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1 AUSGABE ISSUE 3/2013 DE EN PROVE IT SCCH MAGAZINE Software Innovation durch formale Methoden Software innovation via formal methods Rigorose Methoden für Medizinsoftware Rigorous methods for programmable electrical medical systems Sherlock Der Detektiv für Tester Sherlock, a detective for testers Eventplaner für die Hosentasche Mobile event guide SCCH SOFTWARE COMPETENCE CENTER HAGENBERG GMBH s c c h software competence center hagenberg

2 IMPRESSUM Medieninhaber, Herausgeber, Verleger: Software Competence Center Hagenberg GmbH Softwarepark 21, 4232 Hagenberg, Austria Tel.: office scch.at Für den Inhalt verantwortlich: Dr. Klaus Pirklbauer, Geschäftsführer Redaktion: Mag. Martina Höller, Science Communication Bilder, Grafiken: SCCH Andere Bildquellen S. 6, 7: Metasonic AG S. 9: DEXA (www.dexa.org) S. 9: Praguewelcome (www.praguewelcome.cz/de) S. 13: Industriellenvereinigung Österreich/Bilderdatenbank S. 19, 20, 21: OMICRON electronics S. 22, 23: Evntogram Labs GmbH S. 24: Rock am Ring (www.rock-am-ring.com) S. 16, 27 und Coverbild: istockphoto Druck: oha-druck, Traun ISSN SCCH MAGAZINE 3/2013

3 SCCH SOFTWARE COMPETENCE CENTER HAGENBERG DIE FEHLER AN DER WURZEL PACKEN TACKLE ERRORS AT THEIR ROOTS DE EN Die Verwendung von Software in immer mehr Anwendungen unseres täglichen Lebens bedeutet auch, dass Fehler in der Software immer größere Auswirkungen haben. Die steigende Bedeutung von Software erfordert auch neue Ansätze, um die richtige Funktion der Anwendungen sicherzustellen. Während seit Jahrzehnten formale Methoden in besonders kritischen Anwendungen eingesetzt werden, wurden bisher solche Methoden nicht für die breitere Anwendung in der Softwareentwicklung verwendet. Rigorose Methoden sind eine pragmatische Weiterentwicklung dieser Methoden, die den Formalisierungsgrad je nach Bedarf anpassen können und damit leichter einsetzbar sind ohne ihren Nutzen zu verlieren. Aus diesem Grund hat das Software Competence Center Hagenberg den Forschungsschwerpunkt Rigorous Methods in Software Engineering (RSE) gegründet. Die Aufgabe ist die Vereinfachung der Methoden und die Unterstützung durch Werkzeuge, um dem Ziel einer breiteren Verwendung in der Softwareentwicklung näher zu kommen. Die Expertise von RSE hilft den Unternehmen bei der Auswahl der passenden Methoden sowie deren richtiger und nutzbringender Verwendung. Der frühe Einsatz von rigorosen Methoden in der Entwicklung hilft, mögliche Fehler an der Wurzel zu packen, und dient auch als Schnittstelle für andere Ansätze zur Verbesserung der Softwarequalität, wie z.b. dem modellbasierten Testen. Eine rigorose Spezifikation kann im gesamten Softwareentwicklungszyklus für die Prüfung der Anforderungserfüllung verwendet werden. In zwei Praxisbeispielen zeigen wir, wie formale Entwicklungsmethoden die Qualität der produzierten Software steigern konnten. Das RSE-Team/ The RSE-Team Software has moved into ever more applications in our daily lives. This also means that faults in software have ever more widespread consequences. The rising importance of software also demands new approaches in order to assure proper functioning of applications. While formal methods have been used for decades in particularly critical applications, such methods have not found their way into the broader field of applications in software development. Rigorous methods represent a pragmatic enhancement of formal methods where the degree of formalization can be adapted as needed, thus making them easier to use without compromising their benefits. For this reason, Software Competence Center Hagenberg has established the research focus Rigorous Methods in Software Engineering (RSE). The task of this focus is to simplify these methods and to support developers using them with tools in order to approach the goal of broader use of rigorous methods in software development. RSE expertise helps enterprises in selecting appropriate methods and in using them correctly and beneficially. The early use of rigorous methods in development helps to catch errors at their roots and also serves as an interface for other approaches for improving software quality, e.g., model-based testing. A rigorous specification can be used throughout the entire software development cycle for testing the fulfillment of requirements. In two examples from practice, we show how formal development methods have improved the quality of the produced software. 3 SCCH MAGAZINE 3/2013

