1. Einleitung: Systementwicklung und Formale Spezifikationen

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1 Grundlagen der Systementwicklung Seite 1 Einführung: Systementwicklung und formale Methoden 1. Einleitung: Systementwicklung und Formale Spezifikationen Ziele: * Phasenmodell der Systementwicklung und die Rolle von Validierung und Verifikation verstehen * * (Technische) Probleme bei der Systementwicklung aufzeigen * * Historische Übersicht über formale Methoden zur Systementwicklung geben. Verwandte Lehrveranstaltungen: Objekt-Orientierte Software-Entwicklung Formale Objekt-Orientierte Software-Entwicklung Software-Engineering-Praktikum. Temporale Logik Praktikum über Modelcheking

2 Seite 2 Grundlagen der Systementwicklung Folien 1 Beispiel 1: Bedeutung korrekter Software Ariane 5: Softwarefehler führt zum Verlust von mehr als 10 9 DM Telecom: 1. Januar 1996 ist kein Feiertag Windows-Taschenrechner (Version ): Therac 25 (Strahlengerät zur Krebsbehandlung): Fehlerhafte Programmierung führt zu Verbrennungen und Todesfällen Deutsches Autobahnmautsystem Schlechte Plnung und Projektmangemenent führt zu Verzögerung der Auslieferung von zwei Jahren und damit zu Mindersteuereinnahmn in Höhe von meheren Milliarden Euro.

3 Grundlagen der Systementwicklung Seite 3 Einführung: Systementwicklung und formale Methoden System-Engineering Techniken der Systementwicklung von der ersten informellen Beschreibung eines System bis hin zu einer software-intensiven Lösung. Software Engineering Systematische Techniken zur Konstruktion qualitativ hochwertiger Programme.

4 Seite 4 Grundlagen der Systementwicklung Folien Der Software - Lebenszyklus : Anforderungsanalyse und -spezifikation Systementwurf und -spezifikation Validation Verifikation Detaillierter Entwurf Implementierung Integration <Software-System> Wartung

5 Grundlagen der Systementwicklung Seite 5 Einführung: Systementwicklung und formale Methoden Anforderungsanalyse und -spezifikation Erstellung eines Dokuments, das eine Beschreibung enthält, was das System tun soll, aber nicht, wie es das tun soll. Systementwurf und -spezifikation Spezifikation der Architektur des Systems und der Aufgaben seiner Komponenten Detaillierter Entwurf Verfeinerung des Entwurfs bis zum einem Detaillierungsgrad, der es ermöglicht, den Code zu erstellen Implementierung Codierung der Komponenten des Entwurfs in einer konkreten Programmierspache Integration Zusammenführung der einzelnen Systemkomponenten zum Gesamtsystem Wartung Fehlerkorrektur und Änderung des fertigen Systems während des Praxiseinsatzes

6 Seite 6 Grundlagen der Systementwicklung Folien 1 Validierung Prüfung, ob ein Produkt die Benutzeranforderungen erfüllt. Bauen wir das richtige Produkt? Verifikation Prüfung, ob jede Phase der System-Entwicklung die Intentionen der vorhergehenden Phase erfüllt. Bauen wir das Produkt richtig? Testen Prozeß des Ausführens eines vollständigen Systems zur Überprüfung, daß es die Anforderungen erfüllt; Teil der Validierung. Testen in frühen Phasen der Entwicklung: Simulation, Prototyping, Symbolische Ausführung, statische und dynamische Analyse.

7 Grundlagen der Systementwicklung Seite 7 Einführung: Systementwicklung und formale Methoden Beispiel 2: Analogie zum Bau einer Autobahnbrücke Anforderungsanalyse: * Größe, Länge, Höhe, * Kapazität, * Bodenbeschaffenheit, * Anforderungsspezifikation: Technisches Dokument. Systemspezifikation: Entwurf der Struktur der Brücke, bei einfacheren Lösungen unter Benutzung von Standard- Komponenten (zur Kosten- und Zeiteinsparung). Wartung: a) kleine Entwurfs- und Baufehler werden während der Benutzung beseitigt, b) bei größeren Problemen: z.b. Neukonstruktion der Brükke, oder wie vor ein paar Jahren in London die Sperrung der neuen Brücke des Stararchitekten Foster.

