Integration von Model-Driven Development und formaler Verfikation in den Softwareentwicklungsprozess

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1 Integration von Model-Driven Development und formaler Verfikation in den Softwareentwicklungsprozess Eine Fallstudie mit einem 3D-Tracking-System Dipl.-Inform. Christian Ammann Fachhochschule Osnabrück Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Informatik Inhalt 1 assycontrol 2 MDSD 3 Verifikation von UML-Statecharts 4 Fallstudie 5 Fazit Christian Ammann - FH Osnabrück 2 / 23

2 Einleitung 3D-Tracking System entwickelt von der soft2tec GmbH für die Otto Kind AG. Überwacht Handmontage und meldet Fehler. Christian Ammann - FH Osnabrück 3 / 23 Funktionsweise Werkbank Achsen Pos1 Reifen Pos2 Workspace Christian Ammann - FH Osnabrück 4 / 23

3 Problem - Schichtwechsel verändert Arbeitsplatz Werkbank Reifen getauscht Pos1 Achsen Pos2 Workspace Christian Ammann - FH Osnabrück 5 / 23 MDSD Ansatz Modelle Eingabe Generatoren und Interpreter erzeugt Software Christian Ammann - FH Osnabrück 6 / 23

4 MDSD mit Model Checker Modelle und Spezifikationen Eingabe Generatoren und Interpreter erzeugt erzeugt Model Checker Eingabesprache Software Christian Ammann - FH Osnabrück 7 / 23 Vorteil von MDSD mit Model Checker Ausgabe: Modell korrekt ja/nein? Model Checker Modelle und Spezifikationen Eingabe Generatoren und Interpreter Eingabe Model Checker Eingabesprache erzeugt Christian Ammann - FH Osnabrück 8 / 23

5 Modellierung von assycontrol als DSL component{name=axis} component{name=tire} recipe{ axis, tire, tire } position{name=box1} position{name=work1 start=1} position{name=box2} Christian Ammann - FH Osnabrück 9 / 23 Modellierung von assycontrol als DSL component{name=axis} component{name=tire} recipe{ axis, tire, tire } position{name=box1} position{name=work1 start=1} position{name=box2} Christian Ammann - FH Osnabrück 9 / 23

6 Modellierung von assycontrol als DSL component{name=axis} component{name=tire} recipe{ axis, tire, tire } position{name=box1} position{name=work1 start=1} position{name=box2} Christian Ammann - FH Osnabrück 9 / 23 Vorgehen DSL wird in ein Klassendiagramm überführt. DSL wird in eine Promela-Beschreibung überführt. DSL bildet nur strukturelle Aspekte ab. Fehler auf Verhaltensebene können nicht durch anpassen des Modells repariert werden. Christian Ammann - FH Osnabrück 10 / 23

7 Java Pathfinder Verifikation von Java-Anwendungen. Früher: Übersetzung von Java-Sourcecode nach Promela. Heute: Verifikation von Java-Bytecode. Verifiziert unveränderte Java-Applikationen und speziell für den JPF angepasste Modelle. Besitzt UML-Statechart-Extension. Christian Ammann - FH Osnabrück 11 / 23 Hugo Übersetzt UML-Statecharts nach Java. Übersetzt UML-Statecharts nach Promela. Vorteil: Übersetzung von UML-Statecharts gut erforscht und Forschungsergebnisse werden von Hugo umgesetzt. Verschiede Eingabeformate. Christian Ammann - FH Osnabrück 12 / 23

