Ein semantik-basierter Software-Entwicklungsansatz zum Service-Oriented Computing

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1 Ein semantik-basierter Software-Entwicklungsansatz zum Service-Oriented Computing Martin Wirsing LMU München in Kooperation mit A. Clark 1, S. Gilmore 1, M. Hölzl 2, A. Knapp 2, N. Koch 2, P. Mayer 2, A. Schroeder 2 1 University of Edinburgh 2 LMU München GI/ACM Regionalgruppe München, 12. November 2007

2 LMU München Programmierung und Softwaretechnik Forschung Global Computing, Web Enginrg Theorie & Techniken der SW Konstruktion Werkzeuge SCT: SENSORIA CASE Tool HUGO: Modelchecking Statecharts UWE: Design of Web Systems Projekte MAEWA: Web Engineering GLOWA: Decision suppt for Global Change SENSORIA: SW Engineering for Service- Oriented Global Comput. Systems InfoZert: Information Flow Security Elite-Master Software Engineering Team Martin Wirsing, Rolf Hennicker, Alexander Knapp + 17 researchers and PhD students 2

3 Inhalt Motivation: Web Services SENSORIA: Systematische Entwicklung dienst-orientierter Systeme UML4SOA: Dienst-orientierte Erweiterung von UML Formale Techniken für SOA - Zwei Beispiele SDE: Die SENSORIA Entwicklungsumgebung Schlussbemerkungen 3

4 Motivation: E-Dienste Computing is becoming a utility and software a service. [... applications will no longer be a big chunk of software that runs on a computer but a combination of web services; and the platform for which developers write their programs will no longer be the operating system, but application servers. [The Economist, May2003 Softwaredienste größtes Wachstumsgeschäft der IT Industrie Verändert die IT Industrie und Beeinflusst die gesamte E-Gesellschaft (e-society ) E-Dienste werden heute angeboten auf Web, Personal Digital Assistants, Handies, Grid, Bald auf allen möglichen Arten von verteilten Plattformen 4

5 Dienst-orientierte Systeme Dienst (Service) autonome, plattformunabhängige Komponente, die spezifiziert, veröffentlicht und entdeckt werden kann. Dienste können dynamisch komponiert werden um verteilte, interoperable, dynamisch anpassbare Systeme und Anwendungen zu entwickeln Dienst-orientierte Programmierung Starkes Interesse der IT Industrie, aber nur ad-hoc und undisziplinierte Ansätze Anwendungen können miteinader reden, aber sie verstehen nicht worüber sie reden Probleme und Herausforderungen Spezifikation korrekten Verhaltens Automatische dynamische Komposition Performanz, Sicherheit und Zuverlässigkeit Deployment und Re-Engineering 5

6 Das SENSORIA Projekt IST-FET Integrated Project Koordinator: LMU München 19 Partner: U. Pisa, Florenz, Bologna, Trento, Leicester, Edinburgh, Imperial, University College, Lissabon, Warschau, Budapest, DTU, ISTI Pisa, Telecom Italia, FAST München, S&N, ATX Lisbon, MIP Milano Neuer umfassender Ansatz zum Engineering von dienst-orientierten Software-Systemen durch Integration von mathematischen Theorien, Techniken und Methoden mit pragmatischem Software Engineering 6

7 SENSORIA Ansatz Applications Continuous Challenge Research Continuous Input Technical Development Real Case Studies Solutions Service Engineering and its Foundations Feedback Tool Suite Modellbasierter Ansatz zur Entwicklung dienst-basierter Anwendungen inkl. Entwurf, formaler Analyse, Deployment und Re-Engineering Benutzernahe Dienstmodellierungssprachen UML, BEPL, SRML (SCA) Für den Benutzer verborgene formale Analyse von Diensten mittels Logik, Typsystemen, Statischer Analyse und Semantischer Fundierung basierend auf mathematischen Ansätzen wie Prozesskalkülen Werkzeugunterstützung durch SENSORIA Development Environment 7

8 SENSORIA Ansatz SENSORIA Entwicklungsprozess Service-orientierte Modellierg (UML) SENSORIA Development Env. Modell-Trafo Service-orientierte Kalküle Deployment Infrastruktur Legacy Code Qualitative Analyse Quantitative Analyse 8

9 SENSORIA Fallstudien Anwendungsgebiete E-Business Automotobilbereich E-learning Telekommunikation Automobil-Fallstudie Szenarien zur Orchestrierung, Rekonfiguration, Z.B. E-Pannenhilfe-Szenario: Suche und Bestellung von Abschleppdienst, Werkstatt und Autovermietung in der Nähe der Pannenstelle 9