8 Seite 8 Grundlagen der Systementwicklung Folien 1 Beispiel 3: Kosten von Software im Lebenszyklus Zwei Arten von Kosten: a) Kosten der Software-Konstruktion, b) Kosten der Wartung sowohl für Fehlerkorrektur als auch Änderung der Anforderungen Die Kosten von a) betragen 20% oder weniger, die Kosten der Wartung - b)- mindestens 80%. Kosten Neue Entwicklungen Neue Anwendungen Wartung Totale EDV-Ausgaben Jahre

9 Wiederverwendbarkeit Grundlagen der Systementwicklung Seite 9 Einführung: Systementwicklung und formale Methoden Vorteile: - spart Zeit und Kosten, - weniger fehleranfällig, - länger verwendete Software ist robuster, -Wiederverwendbarkeit auf allen Ebenen, insbesondere von Spezifikationen Probleme: - not invented here Syndrom, d.h. man traut der fremden Software nicht. - Wiederverwendung ist schwierig, wenn der Code an das neue Problem angepasst werden muss. - die Entwicklung generischer Software ist aufwendig In den letzten Jahren Verwendung von Programmbibliotheken (API) Verwendung von Komponenten (z.b. Java beans)

10 Seite 10 Grundlagen der Systementwicklung Folien Probleme bei der System - Entwicklung Tabelle 1: typischer Entwicklungsprozeß Entwicklungs schritt Anforderungsspezifikation Entwurfsspezifikation Detaillierte Spezifikation Implementierung Notation in natürlicher Sprache mit Bildern und Tabellen in graphischer Notation und in natürlicher Sprache; formale Spez. bei sicherheitskritischen Systemen in Programmnotation vermischt mit natürlicher Sprache in Programmiersprache

11 Grundlagen der Systementwicklung Seite 11 Einführung: Systementwicklung und formale Methoden Probleme: 1. Natürliche Sprache ist nicht präzise genug, zu viele Details 2. Zu viele verschiedene Notationen, häufig in jeder Phase andere Notation. Fehler besonders an den Schnittstellen zwischen den Phasen. 3. Fehler in der Anforderungsdefinition oder im Entwurf sind meist schwerer zu beheben und damit teuerer als Fehler in späteren Phasen.

12 Seite 12 Grundlagen der Systementwicklung Folien 1 Beispiel 4: Mangel an Präzision Die Schnittstelle zum System, das von Radaroperatoren benutzt wird, soll benutzerfreundlich sein. Die virtuelle Schnittstelle soll auf wenigen einfachen allgemeinen Konzepten beruhen, die eine klare Benutzerführung bieten und klar zu verstehen sind. Die Voltzahl der Lampe ist immer eine ganze Zahl zwischen 3 und 6 Volt. Heißt dies Voltzahl >= 3 und Voltzahl <= 6 oder Voltzahl > 3 und Voltzahl < 6? Unerfüllbarkeit: Der Wasserstand der letzten drei Monate soll auf einem magnetischen Band gespeichert werden., (welches ein Teil der Hardwareanforderungen eines zukünftigen Systems sein kann) und der Satz: Das Kommando PRINT_LEVEL druckt den durchschnittlichen Wasserstand für einen spezifizierten Tag der letzten drei Monate aus. Die Antwortzeit soll nicht länger als drei Sekunden betragen.

