das Problem agemessee Architekturlösug bereitstelle köe. Fuktioiert das Zusammespiel zwische Requiremets Egieerig ud Architekturetwurf i frühe Projektphase icht wie gewüscht, ka dies zahlreiche gravierede ud kostspielige Fehler zur Folge habe. I diesem Beitrag wird die COSMOD-RE-Methode vorgestellt. Diese Methode wurde mit dem Ziel etwickelt, ei erfolgreiches Zusammespiel zwische Architekturetwurf ud Requiremets Egieerig zu uterstütze. Die Bedeutug eier geeigete methodische Aleitug Nebe meschliche ud soziale Faktore spiele userer Erfahrug ach die existierede Etwicklugsmethode ud -prozesse eie zetrale Rolle für ei Gelige des Zusammespiels zwische Require - mets Egieerig ud Architektur - etwurf. Viele existierede Methode ud Prozesse propagiere jedoch ei Vorgehe, bei dem die Architekte erst is Spiel komme, achdem eie vollstädige Afor - derugsspezifikatio erstellt wurde. Dies führt i der Praxis zu verschiedee, teilweise gravierede Probleme. We die Aforderuge spezifiziert ud abgestimmt werde, ohe die Architekte eizubide, sid die Aforderuge auf Sad gebaut, da sie möglicherweise icht erfüllt werde köe. Ei weiterer, für de Projekt- ud Uterehmeserfolg ebeso graviereder Nachteil besteht i der verpasste Chace, die Kreativität ud die Idee der Archi - tekte ud Desiger bei der Afor - derugsdefiitio auszuschöpfe. Erfahree Projektteams breche daher (zu Recht) mit der Theorie ud verzichte auf die durch die Methode ud Prozesse vorgegebee Treug vo Requiremets Egieerig ud Etwurf. Doch auch dies ist ei icht gäzlich risikoloses Uter - fage. Meist führt es dazu, dass sowohl im Prozess als auch i desse Ergebisse zwische der Problemdefiitio (de Aforderuge) ud der Lösugsbe - schreibug (dem Architekturetwurf) keie ausreichede Treug besteht. Die Vermischug vo Problem ud Lösug führt zu euerliche Schwierigkeite. Die Projektbeteiligte befasse sich zu früh mit techische Details der Lösug, währed die Aforderuge also das eigetliche Problem, für das der Auftraggeber oder Nutzer eie Lösug beötigt icht herausgearbeitet wird. Die Freiheitsgrade der Etwickler sid durch die detaillierte ud teilweise uötige Lösugsvorgabe erheblich eigeschräkt. Bessere ud kostegüstigere Lösuge werde gar icht erst i Betracht gezoge, da diese de Aforderuge widerspreche würde. Um aus dieser Methode-Zwickmühle zu etkomme, werde Etwicklugs - asätze beötigt, die das Zusammespiel zwische Requiremets Egieerig ud Architekturetwurf i frühe Projekt - phase förder ud dabei gleichzeitig eie klare Treug vo Problemdefiitio ud Lösugsbeschreibug uterstütze. Prizipie der COSMOD- R E- Methode Die Arbeitsgruppe Software Systems Egieerig der Uiversität Duisburg- Esse [SSE] hat im Rahme vo mehrere Idustriekooperatioe die Iteraktio zwische Requiremets Egieerig ud Architekturetwurf utersucht ud als umfassede Lösug die COSMOD-RE- Methode etwickelt. Ei wesetliches Ziel vo COSMOD-RE ist es, das Zusamme - spiel zwische Requiremets Egieerig ud Architekturetwurf systematisch zu uterstütze. COSMOD-RE basiert auf de folgede Grudprizipie: Modellbasierte Etwicklug: Zur Do - ku metatio vo Aforderuge ud Architektur greift COSMOD-RE auf etablierte Aforderugs- ud Architek - turmodelle zurück. Da komplexe Syste - me häufig i mehrere Systemebee strukturiert werde, wie zum Beispiel Gesamtsystem, Subsysteme ud Kompoete, ud a de Übergäge zwische de verschiedee Ebee möglichst keie Brüche i der Modellierug auftrete sollte, werde i COSMOD-RE auf jeder System - ebee dieselbe grudlegede Mo - 1

