Umfassendes Architekturmodell Durchgängige Modellierung verschiedener Aspekte eines Systems. Alexander Harhurin, Judith Thyssen

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1 Umfassendes Architekturmodell Durchgängige Modellierung verschiedener Aspekte eines Systems Alexander Harhurin, Judith Thyssen

2 Agenda Einführung: Architekturmodell Nutzungsperspektive Logische Perspektive Technische Perspektive Geometrische Perspektive Übergänge zwischen Perspektiven Zusammenfassung 2

3 Einführung: Architekturmodell

4 Von isolierten Lösungen zu einem durchgängigen Einsatz von Modellen Situation Today Ideal Situation High Abstraction High Abstraction Our mission Low Abstraction Low Abstraction Domain agnostic Domain appropriate Domain agnostic Domain appropriate Systematik an Abstrakationsebenen/Architekturmodell als Leitfaden für einen durchgängigen Entwicklungsprozess 4

5 Abstraktionsebenen-Systematik Zielsetzung Zielsetzung: Bereitstellung einer grundlegende Systematik für einen durchgängigen Entwicklungsprozess, die es erlaubt unterschiedliche Aspekte des zu entwickelnde System klar voneinander getrennt zu modellieren und organisatorische Strukturen (Zulieferer/Integratoren-Beziehungen) abzubilden. Geplantes Vorgehen: 1. Bereitstellung & Diskussion einer grundlegenden Systematik 2. Bereitstellung von fachliche Metamodelle, d.h. domänenübergreifende Kern-Modellierungskonzepte für einzelnen Ebenen 3. Exemplarische domänen-spezifische Ausprägungen 4. Prototypische Umsetzung in AF3 5

6 Software Development Perspectives Akademisches Vorgehen: User Functionality Logical Architectuer Technical Architecture Refinement Deployment Low details High details 6

7 Probleme Ein umfangreiches System (Auto, Flugzeug) aus der Black-Box- Sicht zu beschreiben ist unmöglich Man geht in der Praxis nicht strikt Top-Down vor: Bestimmte Teilsysteme existieren bereits HW-Topologie ist oft vorgegeben Ein größeres System wird zunächst nicht formal sondern aus Erfahrung in Teilsysteme unterteilt (Flugzeug besteht aus Flügen, Cockpit, Kabine, etc.) Lösungsvorschlag: Zweidimensionale Systembeschreibung 7

8 Abstraktionsebenen-Systematik 8

9 Zwei Dimensionen der Matrix 1. Dimension: SW-Development Perspectives Getrennte Modellierung unterschiedlicher Aspekte des Systems Komplexitätsreduktion Von abstrakten Funktionshierarchien bis zum deployten System inkl. Geometrischer Anordnung 2. Dimension: Decomposition Layers Schrittweise Dekomposition und Modellierung des Gesamtsystems Erlaubt Abbildung organisatorischer Strukturen (arbeitsteiligen Prozess mit Zulieferen/Integrator-Beziehung) 9

10 Dekompositionsebenen Merkmale: Schrittweise Dekomposition des Gesamtsystems in Subsysteme; Relativer Systembegriff: Systemgrenze wechselt bei Übergang zwischen Dekompositionsebenen Gesamtfahrzeug Sensorik Steuerung Aktuatoren Subsystem bei Integrator = System bei Zulieferer Dekompositonsebenen nicht a priori vorgegeben, sondern abhängig von Domäne, Unternehmen, konkreten Entwicklungsgegenstand Ziele: Unterstützt arbeitsteiligen Prozess, bei dem Teilsysteme von Zulieferern entwickelt werden; Ermöglicht Zickzack-Vorgehen: Anforderungen an das ganze System Erste logische Architektur Anforderungen an einzelne Teilsysteme Zerlegung der Teilsysteme in Komponenten 10

11 Dekompositionsebenen 11

12 Nutzungsperspektive (Funktionale Architektur)

13 Ziele Modellierung des Systemverhaltens aus Sicht der Nutzer des Systems (Blackbox-Sicht) Nutzer: menschliche Nutzer, umliegende Systeme, Sensorik/Aktorik, Definition der Systemgrenze syntaktisches Interface, abstrakter Informationsaustausch Hierarchische Strukturierung der Gesamtfunktionalität aus Sicht der System-Nutzer Formalisierung der funktionalen Anforderungen Bindeglied zwischen RE und Design Konsolidierung der funktionalen Anforderungen durch formale Spezifikation und Analyse Erkennen und Modellieren von funktionalen Abhängigkeiten (Feature Interaction) 13