13 Grundlagen der Systementwicklung Seite 13 Einführung: Systementwicklung und formale Methoden Unvollständigkeit: Das System soll die stündlichen Temperaturen überwachen, die von Sensoren an den laufenden Reaktoren gemessen werden. Diese Werte sollen für die letzten drei Monate gespeichert werden. Die Funktion des Kommandos AVERAGE ist es, auf einer Benutzerkonsole die durchschnittliche Temperatur eines Reaktors für einen spezifizierten Tag anzuzeigen. Was wird angezeigt, wenn um 14 Uhr das Mittel der heutigen Temperatur verlangt wird: error oder Mittel der Temperatur bis 14 Uhr? Zweideutigkeit: Das Operatorkennzeichen besteht aus dem Operatornamen und seinem Paßwort; das Paßwort besteht aus sechs Ziffern. Es soll auf der Sicherheitskonsole angezeigt werden und in der Logindatei gespeichert werden, wenn ein Operator sich einloggt. Wenn ein Fehler bei einer Reaktorüberlastung entdeckt wird, soll der Fehlerbildschirm 1 auf der Masterkonsole angezeigt werden und der Fehlerbildschirm 2 soll auf der Verbindungskonsole angezeigt werden mit einer blinkenden Kopfzeile. Bezieht sich Es auf password oder operator identity? Sollen beide Konsolen blinkende Kopfzeilen haben?

14 Seite 14 Grundlagen der Systementwicklung Folien Formale Methoden in der Informatik Formale Methoden: Verwendung von mathematischen Notationen zur Beschreibung von Anforderungs- und Entwurfsspezifikationen zusammen mit Validierungs- und Verifikationstechniken Geschichtlich: ab ca. 1960: formale Sprachen und Automaten: Untersuchung der Syntax von formalen Sprachen. Operationelles Verhalten von Programmen: Chomsky-Hierarchie, endliche Automaten, reguläre Ausdrücke und Turing-Maschinen. ab ca. 1970:Semantik von Programmiersprachen (Scott, Strachey): Zuordnung einer Bedeutung zur Syntax durch Abbildung auf bekannte mathematische Strukturen: Semantik des λ Kalküls, denotationelle Semantik : Beweise von Programmen, Zusicherungskalküle (Dijkstra, Hoare, Floyd) Zusammenhang von Programmen mit logischen Eigenschaften vor und nach der Ausführung des Programms.

15 Grundlagen der Systementwicklung Seite 15 Einführung: Systementwicklung und formale Methoden ab ca. 1975:Algebraische Spezifikation (Guttag, ADJ) abstrakte Beschreibung von Programmen/Problemeigenschaften durch Axiome ( Algebraische bzw. Axiomatische Spezifikation ), bzw. basierend auf Modellen und Mengenlehre ( Modellorientierte Spezifikation ). ab ca. 1970:Formale Programmentwicklung (CIP, Burstall/ Darlington, Hoare) Studium der Beziehungen zwischen Abstraktionsebenen der Beschreibung,Programmtransformationen, Wechsel der Datenstruktur (heute bei Microsoft: Intentional Programming). ab ca. 1980: Temporale Logik (Kröger, Manna, Pnueli) zur Beschreibung des dynamischen Verhaltens von Systemen. ab ca. 1990:Integration diagrammatischer Notationen mit formalen Techniken, semantische Fundierung graphischer Notationen. ab ca. 1995: große Erfolge der Temporallogik durch Einsatz von Modelchecking (endlicher Automaten) zur Verifikation/Falsifizierung von Sicherheits- und Lebendigkeitseigenschaften von Kontrollsystemen.

16 Seite 16 Grundlagen der Systementwicklung Folien 1 Modellorientierte Methoden VDM [Jones 90], B, Z. Algebraische Ansätze Larch, LOTOS, Maude, CASL. Temporal-logische Ansätze LTL, CTL, TLA, MTLA (für mobile Systeme)

17 Grundlagen der Systementwicklung Seite 17 Einführung: Systementwicklung und formale Methoden Modell-orientierte Spezifikationen Beschreibung imperativer Konzepte durch Zusicherungen (Vor- und Nachbedingungen) der Form {φ} P {ψ}. Beispiel 5: {n 0} s := n; Q {s = fac(n)} Spezifikation eines Programms Q, das die Fakultätsfunktion berechnet. s eine Programmvariable, n eine mathematische oder logische Variable fac bekannte Fakultätsfunktion.