2 Olie-Themespecial Architekture 2009 fachartikel Damit die erstellte Modelle gut verstädlich ud ausreiched gehaltvoll sid, hat jedes Aforderugs- oder Architek - turmodell i COSMOD-RE zwei wesetliche Bestadteile. Erstes beihaltet ei Modell ei oder mehrere Diagramme, die die wesetliche Modellelemete ud dere Beziehuge grafisch defiiere. Zweites beihaltet jedes Modell textuelle Detailbeschreibuge der eizele Modell elemete, sodass diese klar, verstädlich ud möglichst eideutig iterpretierbar sid. Die textuelle Beschreibuge werde häufig mittels Schabloe strukturiert, die die beötigte Iformatioe für das jeweilige Modellelemet (zum Beispiel eie Fuktio) festlege. Die COSMOD-RE Methode defiiert drei grudlegede Arte vo Modelle zur Dokumetatio der Aforderuge ud der Architektur eies Systems: Tab. 1: Charakterisierug der Modelltype delle eigesetzt. Allerdigs variiere vo Ebee zu Ebee der Detaillierugsud der Abstraktiosgrad der Modelle. Klar defiierte Abstraktiosstufe: Der steigede Systemkomplexität setzt COSMOD-RE ei Abstraktios stufe - modell etgege, das die Aforderugs- Igeieure ud Archi tekte dabei uterstützt, eie für die jeweilige Etwicklugsaufgabe ud die jeweilige Systemebee geeigete Abstraktiosud Detaillierugsgrad ihrer Afor - derugs- ud Architekturmodelle zu wähle. Die vorgegebee Abstrak - tios stufe solle zudem verhider, dass auf eier Systemebee Lösugs - details betrachtet werde, die für diese Systemebee och icht relevat sid. Co-Desig-Prozesse: Aforderugsud Architekturartefakte werde i sogeate Co-Desig-Prozesse etwickelt ud dabei eg aufeiader abgestimmt. I eiem Co-Desig- Prozess werde Architekte vo Afag a i die Kozeptio des Systems eibezoge. Idee aus dem Architekturetwurf fließe i das Requiremets-Egieerig ei, ud die vorgeschlagee Architekturetwürfe werde frühzeitig gege die Afor - deruge evaluiert. Die Umsetzug dieser drei Prizipie i COSMOD-RE wird im Folgede erläutert. Erstes Prizip: Modellbasierte Dokumetatio vo Aforderuge ud Architektur Der Eisatz vo Modelle im Require - mets Egieerig ud im Architek - turetwurf bietet eie Reihe vo Vorteile. Modelle uterstütze die Kommuikatio zwische de beteiligte Stakeholder wie zum Beispiel Auftraggeber, Aforderugs- Igeieure ud Systemarchitekte. Dabei leiste sie vor allem eie Beitrag zu eiem verbesserte, gemeisame Verstädis des Systems, der Aufgabe ud Probleme, die das System löse soll, sowie der Umge - bug, i der das System seie Aufgabe erfülle soll. Jeder verwedete Modelltyp lekt die Aufmerksamkeit der Stakeholder auf eie adere, für die Etwicklug zetrale Aspekt des Systems ud hilft damit, vo Details zu abstrahiere, die für die jeweilige Etwicklugsaufgabe vo gerigerer Bedeutug sid. Zudem mache Modelle die dokumetierte Sachverhalte eier frühe Kosistezprüfug zugäglich, da sie Teilaspekte der System - aforderuge ud der Systemarchitektur formalisiere. Lösugseutrale Aforderugsmodelle dokumetiere die Aforderuge a das System i eier lösugseutrale Weise. Sie spiegel im Wesetliche die Nutzugs- ud Auftraggebersicht auf das System wider. COSMOD-RE verwedet zwei zueiader komplemetäre, lösugseutrale Arte vo Afor - derugsmodelle: Zielmodelle ud Szeariomodelle (siehe Tabelle 1). Lösugsorietierte Aforderugs mo delle biete die otwedige Detail ifor - matioe für die Systemetwickler ud -tester. Ei Beispiel eies lösugsorietierte Modells ist das Fuk tiosmodell des Systems (siehe Tabelle 1). Das Architekturmodell beihaltet verschiedee Architektursichte, wie zum Beispiel eie Struktursicht ud eie Prozesssicht. Der Schwerpukt vo COSMOD-RE liegt derzeit auf der Struktursicht der Architektur (siehe Tabelle 1). Eie wesetliche Eigeschaft komplexer Systeme wie zum Beispiel vo Fahrzeuge, Flugzeuge oder Produktiosalage ist die Strukturierug dieser Systeme i mehrere Systemebee. Ei Beispiel eier solche Strukturierug ist i Abbildug 1 (liks) dargestellt. Da auf jeder System - ebee dieselbe prizipielle Etwicklugs - schritte durchgeführt werde müsse ud die Übergäge zwische de verschiedee Systemebee möglichst frei vo Brüche i der Modellierugsmethodik sei sollte, werde i COSMOD-RE auf jeder Olie-Themespecial Architekture