14 Inhalt Funktionale Spezifikation ist eine Menge einzelner Szenarien; Ein Szenario ist ein zeitlicher Ablauf von Ein- und Ausgabeereignissen; Black-Box-Sicht: Szenarien sind an der Systemgrenze sichtbar; Adressierte Fragenstellungen: Validierung: Entsprechen Szenarien den Anforderungen? Konsistenzprüfung: Gibt es Widersprüche in Anforderungen? Feature Interaction: Alle Wechselwirkungen berücksichtigt? Umgebung System Umgebung 14

15 Funktionshierarchie Funktionshierarchie besteht aus Atomaren Funktionen Kombinierten Funktionen Querbeziehungen B A C Kombinierte Funktion D E F G Atomare Funktion H K L M Querbeziehung 15

16 Funktion Formalisiert ein Szenario; Gegeben durch eine syntaktische Schnittstelle und eine (partielle) Abbildung von Eingaben auf Ausgaben m i1,1 m i1,2 m i1,3 m i2,1 m i2,2 m i2,3 i1 i 2 Funktion o 1 m o1,1 m o1,2 m o1,3 m o2,1 m o2,2 m o2,3 m i3,1 m i3,2 m i3,3 o 2 i 3 16

17 Funktion (2) Mögliche Notationstechniken: I/O Automaten; I/O Tabellen; Sequenzdiagramme Env Sys cspeed?x/minstr! cspeed?x/minstr!p(y,z) idle active cdistance?z/minstr! rdistance?y/minstr!p(y,z) 17

18 Funktionskombination Parallele Komposition aller atomaren Funktionen; Unter Berücksichtigung von Querbeziehungen. Querbeziehungen sind domänenspezifisch; Beispiele: Priorität: Ein Interaktionsmuster hat Vorrang vor dem anderen; Reihenfolge: Ein Interaktionsmuster muss vor dem anderen ausgeführt werden; XOR: Entweder eine oder die andere Funktion etc. 18

19 Metamodell 19

20 Beispiel:ACC Tempomat ACCsteuerung Abstandsregelung Tempomat/G Tempomat/K Abstand Stop&Go Abstand/G Abstand/K 20

21 ACC: Funktionshierarchie 21

22 ACC: Funktionskombination 22

23 ACC: Funktionsspezifikation 23

24 Vorteile einer formalen Spezifikation Anforderungsmodell ist simulierbar validierbar; Automatisch analysierbar konsistent (widerspruchfrei); Generierung von Testfällen; Formale Basis für den Übergang zum Design: Mapping; Traceability; Verifikation; Formal aber handhabbar wegen Abstraktion von allen technischen Details. 24

25 Logische Perspektive

26 Inhalt Übergang von der Problemdomäne zu der Lösungsdomäne White-Box-Sicht: die interne Struktur des Systems High-Level-Design: erster Schritt Richtung der Implementierung Struktur der Funktionalität unter Berücksichtigung von: Qualitätsmerkmalen (wie z.b. Modifizierbarkeit, Verfügbarkeit, Sicherheit, Testbarkeit, etc.) Vorhandene HW-Topologie Organisationsstruktur Erfahrung etc. 26

27 Netzwerk von Komponenten Communication Network Sender Medium Receiver Medium Network Manager Besteht aus einer Familie von Komponenten, die über Kanäle untereinander und mit ihrer Umgebung verbunden sind. Gegeben durch eine syntaktische Schnittstelle und eine totale Abbildung von Eingaben auf Ausgaben Meist etablierte Notationstechnik: Komponentendiagramme und I/O Automaten 27

28 Modellierungstool AutoFocus Struktur Daten Verhalten weitere Informationen unter 28

29 ACC 29

30 ACC (2) 30

31 Component Hierarchy of ACC ACC System ACC PCS ACC Core ACC On Off Condition ConstantSpeed FollowUp ACC Core Condition DesiredSpeed SpeedControl DesiredDistance DistanceControl 31