4 SCCH SOFTWARE COMPETENCE CENTER HAGENBERG SOFTWARE INNOVATION DURCH FORMALE METHODEN SOFTWARE INNOVATION VIA FORMAL METHODS DE EN Formale Softwareentwicklungsmethoden werden von Praktikern gerne belächelt. Es gibt durchaus einige erfolgreiche Beispiele für den praktischen Einsatz formaler Methoden, allerdings beschränken sich diese meist auf kritische Anwendungen, wie z.b. Zugsteuerungen. In die sogenannte 08/15 Softwareentwicklung haben formale Methoden noch wenig Eingang gefunden, obwohl sie auch hier helfen können, meint Dr. Albert Fleischmann, Gründer der Metasonic AG. Allerdings empfiehlt er den Formalismus vor dem Anwendungsprogrammierer, dessen Know-how in der Anwendungsdomäne liegt, zu verbergen. So muss ein Autofahrer ja auch nicht die Thermodynamik von Verbrennungsmotoren kennen. In diesem Beitrag soll beschrieben werden, wie Geschäftsprozessmodelle und formale Methoden auf diese Weise zusammenfinden können. Practitioners like to ridicule formal software development methods, which they say have been promoted for decades with little practical benefit to show. Certainly there are some successful examples of practical application, but these are restricted to critical applications such as railway controls. Formal methods have not penetrated everyday software development, although I am convinced that formal methods can help there too, says Dr. Albert Fleischmann, founder of Metasonic AG. However, he recommends hiding the formalism from the application programmer, whose know-how is in the application domain, just as an automobile driver needs not understand the thermodynamics of internal combustion engines. Here we seek to explain how the application domain of process management and formal methods can find common ground. Dr. Klaus-Dieter Schewe und Dr. Albert Fleischmann bei einem Workshop im Schloss Dagstuhl / Dr. Klaus-Dieter Schewe and Dr. Albert Fleischmann at a workshop in Dagstuhl Castle 4 SCCH MAGAZINE 3/2013