3 Abb. 1: Systemstruktur ud -modelle über mehrere Ebee hiweg Systemebee dieselbe prizipielle Type vo Aforderugs- ud Architektur - modelle eigesetzt. Mit adere Worte werde die obe beschriebee Afor - derugsmodelle sowohl zur Beschreibug der Gesamtsystemaforderuge als auch der Subsystemaforderuge ud der Kompoeteaforderuge eigesetzt (siehe Abbildug 1, rechts). Zweites Prizip: Klar defiierte Abstraktiosstufe Modellierugssprache wie zum Beispiel die Uified Modelig Laguage (UML [UML]) oder die Systems Modelig Laguage (SysML [SML]) biete keie Hiweise darauf, welche Detaillierugs - grad ei Modell habe sollte. Nicht selte sehe sich Aforderugs-Igeieure, die die UML oder SysML eisetze, dazu verleitet, bereits zu eiem frühe Zeitpukt Lösugsdetails zu modelliere, wie zum Beispiel Klasse, Operatioe ud dere Aufrufschittstelle. COSMOD-RE uterstützt Aforderugs-Igeieure ud Archi - tekte daher mittels eies Abstraktios - stufemodells, de richtige De tail lierugsgrad für ihre Aforderugs- ud Archi - tekturmodelle zu wähle. Da das Ab - straktiosstufemodell die Abstraktio vo Lösugsdetails fördert, führt es (auf höhere Abstraktiosstufe) gleichzeitig zur Komplexitätsreduktio der erstellte Modelle. Das Abstraktiosstufemodell vo COSMOD-RE ist i Abbildug 2 dargestellt. Auf der oberste Abstraktiosstufe, der Stufe System (Black Box), liegt der Schwerpukt auf der Festlegug ud Abstimmug der Systemziele, System - iteraktioe ud Systemfuktioe. Das System wird dabei als eie schwarze Kiste betrachtet, die über eie Mege verschiedeartiger Schittstelle (zum Beispiel Mesch-Maschie- ud Kommuikatios - schittstelle) ihrer Umgebug Fuktioe ud Dieste bereitstellt. Auf tiefere Abstraktiosstufe wird die Aforderugsud Architekturspezifikatio zuehmed detaillierter ud auch zuehmed techischer, bis schließlich ei für die Imple - metierug ud de Test des Systems ausreicheder Detaillierugsgrad erzielt wird. Die höchste Abstraktiosstufe ud die iedrigste Abstraktiosstufe zeiche sich dadurch aus, dass sie jeweils ur eier Systemebee zugewiese werde (der höchste ud der iedrigste Ebee). Die Abstraktiosstufe Fuktioale Dekom - po sitio ud Hardware-Software-Parti - tioierug köe higege jeweils eier oder mehrere Systemebee zugewiese werde. Mit adere Worte ka zum Beispiel eie fuktioale Dekompositio des Systems über mehrere Systemebee hiweg erfolge (zum Beispiel Sub-Systeme ud Sub-Sub-Systeme). Drittes Prizip: Verzahte Etwicklug vo Aforderuge ud Architektur Die Verzahug vo Requiremets Egi - eerig ud Architekturetwurf erfolgt i Abb. 2: Abstraktiosstufemodell der COSMOD-RE-Methode COSMOD-RE durch eie prozessbasierte Itegratio vo Requiremets-Egieerigud Etwurfsaktivitäte. Die COSMOD- RE-Methode stellt somit ei Prozessmodell bereit, das die verzahte Etwicklug ud wechselseitige Abstimmug zwische Aforderuge ud Architektur uterstützt. Dazu defiiert COSMOD-RE das Kozept des Co-Desig -Prozesses. Ei Co-Desig-Prozess verfolgt das Ziel, zuächst (lösugseutrale) Aforderuge aus Sicht des Auftraggebers zu idetifiziere ud gleichzeitig eie erste, grobe Architekturvorschlag zu erarbeite. Erst achdem die Problemstellug i Form vo lösugseutrale Aforderugsmodelle (Ziele ud Szearie) herausgearbeitet, ei Architekturvorschlag defiiert ud Ziele, Szearie ud