10 Pannenhilfe-Szenario Der SENSORIA Ansatz zielt auf die begründete Ein Auto hat einen Motorschaden Beantwortung von Fragen wie: Werkstatt, Garage, car Auto and und towabschleppdients truck are ordered werden parallelly parallel bestellt Wird die Kreditkarte nicht belastet werden, wenn es keine verfügbare Werkstatt gibt? Das Discovery System des Autos identifiziert Werkstätten, Mietwagenfirmen und Abschleppdienste in der Nähe der Pannenstelle Wird der Abschleppdienst in 15 Minuten geschickt werden? Die Auto-Dienstplattform wählt aus bzw. fordert an eine Menge von Angeboten (gemäß den persönlichen Vorlieben des Fahrers). Werden die Ortsdaten der Panne nur an den Abschleppdienst weitergegeben? Dienstanbieter werden automatisch kontaktiert Der Fahrer muss eine Anzahlung hinterlegen Das Diagnosesystem meldet einen schwerwiegenden Motorschaden Der Fahrer muss die Reservierungen bestätigen (oder stornieren). 10

11 Inhalt Motivation: Web Services SENSORIA: Systematische Entwicklung dienst-orientierter Systeme UML4SOA: Dienst-orientierte Erweiterung (Profil) von UML Deployment Strukturdiagramme Orchestrierung Formale Techniken für SOA - Zwei Beispiele: SDE: Die SENSORIA Entwicklungsumgebung Schlussbemerkungen 11

12 UML4SOA: Ein UML-Erweiterung für Services UML-Profil für dienst-orientierte Systeme Erweiterungen für Dienstkomponenten und - Orchestrierung Nichtfunktionale Eigenschaften 12

13 Vereinfachte SW-Architektur für das Auto «device» Vehicle Hardware/Low level Vehicle Platform Sensor System Monitor Actuator Driving Assistance Comm. Interface Driver-Vehicle UI Orchestrator Reasoner Kommunikationspfad für Entdeckungsprozess (Discovery) «execution environment» High Level Vehicle Platform In-Vehicle Service Platform Local Discovery Repository Vehicle Communication Gateway «device» GPS «device» Mobile Phone «temporary» «on the fly» «temporary» UML Deployment Diagram «device» Car Manufacturer «device» Vehicle Remote Discovery 13

14 UML4SOA Modellierung von Struktur Orchestrierte Komponente bietet und benötigt Dienste, implementiert als Ports Jeder Dienst hat angebotene und benötigte Schnittstellen besitzt Dienstbeschreibung 14

15 UML4SOA Orchestrierung Interaktionstyp Kompensation UML Aktivitätsdiagramm erweitert um Interaktionstypen, Kompensation 15

16 Inhalt Motivation: Web Services SENSORIA: Systematische Entwicklung dienst-orientierter Systeme UML4SOA: Dienst-orientierte Erweiterung von UML Formale Techniken für SOA - Zwei Beispiele: Semantik von Kompensation durch Modelltransformation Analyse quantitativer Eigenschaften: Service Level Agreements SDE: Die SENSORIA Entwicklungsumgebung Schlussbemerkungen 16

17 Kompensation SENSORIA Ansatz: UML4SOA bietet Notationen für lang laufende Transaktionen Use formal models to derive semantics of UML extensions: Der Saga Prozesskalkül ermöglicht formale Behandlung von Kompensation [Bruni, Montanari et. al. 2005] Erweitere UML um Kompensation Definiere Semantik über Modelltransformationen UML Aktivitätsdiag. + Kompensation VIATRA Modelltransformation SAGA Prozesskalkül 17

18 Sagas: Ein Prozesskalkül für Kompensation Sagas [Bruni, Montanari et. al. 2005] basieren auf Datenbankansatz zur Behandlung langer Transaktionen mit Kompensation P % Q P mit Kompensation Q Weitere Operationen: P Q, P ; Q parallele und sequentielle Komposition, [ P ] Subtransaktion Kompensation: Nach erfolgreichem P wird Q installiert und, falls spätere Aktion scheitert, ausgeführt Alle erfolgreichen Aktionen einer parallelen Saga (inkl. paralleler Zweige) müssen kompensiert werden Alle erfolgreichen Subtransaktionen einer hier. Transaktion müssen kompensiert werden Beispiel: [([ReqCardCharge; OKCardCharge] % RevokeCharge) ; (OrderGar % CancelGar) ; ((OrderTTruck % CancelTTruck) [OrderCar % RedirectCar] ] 18

19 (Meta-) Modelltransformation: UML nach Sagas Modelltransformationssysteme QVT, ATL, MTF nur partiell definierte Semantik SENSORIA TIGER: Attribute Graph Grammar System [U. Leicester, TU Berlin] VIATRA2: Graph Transformation + Abstract State Machine [Varro et al.] Beispiel: VIATRA2 Transformation für kompensierbare Aktionen: Edge Edge 19