5 COVER STORY Moderne Geschäftsprozesse sind häufig unternehmensübergreifend, ohne eine zentrale Instanz, die den Ablauf der Prozesse kontrolliert. Zur genauen Abstimmung der Prozesse müssen die beteiligten Organisationen Nachrichten austauschen. Unternehmensübergreifende Prozesse müssen daher nachrichtenorientiert spezifiziert werden, wofür Metasonic die Methode des Subject-Oriented Business Process Management (S-BPM) entwickelt hat. S-BPM verwendet nur wenige Grundkonstrukte für die beteiligten Rollen im Prozess, die Subjekte, die diese Rollen ausüben und die zwischen den Subjekten ausgetauschten Nachrichten. Zur Beschreibung des Verhaltens von Subjekten werden lediglich Aktionen zum Senden und Empfangen von Nachrichten, sowie interne Aktionen, die den Zustand verändern, spezifiziert. Der Ausgangspunkt der Entwicklung von S-BPM war der in den achtziger Jahren von Robert Milner entwickelte Kalkül für kommunizierende Systeme (Calculus of Communicating Systems, CCS). Aus praktischen Gründen wurde CCS durch verschiedene weitere Konzepte wie Input Pools und interne Aktionen erweitert. Die Input Pools dienen der Synchronisation eingehender Nachrichten. Durch die Erweiterungen muss die auf CCS beruhende Semantik adaptiert werden, wobei Versuche, diese mit Petrinetzen oder Hilfsprozessen zu definieren, nicht erfolgreich waren. Es wurde zwar ein S-BPM-Workflowsystem implementiert, allerdings war man sich nicht sicher, ob die Bedeutung der einzelnen Sprachkonstrukte zweifelsfrei erfasst wurde, um z.b. mehrere Workflowsysteme, auf denen Teilprozesse abliefen, verknüpfen zu können. Durch einen Zufall stießen wir auf die Abstract State Machines (ASM), die von Yuri Gurevich und Egon Börger entwickelt wurden. Wir entschieden uns, die Semantik von S-BPM mit Hilfe einer ASM zu definieren. Unter der Federführung von Herrn Börger konnte innerhalb von drei Monaten eine vollständige Beschreibung der S-BPM Seman- Business processes often cross enterprise boundaries; i.e., there is no central authority that controls the process flow. For process coordination, participating organizations exchange messages. Such transcending processes are defined in message-oriented terms, which is why Metasonic developed Subject-Oriented Business Process Management (S-BPM). S-BPM employs few basic constructs: there are symbols for the roles involved in the process, for the subjects and for the exchanged messages; to describe the behavior of subjects, S-BPM has symbols for sending and receiving messages and for internal actions that produce state changes. The starting point for the development of S-BPM was the Calculus of Communicating Systems (CCS) developed in the 1980s by Robert Milner. However, for practical reasons, CCS was complemented by various other concepts such as Input Pools and by internal actions. Input Pools serve to synchronize incoming messages. Such extensions mandated the adaptation of CCS semantics, whereby attempts to define the semantics with Petri networks or auxiliary processes failed. Although an S-BPM workflow system was implemented, there was uncertainty about the unambiguity of meaning of individual language constructs, e.g., in order to link multiple workflow systems where the respective subprocesses ran. Then we happened to discover Abstract State Machines (ASMs), developed by Yuri Gurevich and Egon Börger. We decided to 5 SCCH MAGAZINE 3/2013

6 SCCH SOFTWARE COMPETENCE CENTER HAGENBERG Geschäftsprozesse zum Anfassen mit Metasonic Touch / Business processes that you can touch with Metasonic Touch tik erstellt werden, berichtet Fleischmann. Diese Beschreibung ist unkommentiert nur acht DIN-A4 Seiten lang und für Entwickler gut verständlich. Mit ihr wurden Unklarheiten in der vorherigen S-BPM- Definition beseitigt. Die ausführlich kommentierte Semantikbeschreibung umfasst ca. 35 Seiten. Damit hatte die Firma Metasonic als Anbieter von S-BPMbasierten Werkzeugen eine solide technische Basis für die weiteren Entwicklungen. An der Simon Fraser University in Vancouver wurde zudem eine Software namens CoreASM entwickelt, die es erlaubt, ASM Beschreibungen auszuführen. CoreASM wird am Institut für Communication Engineering an der Johannes Kepler Universität zum Bau einer S-BPMN basierten Worfklow-Engine benutzt, mit deren Hilfe mit Prozessbeschreibungen experimentiert werden kann. Prozessbeschreibungen, die mit dem define the semantics of S-BPM as an ASM. Under the leadership of Börger, a complete description of S-BPM semantics was created within three months, reports Fleischmann. Without comments, this description is only eight DIN-A4 pages long and quite understandable for developers; it resolved the ambiguities of the previous S-BPM definition. The detailed commented semantics description encompasses about 35 pages. This gave Metasonic, a provider of S-BPM based tools, a solid technical basis for continued development. Simon Fraser University in Vancouver developed CoreASM, which enables the execution of ASM descriptions. The Institute for Communications Engineering at Johannes Kepler University Linz used CoreASM to build a workflow engine that permits experimentation with process descriptions. Process descriptions created with the graphic editor of the Metasonic product suite 6 SCCH MAGAZINE 3/2013