Architektur aufeiader abgestimmt wurde, erfolgt die Spezi - fikatio detaillierter, lösugsorietierter Aforderuge. Lösugsorietierte Aforderuge werde häufig durch Architekturwisse beeiflusst, wie zum Beispiel die Aahme, dass bestimmte Systemschittstelle oder sogar bestimmte Systemkompoete vorhade sid. Die Erstellug der lösugsorietierte Aforderuge im Aschluss a die Abstimmug vo Ziele, Szearie ud Architektur hat de Vorteil, dass zu diesem Zeitpukt das Problem ud die architekturelle Lösug bereits gut verstade ud verhältismäßig stabil sid. Mehrfache Äderuge der bei komplexe Systeme sehr umfagreiche, lösugsorietierte Aforderuge, zum Beispiel aufgrud veräderter Ziele oder aufgrud vo Archi - tekturäderuge, köe auf diese Weise reduziert werde. Abbildug 3 zeigt die eizele Sub - prozesse eies Co-Desig-Prozesses ud die Iformatiosflüsse zwische de Sub - prozesse. 3

4 Olie-Themespecial Architekture 2009 fachartikel Abb. 3: Struktur eies Co-Desig-Prozesses zur verzahte Etwicklug vo Aforderuge ud Architektur Diese füf Subprozesse ud die dari er - stellte Artefakte (siehe Tabelle 1) köe wie folgt charakterisiert werde: Subprozess SP1 ist für die Etwicklug iitialer Ziele ud Szearie für das geplate System veratwortlich. Subprozess SP2 ist für die Etwicklug eier iitiale, grobe Systemarchi - tektur veratwortlich. Subprozess SP3 ist für die Zuordug der Ziele ud Szearie zu Archi - tekturelemete veratwortlich. Ba - siered auf der Zuordug werde Diskrepaze zwische de (lösugseutrale) Aforderuge ud der Architektur idetifiziert, wie zum Beispiel Architekturelemete, dee keie Aforderug zugeordet ist. Subprozess SP4 ist für die Kosolidierug der Ziele, Szearie ud Architekturartefakte zustädig, um die i Subprozess SP3 idetifizierte Diskrepaze aufzulöse. Subprozess SP5 ist für die Spezifikatio detaillierter, lösugsorietierter Afor - deru ge (uter aderem des Fuk - tiosmodells) zustädig. Als wesetliche Eigabe fließe i diese Sub prozess die defiierte ud bereits kosolidierte Ziele, Szearie ud Architekturartefakte ei. Szearie soweit zu verfeier, dass die Teilziele ebeso wie die Iteraktiosschritte der Szearie eizele Architektur - elemete eideutig zugeordet werde köe. Dieser Schritt stellt gleichzeitig de Übergag vo eier Systemebee zur ächste dar, zum Beispiel vom Gesamt - system zu de Subsysteme, da de eizele Subsysteme iitiale Afor deruge (i Form vo Ziele ud Szearie) zugewiese werde. Auszüge aus eiem Modellierugsbeispiel Wie aus der obige Beschreibug deutlich wird, ist die itegrierte Etwicklug ud Verfeierug vo Ziele, Szearie ud Architekturartefakte der wesetliche Treiber für die Verzahug vo Require - mets Egieerig ud Architektur - etwurf. Dies wird daher im Folgede a dem Beispiel eies Fahrerassistezsystems (Adaptive Fahrtgeschwidigkeitsregelug ACC ) veraschaulicht. Abbildug 4 zeigt Auszüge aus de iitiale, für das ACC-System erstellte Afor - derugsmodelle sowie die Defiitio der Systemschittstelle (also eie Teil des Architekturmodells). Die i Abbildug 4 gezeigte Ziele, Szearie ud Schitt - stelle werde zudem mittels etsprecheder Schabloe im Detail defiiert. Beispielsweise wird i eier Szeario - schabloe der kokrete Ablauf des Sze - arios Vorausfahredem Fahrzeug folge beschriebe. Basiered auf diese, iitiale Modelle schlage die System - architekte eie iitiale, grobe Architektur vor (siehe Abbildug 5). Die iitiale, grobe Architektur defiiert füf wesetliche Subsysteme, die beötigt werde, um die defiierte Ziele ud Szearie zu erfülle. Darüber hiaus sid die Systemschittstelle de jeweils zustädige Subsysteme zugeordet. Um die Eigug der iitiale Architektur für die defiierte, iitiale