32 Beitrag zur durchgängigen Entwicklung Wiederverwendung: Teilsysteme Bibliotheken Bibliotheken Teilsysteme Restrukturierung gemäß Qualitätsmerkmalen Traceability: Funktionale Anforderungen Funktionen logische Komponenten Code-Generierung Deployment: logische Komponenten auf ECUs. 32

33 Technische Perspektive

34 Technische Architektur Beschreibung der Zielplattform, d.h. der HW-Topologie und der Hauptcharakteristika der HW-Elemente Beschreibung der Sensorik, Aktorik und HMI Überprüfung von Echtzeiteigenschaften unter Berücksichtigung der Zielplattform 34

35 ACC 35

36 ACC: Deployment 36

37 Generated Code 37

38 Geometrische Perspektive

39 Geometrische Perspektive Geometrische Anordnung der HW-Komponenten Überprüfung geometrischer Eigenschaften, z.b. sind redundant ausgelegte Funktionen mindestens x Meter voneinander entfernt Für ZP-AP 1 steht die geometrische Sicht nicht im Vordergrund 39

40 Übergange zwischen Perspektiven

41 Zwei Dimensionen der Beschreibung 41

42 Übergänge Nutzungsperspektive Logische Perspektive N:1-Abbildung ist einfach N:M-Abbildung: laufende Arbeit Logische Perspektive Technische Perspektive Deployment Component Deployment (N:1-Abbildung der atomaren Komponenten) Port Deployment Code-Generierung Technische Architektur ist Architekturtreiber der Logischen Architektur Technische Perspektive Geometrische Perspektive: Deployment Geometrische Architektur ist ein Architekturtreiber der Logischen Architektur. 42

43 Zickzack-Vorgehen 43

44 Offene Fragen Wie werden Funktionen auf Komponenten abgebildet? n:1 n:m Wie werden Querbeziehungen abgebildet? 44

45 Analyse der Modelle

46 Formal Verification Model Checking Properties for AutoFocus model Export to SMV Model Checker 46

47 Formal Specification Example Properties OnOffArbiter Termination on brake (116) Absence of the check whether driver brakes in a transition No non-zero acceleration when inactive: CoreArbiter Constant-Speed-Control Condition (122) 47

48 ACC: Model Checking Results for the logical architecture of the ACC Approximately 20 properties formalised Three properties falsified and corresponding faults found All other properties proven correct 48

49 Test Case Generation and Execution Requirements differences in behavior? SUT build apply to model of SUT test case specification Test Case Generator abstract test cases Test Driver executable test cases 49

50 Tests from the Test Model Real functional tests faults which already reside in the implementation model different views on requirements Test model independently developed More abstract manual Requirements manual Implementation Model Test Model generate generate Code dv = vs v; if (dv < 0) { decr();... test Test Cases Env SUT 50

51 Random Tests with Usage Profile New enhancement to our AutoFOCUS Test Generation Tool Individual Settings for every input port probability of NoVal probability distribution of values probability of value change 51

52 ACC: Testing Results Generated 120 test cases each from system and test model: Generation takes only a few seconds in approx. 80% of test steps no error could be identified 3 differences between test model and system model identified (potential faults) 1 issue in test driver detected Most test cases reached one of these failure states after some time 52

53 Summary: Verification Different kinds of errors were found: Testing: Several gaps in the specification identified Increased stability and robustness of the system Model Checking: Mainly implementation faults identified A precise definition of the requirements and the system is key to an efficient verification! 53

54 Zusammenfassung

55 Von isolierten Lösungen zu einem durchgängigen Einsatz von Modellen Situation Today Ideal Situation High Abstraction High Abstraction Our mission Low Abstraction Low Abstraction Domain agnostic Domain appropriate Domain agnostic Domain appropriate Systematik an Abstrakationsebenen als Framework für einen durchgängigen Entwicklungsprozess 55

56 Model Engineering Environmentr develop and analyze Tooling Environment processes Model Repository support Holistic Architectural Model Architecture Views part of Product Model materialize refers to based on based on based on Method Definition Semantic Domain Comprehensive Modeling Theory 56

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