7 COVER STORY grafischen Editor der Metasonic Produktsuite erstellt wurden, können inzwischen auf der CoreASM basierten S-BPM Workflow Engine ablaufen. Damit gibt es eine präzise ausführbare Referenz für S-BPM-Systeme. Das eingangs genannte Ziel, eine formale Methode wie die ASMs in die Entwicklung von Geschäftsprozessen zu integrieren wurde hierdurch umgesetzt, wobei ein Anwender, der seinen Prozess nur mit den grafischen Symbolen von S-BPM beschreibt, nicht sieht, dass er damit eine formale Spezifikation benutzt. now run on the CoreASM-based S-BPM workflow engine. This provides a precise, executable reference for S-BPM systems. This also realizes the goal of integrating formal methodologies such as ASMs into the development of business processes, and a user who describes a process with the S-BPM graphic symbols does not notice that he is using a formal system. BPM-Software von Metasonic / BPM software from Metasonic Die Metasonic AG beschäftigt über 70 Mitarbeiter und hat ihren Sitzt in Pfaffenhofen bei München / With headquarters in Pfaffenhofen near Munich, Metasonic AG employs over 70 people 7 SCCH MAGAZINE 3/2013

8 SCCH SOFTWARE COMPETENCE CENTER HAGENBERG GUT VERTRETEN IN PRAG WELL REPRESENTED IN PRAG DE EN Mit gleich fünf Referenten war das Software Competence Center Hagenberg (SCCH) bei der DEXA 2013 (International Conference on Database and Expert Systems Applications) in Prag vertreten. Die DEXA ist eine jährlich stattfindende Konferenz im Bereich Datenbanken, Informations- und Wissenssysteme. Dr. Bernhard Freudenthaler leitete den Workshop ISSASiM (3. DEXA Workshop on Information Systems for Situation Awareness and Situation Management). Situation Management ist eine relativ neue Disziplin, die durch die Bereiche Sensor-Netzwerke, Event-Management und Situation-Awareness getrieben wird. Dabei soll eine semantisch korrekte Sicht auf zu überwachende Bereiche oder Objekte in unterschiedlichen Domänen echtzeitnah ermöglicht werden. Das Einsatzgebiet reicht vom Sicherheits- bis hin zum Katastrophenschutz. Zum Beispiel ermöglichen dynamische Workflows den Entscheidungsträgern und Einsatzleitern, richtig mit einer (Gefahren-) Situation umzugehen. Durch den Einsatz dynamischer Workflows kann der Ablauf eines Katastrophenfalls an sich ändernde Bedingungen halbautomatisch angepasst werden. In diesem Forschungsbereich haben wir das Projekt I NDYCO gestartet, bei dem es um das Erkennen aktueller Situationen und die Anpassung an Änderungen in Katastrophenfällen geht, erklärt Freudenthaler. Im Workshop Cloud Computing, Models and Services (CMS) von Dr. Thomas Ziebermayr standen die Themen Cloud Computing, Service Computing, Business Process Modeling und konzeptuelle Modellierung im Mittelpunkt. Außerdem wurden in Prag zwei wissenschaftliche Publikationen vorgestellt. Das Kernthema Modeling User Behavior through Electricity Consumption Patterns von Jorge Martinez-Gil, Bernhard Freudenthaler und Thomas Natschläger ist die Reduktion des Energieverbrauchs in Gebäuden aller Art. Energiekosten sollen reduziert Software Competence Center Hagenberg (SCCH) was well represented by five speakers at DEXA 2013 (International Conference on Database and Expert Systems Applications) in Prague. Dr. Bernhard Freudenthaler led the workshop IS- SASiM (3rd DEXA Workshop on Information Systems for Situation Awareness and Situation Management). Situation management is a relatively new discipline driven by sensor networks, event management and situation awareness. The idea is to enable a real-time, semantically correct view of the area or objects to be monitored, in various domains. Application domains extend from security protection to disaster protection. For example, dynamic workflows enable decision makers and incident commanders to properly handle a (danger) situation. The use of dynamic workflows enables semi-automatic adaptation to changing conditions on the part of the workflow in a disaster situation. In this research area we started the project INDYCO, which involves the detection of current situations and adaptation to changes in disaster situations, explains Freudenthaler. The workshop Cloud computing, models and services (CMS) by Dr. Thomas Ziebermayr focused 8 SCCH MAGAZINE 3/2013