18 Seite 18 Grundlagen der Systementwicklung Folien 1 Axiomatische Spezifikationen funktionales Verhalten von Rechenstrukturen. Beschreibung durch Schnittstelle (oder Signatur), und charakteristische Eigenschaften durch (Gleichungs-) Axiome und durch Termersetzung (für nebenläufiges Verhalten) o Beispiel 6: Keller Schnittstelle: Datentypen: Stack, Data Charakteristische Funktionen sind empty : Stack; push : Data Stack Stack; top : Stack Data; pop : Stack Stack; Charakteristische Eigenschaften: top (push (d, s)) = d; pop (push (d, s)) = s.

19 Grundlagen der Systementwicklung Seite 19 Einführung: Systementwicklung und formale Methoden Modell-orientierte Beschreibung. Prozeduren: New(s) weist der Variablen s den leeren Keller zu, Push(s,n) fügt das Symbol n zum Keller hinzu, Pop(s) entfernt das oberste Kellersymbol, Top(s,m) weist den obersten Eintrag des Kellers s der Variablen m zu, Isempty(s, b) weist der Variablen b den Wert true zu, falls s leer ist, andernfalls erhält b den Wert false I Beschreibung des Verhaltens von Kellern durch endliche Sequenzen. mittels der Spezifikation: {true} New(s) {s = ε} {s = t m = n} Push(s, m){s = cons(t, n)} {s = cons(t,n)} Pop(s){s = t} {s = cons(t,n)} Top(s, m){m = n} wobei ε die leere Sequenz, cons(t, n) Anhängen von n an t. s, m Programmvariablen, t, n logische Variablen

20 Seite 20 Grundlagen der Systementwicklung Folien 1 Unterstützungswerkzeuge. Tabelle 2: Beispiele für Beweisunterstützende Systeme System Entwickler Bemerkungen LCF R. Milner Logic for Computable Functions PVS John Rushby, N. Shankar (SRI) Interaktiver Beweiser für Logik höherer Ordnung, seit 1980 Isabelle L. Paulson, T. Nipkow Interaktiver Beweiser Weiterentwicklung von LCF Cambridge, seit 1985 Larch DEC Palo Alto / MIT seit 1989 Guttag, Horning Z/Eves Dan Craigen Analyse-Werkzeug für Z, seit 1990 NUPRL Constable, Cornell U. Weiterentwicklung von LCF Modelchecker HOL- CASL Beweis von Eigenschaften endlicher Automaten (auch bei Echtzeit) z.b. SMV, SPIN, UPPAAL Till Mossakowski, Univ. Bremen ca. seit 1990 Parser und Beweisunterstützung, seit 2000

21 Grundlagen der Systementwicklung Seite 21 Einführung: Systementwicklung und formale Methoden Tabelle 2: Beispiele für Beweisunterstützende Systeme System Entwickler Bemerkungen Maude Jose Meseguer Simulation und Analyse alg. Spezifikation, Modellierung nebenläufiger System HUGO A. Knapp, S. Merz Modellchecker für UML-Statecharts

22 Seite 22 Grundlagen der Systementwicklung Folien Zusammenfassung * Systementwicklung kann in Phasen eingeteilt werden, beginnend mit der Anforderungsbeschreibung und endend mit der Wartung. In allen Phasen benötigt man Validierung und Verifikation zur Überprüfung der Resultate. * Mangel an Präzision, Unvollständigkeit und Zweideutigkeit sind häufige Fehlerquellen, die durch formale (möglichst automatische) Analysen besser entdeckt werden können. * Grundlegende formale Techniken sind - axiomatische Spezifkationen zur Beschreibung von Daten und des funktionalen Verhaltens, - modell-orientierte temporal-logische Spezifikationen zur Beschreibung von dynamischem und reaktivem Verhalten.