20 Analyse of Quantitativer Eigenschaften: Service Level Agreements Spezifikation von Performanz durch Annotation von UML Diagrammen [DEGAS- Projekt 2004] Übersetzung nach Prozesskalkül PEPA [Gilmore 2004] Performanz- und Skalierbarkeitsanalyse mit Stetigen Markov-Ketten Gewöhnlichen Differentialgleichungen [Gilmore, Hillston 2005] Parameter sweep [Gilmore et al. 2006, 2007] UML Diagram with Häufigkeitsannot. Übersetzung (Extraktion der relevanten Daten) PEPA Prozesskalkül Quantitive Performanz und Skalierbarkeits- Analyse 20

21 Beispiel: Performanz der E-Pannenhilfe Kann man das folgende Service Level Agreement garantieren? In mindestens 30% der Motorschäden wird der Abschleppwagen innerhalb von 15 Minuten bestellt und in mindestens 60% der Motorschäden wird der Abschleppwagen innerhalb von 30 Minuten bestellt Ansatz: Annotiere die zeitintensiven Aktionen des Geschäftsvorfalls mit Häufigkeits-Intervallen Übersetze das Aktivitätsdiagram^m nach PEPA 21

22 Übersetzung nach PEPA Das Pannenhilfesystem (vereinfacht) Passives Warten, Orchestrator beliebige Häufigkeit L (LocalDiscovery GPS Reasoner OnRoadRepairSrvc) Bestimmung der Ortsdaten und Finden von nahe gelegenen Diensten Orchestrator = (enginefailure,r1).(requestlocation, infty). (currentlocation, r3).(findservices, infty).orchestrator2 GPS = (requestlocation, r2).(currentlocation, infty). GPS ; Bearbeitung von ; Ortsdaten werden Bestellung... benötigt ca. 5 min, in 1 min übertragen, mit hoher Streuung mit geringer Streuung Bestellung von Werkstatt und Abschleppdienst Orchestrator3 = (ordergarage, infty). (garageok, r3). (ordertowtruck, infty). Orchestrator OnRoadRepairSrvc = (ordergarage, r5). (ordertowtruck, r5). OnRoadRepairSrvc 22

23 Analysis of Service Level Agreements Beispiel Service Level Agreement: Abschleppdienst wird innerhalb 15 Min. entsandt in mindestens 30% der Fälle, innerhalb von 30 Min. in mindestens 60% der Fälle Analyse durch systematische Variation der Häufigkeiten der Raten r1-r5: 5 * 5 * 5 * 5 * 5 = Experimente mit ipc/hydra Tool [U. Edinburgh] 23

24 Analysis of Service Level Agreements Kumulative Analyse des Service Level Agreement: Sensitivität auf Variation von r2 Sensitivität auf Variation von r5 Folgerung: Schnellere Brearbeitung von Bestellungen (Häufigkeitsrate r5) ist wichtiger als schnellere Übertragung von Ortsdaten (Häufigkeitsrate r2). 24

25 Inhalt Motivation: Web Services SENSORIA: Systematische Entwicklung dienst-orientierter Systeme UML4SOA: Dienst-orientierte Erweiterung von UML Formale Techniken für SOA - Zwei Beispiele SDE: Die SENSORIA Entwicklungsumgebung Schlussbemerkungen 25

26 SENSORIA SOA Entwicklungsumgebung SCT: CASE Tool Integration Platform Dienst-orientierte Plattform basierend auf OSGi und Eclipse Werkzeuge zur Modelltransformation und formalen Analyse PEPA (Edinburgh), VIATRA (Budapest), WS-Engineer (Imperial), HUGO (LMU) 26

27 Schlussbemerkungen SENSORIA: Semantik-basierte systematische Entwicklung dienstorientierter Systeme UML-Erweiterung für dienst-orientierte Modellierung Quantitative und qualitative Analyse durch Modelltransformation in math. Modelle (e.g. Saga, PEPA) SENSORIA Entwicklungsumgebung Außerdem Modelltransformation in Standard-Infrastrukturen (WSDL, BEPL, ) Extraktion von Diensten aus Legacy SW Modellierung und Verifikation von Sicherheit (Security) Mit dem Ziel eines umfassenden Ansatzes zum Engineering von dienst-orientierten Software-Systemen durch Integration von mathematischen Theorien, Techniken und Methoden mit pragmatischem Software Engineering 27

28 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! LMU Wissenschaftliche Weiterbildung für Informatiker Web Services und Service Oriented Computing: Anwendungsgebiete, Konzepte und Implementierung. 26. Februar 2008, 17:00 Uhr Entwicklung von Rich-Client-Anwendungen auf Eclipse-Basis: Einführung, Entwicklung und fortgeschrittene Techniken. 08. April 2008, 17:00 Uhr 28

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