9 COVER STORY werden, indem unnötiger Energieverbrauch vermieden wird, wobei der Komfort der Bewohner gleich bleiben soll. Durch smarte, intelligente Methoden soll das menschliche Nutzerverhalten berücksichtigt werden. Forscher des SCCH arbeiten an Methoden, welche den Energieverbrauch, vor allem in Einfamilienhäusern, optimieren. Michael Roßbory und Werner Reisner präsentierten Parallelization of Algorithms for Linear Discrete Optimization using ParaPhrase. Um industrielle Prozesse zu optimieren, sind die Produktionsplanung oder die Planung des Einsatzes von Ressourcen sehr wichtig. Gerade wenn Kosten gesenkt und Gewinne gesteigert werden sollen. Dabei benötigt man nicht nur mathematisches Know-how, um die Modelle zu optimieren, sondern auch Programmierkenntnisse, die für die Implementierung in die Unternehmenssoftware nötig sind. Die meisten Optimierungsalgorithmen sind recht rechenintensiv, und die richtige Lösung zu finden, dauert meist lange. Die Parallelisierung reduziert die on the topics of cloud computing, service computing, business process modeling and conceptual modeling. In addition, two scientific papers were presented in Prague. In Modeling user behavior through electricity consumption patterns by Jorge Martinez-Gil, Bernhard Freudenthaler, and Thomas Natschläger, the main topic was the reduction of energy consumption in buildings of all types. The goal is to reduce energy costs by avoiding unnecessary energy consumption, whereby customer comfort should not be adversely affected. Intelligent methods seek to consider the behavior of human users. Researchers at SCCH are therefore developing methods that optimize the energy consumption in single-family homes. Michael Roßbory and Werner Reisner presented Parallelization of algorithms for linear discrete optimization using ParaPhrase. Important factors in the optimization of industrial processes include production planning and resource management Die DEXA fand 2013 in Prag statt / DEXA 2013 was held in Prague 9 SCCH MAGAZINE 3/2013

10 SCCH SOFTWARE COMPETENCE CENTER HAGENBERG Rechenzeit und kann außerdem zu besseren Ergebnissen führen, macht aber dafür die Implementierung oft noch schwieriger. Durch einen am SCCH entwickelten High-Level-Pattern-Based-Ansatz werden diese Herausforderungen behandelt. Eine der drei Keynote-Vorträge auf der diesjährigen DEXA-Konferenz wurde von Klaus-Dieter Schewe, CSO des SCCH, gehalten. Der Titel des Vortrags war Horizontal and Vertical Business Process Model Integration, also eines der Hauptthemen des strategischen Projekts Vertical Model Integration (VMI). especially in times when costs need to be reduced and profits increased. This requires not only mathematical know-how in order to optimize the models, but also programming skills for implementation in the enterprise software. Most optimization algorithms are very computation- and time-intensive. Parallelization reduces computation time and can produce better results, but complicates implementation. These challenges are met by a high-level pattern-based approach developed by SCCH. Die Referenten bei der DEXA/Speakers at DEXA: Dr. Jorge Martinez Gil, BSc. Werner Reisner, Dr. Thomas Ziebermayr, Dr. Bernhard Freudenthaler 10 SCCH MAGAZINE 3/2013