Aforderuge festzustelle sowie gegebeefalls eue Idee für weitere Aforderuge zu erhalte, erfolgt u eie Zuordug ud ei Abgleich zwische Ziele, Szearie ud Architektur. Damit eie Zuordug, beispielsweise vo Ziele zu Subsysteme, möglich wird, müsse die Ziele zuächst jedoch verfeiert werde. Ei Auszug aus dem verfeierte Zielmodell des ACC- Systems wird i Abbildug 6 gezeigt. Die Ziele a de Blätter dieses Zielmodells werde eizele Subsysteme zugewiese ud defiiere somit iitiale Afor - deruge für diese Subsysteme. Dies stellt, wie obe beschriebe, de Übergag zur ächste Systemebee, d. h. vo der Gesamtsystemebee zur Subsystemebee, dar. Bei der Verfeierug der Ziele ud Szearie ud der Abbildug i die Systemarchitektur werde zum Beispiel fehlede Ziele, fehlede Szearie oder fehlede Architekturelemete aufgedeckt. Beispielsweise ist der Umstad, dass eiem Subsystem keie Ziele zugeordet wurde, Damit i Subprozess SP3 eie klare Zuord - ug vo Ziele ud Szearie zu Architekturelemete (Subsysteme) möglich ist, ist es erforderlich, die Ziele ud Szearie zu verfeier. Das Ziel der Verfeierug besteht dari, Ziele ud Abb. 4: Auszüge aus dem Zielmodell, Szeariomodell ud Architekturmodell auf der Gesamtsystemebee Olie-Themespecial Architekture

5 Rahme der deutsche Software-Egi - eerig-tagug i Paderbor ebeso wie bei der Iteratioal Workig Coferece o Requiremets Egieerig (REFSQ 2010 [Ref]) i Esse. Refereze Abb. 5: Beispiel eier iitiale, grobe Systemarchitektur auf der Subsystemebee ei Hiweis auf bisher übersehee Systemziele oder auf eie icht auf die Aforderuge abgestimmte Architektur. Im Aschluss a die Verfeierug der Ziele ud Szearie ud die Abbildug i die Systemarchitektur erfolgt daher eie Überarbeitug ud Apassug der Afor - derugs- ud Architekturmodelle. Weitere Iformatioe ud Ausblick COSMOD-RE wird bereits erfolgreich i der Praxis eigesetzt. Basiered auf de Erfahruge aus der Awedug wird die Methode zudem kotiuierlich weiteretwickelt. Gegewärtig wird COSMOD-RE i eie durchgägige, modellbasierte Asatz zur Etwicklug softwareitesiver eigebetteter Systeme, iklusive eier (prototypische) Werkzeuguterstützug, itegriert. Diese Arbeite werde i der Iovatiosalliaz Software Plattform Embedded Systems 2020 (SPES2020) durchgeführt ud vom Budesmiisterium für Bildug ud Forschug uter dem Kezeiche 01IS08045 gefördert. Nähere Iformatioe zu SPES2020 sid uter [BMBF] zu fide. Die i diesem Artikel vorgestellte COSMOD-RE-Methode er - scheit demächst i eier ausführlichere Fassug als Teil des Lehrbuchs ud Kompediums Requiremets Egieerig Foudatios, Priciples, Techiques. Aktuelle Iformatioe zu diesem Werk werde uter [Poh] ud [SSE] bekat gegebe. We Sie Frage oder Areguge zu diesem Artikel habe, sollte Sie icht zöger, die Autore zu kotaktiere. Eie Gelegeheit, mit de Autore persölich zu diskutiere, bietet sich zum Beispiel bei dem Workshop ENVISION2020 [Ev] im [SSE] Arbeitsgruppe Software Systems Egieerig der Uiversität Duisburg-Esse. [UML] Object Maagemet Group: Uified Modelig Laguage. [SML] Object Maagemet Group: Systems Modelig Laguage. [AvL] Axel va Lamsweerde: Requiremets Egieerig From System Goals to UML Models to Software Specificatios. Wiley, 2009 [BMBF] BMBF Iovatiosalliaz Software Plattform Embedded Systems [Poh] Klaus Pohl: Requiremets Egieerig Grudlage, Prizipie, Techike. Webseite zum Lehrbuch ud Kompedium. [Ev] Workshop zur Zukuft der Etwicklug softwareiesiver, eigebetteter Systeme. [Ref] Iteratioal Workig Coferece o Requiremets Egieerig: Foudatio for Software Quality (REFSQ 2010). Abb. 6: Beispiel für die Verfeierug eies Systemziels ud Zuordug der Teilziele zu Subsysteme 5