8 Open ArchitectureWare Framework für modellgetriebene Software Entwicklung. Erlaubt das Erzeugen von Codegeneratoren. Früher eigenständig, jetzt in das Eclipse Modeling Framework integriert. Xtext: Erlaubt das Erstellen von Grammatiken für eine DSL. Xpand: Übersetzt eine DSL in eine andere Sprache. Christian Ammann - FH Osnabrück 13 / 23 Fallstudie - assycontrol Erweiterung read p = userinput();!shutdown shutdown cmpstack(grasp, ngrasp, noc, noc, noc, noc, noc, noc, noc); cmpstack(pos[p], npos, noc, noc, noc, noc, noc, noc, noc); bak=false; npos=false; ngrasp=false; ngrasp && npos ngrasp! && npos assycontrol ngrasp &&!npos!ngrasp &&!npos atr[p]==finite ngrasp_npos grasp_npos ngrasp_pos grasp_pos get_next_in_recipe composite state bak ngrasp_npos_1 pushstack(pos[p], grasp); atr[p] = unfinite; atr[p]==unfinite grasp_npos entry atr[p] = finite; pushstack(atr[p],grasp); clearstack(grasp, noc); atr[p]==finite system_error shutdown=true; atr[p]==unfinite atr[p]==finite atr[p]==unknown!bak atr[p]==unfinite cmp_next_in_recipe composite state ngrasp_pos_1 pushstack(grasp, pos[p]); clearstack(pos[p], noc);!bak user_error shutdown=true; bak!bak bak success shutdown=true; pushstack(pos[p], grasp); clearstack(grasp, noc); bak=false; grasp_pos_1 cmp(pos[p], bak, achse, reifen, noc, noc, noc, noc, noc); cmp(pos[p], bak, reifen, achse, noc, noc, noc, noc, noc);... bak grasp_pos_1 bak=false; cmp(pos[p], bak, achse, reifen, reifen, achse, reifen, reifen, cockpit);...!bak Christian Ammann - FH Osnabrück 14 / 23

9 Probleme: JPF Kompletter Zustandsraum konnte nicht abgesucht werden. Verglichen mit SPIN sehr hohe Laufzeit. UML-Statechart-Extension nicht ausreichend dokumentiert. Gebunden an die Java-Platform. Christian Ammann - FH Osnabrück 15 / 23 Probleme: Hugo und oaw Kompletter Zustandsraum konnte nicht abgesucht werden. Sehr viele Artefakte im automatisch generierten Promela-Code. Nicht optimiert durch einfügen von beispielsweise d step Instruktionen. Spin unterstützt keine Symmetrie. Spin unterstützt keine abstrakten Datentypen wie zum Beispiel Stack. Christian Ammann - FH Osnabrück 16 / 23

10 Optimierung 1: Zusammenfassen von Zuständen Promela SPIN Verifier example: a=7*x; b=4/y; c=true; Christian Ammann - FH Osnabrück 17 / 23 Optimierung 1: Zusammenfassen von Zuständen Promela SPIN Verifier example: d_step{ a=7*x; b=4/y; c=true; } Christian Ammann - FH Osnabrück 18 / 23

11 Optimierung 2: Hilfsvariablen Hilfsvariablen nicht relevant für den Zustandsvektor. Möglichkeit 1: Deklarieren als hidden in einem d step Block. Möglichkeit 2: Zurücksetzen nach Verlassen eines d step Blocks. Christian Ammann - FH Osnabrück 19 / 23 von Hand optimierte assycontrol Erweiterung read p = userinput();!shutdown shutdown assycontrol cmpstack(grasp, ngrasp, noc, noc, noc, noc, noc, noc, noc); cmpstack(pos[p], npos, noc, noc, noc, noc, noc, noc, noc); exit: bak=false; npos=false; ngrasp=false Christian Ammann - FH Osnabrück 20 / 23

12 Zusammenfassung Verknüpfung von MDSD und formaler Verifikation. Modelle: UML-Statecharts Model Checker: SPIN Bestehende Tools: JPF, oaw und Hugo Fallstudie: 3D-Tracking System Christian Ammann - FH Osnabrück 21 / 23 Fazit und Ausblick Keine der bestehenden Lösungen konnte Zustandsraum komplett absuchen. Optimierungen von Hand notwendig. Untersuchung: SPIN erweitern für Symmetrie (Scalarset variables). Automatische Optimierung von UML-Statecharts im Hinblick auf die Erkennung von Hilfsvariablen und d dstep Instruktionen. Christian Ammann - FH Osnabrück 22 / 23

13 Ende Fragen? Christian Ammann - FH Osnabrück 23 / 23

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