11 COVER STORY Im Vortrag wurden die verschiedenen, notwendigen Teilmodelle bei Geschäftsprozessmodellen in Grundzügen vorgestellt, also die Modelle für Steuerungsfluss, Kommunikationsfluss, Ereignisbehandlung, Daten und Dialoge, Akteure und Ausnahmebehandlung. Dabei lag der Schwerpunkt auf der exakten Beschreibung der Semantik durch Abstrakte Zustandsmaschinen (ASMs) und deren nahtlose (horizontale) Integration in ein konsistentes Gesamtmodell. Genau diese Aspekte der Verständlichkeit und Nachvollziehbarkeit der Spezifikation für den Fachexperten, bei gleichzeitiger Präzision für den IT-Experten, zeichnet die im VMI-Projekt entwickelte Methode H-BPM (Hagenberg Business Process Modelling Method) aus. H-BPM ist damit ein Vorzeigebeispiel für die Verwendung rigoroser Methoden im Software Engineering, bei der Aspekte der Validierung und Verifikation im Mittelpunkt stehen, um verlässliche Softwaresysteme zu schaffen. Vertikale Modellintegration bezieht sich auf die durchgängige Verfeinerung eines Geschäftsprozessmodells durch Verfeinerung der zugrunde liegenden ASMs in Richtung auf eine ausführbare Spezifikation einer Workflow-Maschine. Hierbei verändert sich die Hauptsicht auf ein System von einer unternehmensorientierten zu einer akteurszentrierten Sicht. One of the three invited keynote talks at this year s DEXA conference was held by Klaus-Dieter Schewe, CSO at SCCH. The title of his talk was Horizontal and Vertical Business Process Model Integration, which is one of the main topics of the strategic project Vertical Model Integration (VMI). Schewe outlined the various necessary submodels for business process models: control flow, communication flow, event handling, data and dialogs, actors and exception handling. He emphasized the exact description of the semantics via abstract state machines (ASMs) and their seamless (horizontal) integration into a consistent overall model. The H-BPM method (Hagenberg Business Process Modeling Method) developed in the VMI project focuses on precisely these aspects of understandability of specifications for domain experts with simultaneous precision for IT experts. This makes H-BPM a showcase example for the use of rigorous methods in software engineering with a focus on aspects of validation and verification in order to achieve reliable software systems. Vertical model integration involves consistent refinement of a business process model via refinement of the underlying ASMs toward an executable specification of a workflow machine. Here the primary view of a system migrates from an enterprise-oriented view to an actorcentered view. DR. KLAUS-DIETER SCHEWE Chief Scientific Officer; , 11 SCCH MAGAZINE 3/2013

12 RSE RIGOROUS METHODS IN SOFTWARE ENGINEERING FORMALE METHODEN FÜR DIE INDUSTRIE INTERVIEW: FORMAL METHODS IN INDUSTRY DE EN Software spielt eine wichtige Rolle in der Gestaltung unseres Lebens in der modernen Welt. Manchmal ist diese Rolle offensichtlich, z.b. wenn wir soziale Netzwerke, cloudbasierte Dienste oder Online-Banking-Applikationen nutzen. Doch manchmal bleibt diese Rolle unbemerkt, z.b. wenn wir den öffentlichen Verkehr, medizinische Geräte oder moderne Autos nutzen. Ein empfohlener Weg, die Herausforderungen der Entwicklung und Realisierung solcher Systeme und Software gerecht zu werden, ist die Anwendung formaler Methoden (FMs). FMs bieten Prozesse, Techniken und Werkzeuge, die eine effektive Entwicklung von Systemen und Software ermöglichen, die gewünschte Eigenschaften, wie Zuverlässigkeit, Korrektheit und Sicherheit bieten. Dr. Atif Mashkoor, Key Researcher von Rigorous Methods in Software Engineering (RSE), beantwortet hier einige FAQs, um das Verständnis von FMs zu fördern sowie damit zusammenhängende Mythen und Tatsachen und den Beitrag von RSE zur Öffnung der Industrie gegenüber rigorosen Softwareentwicklungspraktiken aufzuzeigen. Was sind FMs? FMs sind Techniken, Sprachen und Werkzeuge, die auf Mathematik und Logik basieren und dabei helfen, Systeme und Software rigoros zu spezifizieren, zu entwickeln, zu verifizieren und zu validieren. Warum sollten wir FMs einsetzen? Der Anreiz für die Verwendung von FMs liegt in der Eindeutigkeit und Korrektheit der Modelle als auch der Unterstützung von Abstraktionsebenen. Durch die Nutzung von FMs lassen sich besondere Vorteile erzielen: Effektive und eindeutige Anforderungsdefinition für verbesserte Dokumentation und als Basis für Korrektheitsbeweise Verifikation und Validierung des Entwurfs Software is playing a major role in shaping our lives in the modern world. Sometimes this role is apparent, for instance, when we use social networks, cloud-based services, or on-line banking applications. But sometimes this role is unobtrusive, for instance, when we use mass transit systems, medical equipment or our modern cars. One recommended way to address these challenges is to adopt Formal Methods (FMs) for system and software development. FMs provide processes, techniques and tools that enable effective development of various systems and software with coveted traits, such as reliability, correctness and security. Dr. Atif Mashkoor, key researcher in Rigorous Methods in Software Entineering (RSE), will answer some FAQs that help understanding FMs, their associated myths and realities, and RSE s contribution in making the industry amenable to rigorous software development practices. What are FMs? FMs are techniques, languages and tools based on mathematics and logic that help rigorously specify, develop, verify and validate systems and software. Why shall we use FMs? The appeal of using FMs lies within the clearness and rigorous correctness of the models as well as in the support of abstraction levels. The notable benefits that can be reaped by using FMs are: Effective specification of requirements for reasoning and documentation. Verification and validation of design. Beforehand testing of system properties prior to entering the development stage; the use of FMs promotes the philosophy of bug-avoidance instead of bug-fixing, thus, saving major costs. 12 SCCH MAGAZINE 3/2013

13 SCHWERPUNKT FORSCHUNG / FOCUS RESEARCH Industriebetriebe können von formalen Methoden in der Softwareentwicklung profitieren / Industrial enterprises can profit from formal methods in software development Testen von Systemeigenschaften vor Beginn der Entwicklungsphase. Der Einsatz von FMs folgt der Idee Fehlervermeidung statt Fehlerkorrektur, was signifikant Kosten erspart. Hilfe bei der Erreichung von Systemzertifizierungen (Die Rolle von FMs ist in internationalen Normen wie IEC 61508, IEC 62304, IEC 60601, DO-178C und DS explizit erwähnt.) Wie verwendet man FMs in der traditionellen Entwicklung? Das größte Hindernis zur Nutzung von FMs seitens der Fachleute waren Missverständnisse. Oft dachten diese, dass FMs Anspruch auf fehlerfreie Software erheben oder nur auf sicherheitskritische Systeme anwendbar sind. Eigentlich dienen FMs dazu, sicherzustellen, dass Softwarekomponenten gewisse Eigenschaften erfül- FMs can help obtaining systems certifications; the role of FMs is explicitly mentioned in international standards like IEC 61508, IEC 62304, IEC 60601, DO-178C and DS How are FMs used in traditional development? The main reason that halted practitioners from adopting FMs was misconceptions. Practitioners often thought that FMs claim to deliver bug-free software or they are only applicable for safety-critical systems. In fact, FMs are used to ensure that an artifact meets certain properties. In addition, they also help figuring it out very early that the system we are developing is the right one. FMs are applicable to assert the correctness of an artifact, be it a part of a safety-critical system or a simple workflow application. Today, the use of FMs is widespread, for example, they are being used by Bosch 13 SCCH MAGAZINE 3/2013

14 RSE RIGOROUS METHODS IN SOFTWARE ENGINEERING Forschen an formalen Methoden/ Researching formal methods: Dr. Verena Geist, DI (FH) Felix Kossak, Dr. Atif Mashkoor, DI (FH) Christa Illibauer, Dr. Thomas Ziebermayr len. Des Weiteren unterstützen FMs Fachleute darin frühzeitig festzustellen, ob das System, an dem gerade entwicket wird, das richtige ist. FMs dienen dazu, die Korrektheit einer Komponente festzustellen, egal ob sie Teil eines sicherheitskritischen Systems ist, oder eine einfache Workflow-Anwendung. Bereits heute werden FMs schon umfassend eingesetzt, z.b. bei Bosch im Automobilbereich, bei SAP in betrieblichen Informationssystemen, bei STMicroelectronics beim Entwurf von Chips und bei Siemens für Transportsysteme. Wie funktionieren FMs? Jede Entwicklung in einem formalen Paradigma beginnt mit der Modellierung des Problems in einem mathematischen/logischen Rahmen. Der darauf aufbauende Prozess der Sicherstellung der rigorosen Korrektheit (z.b. Beweis, Modell-Kontrolle und Animation) kann Fehler in Anforderungsdefinitionen und Spezifikationen verhindern. in automotive domain, by SAP in business information systems, STMicroelectronics in chip design, and by Siemens in transportation systems. How do FMs work? Any development carried out in a formal paradigm starts with the modeling of the problem in a mathematical/logical framework. The associated process of securing the rigorous correctness (e.g., proving, modelchecking and animation) can prevent requirements and specifications errors. There are many FMs available in the market, which one is better? The choice of a FM depends upon several parameters, e.g., the problem domain, complexity, and available expertise. It is always better to seek the guidance from an expert in formal methods who can provide technical consultancy. 14 SCCH MAGAZINE 3/2013

15 SCHWERPUNKT FORSCHUNG / FOCUS RESEARCH Welche FMs am Markt sind die besten? Die Wahl einer FM hängt von mehreren Parametern ab, z.b. dem Anwendungsgebiet, der Komplexität, und der verfügbaren Experten. Es ist immer besser, für die technische Beratung FM-Experten zu engagieren. Wie kann RSE helfen? RSE entwickelt nicht nur Techniken, Methoden und Werkzeuge für die Nutzung der Vorteile von Rigorosen Methoden im praktischen Umfeld. RSE bietet seinen Unternehmenspartnern auch praktische Lösungen und Beratung in Bezug auf ihre spezifischen Probleme und unterstützt sie beim praktischen Einsatz. Bei einer echten Applikation kann es sein, dass nicht alle Aspekte eines Problems die gleiche Behandlung fordern. Manchmal sind traditionelle Entwicklungstechniken adäquat, um ein Problem zu lösen. Manchmal jedoch können rigorose Techniken zusätzliche Vorteile bieten. Es ist sehr wichtig, die richtigen Techniken zu wählen, um ein Problem zu lösen. Techniken sollten aufgrund ihres Wertes und nicht auf Vorurteilen oder Klischees basierend gewählt werden. Oft kann eine Methodologie eingesetzt werden, die auf einer Kombination von mehreren FMs basiert, um ein hochwertiges Produkt zu liefern. Verschiedene Werkzeuge und Methoden sollten miteinander kooperieren, um ein Produkt besserer Qualität zu liefern. Daher strebt RSE die Entwicklung einer breit gefächerten Plattform an, die mehreren FMs, Prozessen und Techniken die Kooperation in einer integrierten und homogenen Umgebung ermöglicht. How RSE can help? RSE not only develops techniques, methodologies and tools that address the scientific issues at research level but also offers practical solutions and consultancy to its industrial partner companies to help them improve their current practices and solve their specific problems. In a real-world application, not all parts of a problem may require the same treatment. In some cases, traditional development techniques are sufficient to address the problem. However, in some cases, rigorous techniques may provide added advantages. It is very important to select the right techniques to solve a problem. The techniques should be chosen on merit and not on a prejudice or cliché. Often a technique based on a combination of several FMs can be used to deliver a quality product. In fact, different tools and methods should cooperate with each other in order to produce a better quality product. RSE is therefore striving to develop such a multi-flavored platform which would enable several FMs, processes and techniques to cooperate with each other in an integrated and homogenized environment. DR. ATIF MASHKOOR Scientific Head Rigorous Methods in Software Engineering, , atif.mashkoor scch.at 15 SCCH MAGAZINE 3/2013

16 RSE RIGOROUS METHODS IN SOFTWARE ENGINEERING RIGOROSE METHODEN FÜR MEDIZIN SOFTWARE RIGOROUS METHODS FOR PROGRAMMABLE ELECTRICAL MEDICAL SYSTEMS DE EN B. Braun (gegründet im Jahre 1839) gehört zu den weltweit führenden Herstellern von Medizinprodukten und ist in mehr als 50 Ländern vertreten. In einer seiner Sparten, B. Braun Avitum AG (Deutschland), sind medizinische Produkte und Dienstleistungen für die extrakorporale Blutbehandlung zusammengefasst. Geräte für Hämodialyse und Plasmapherese, die zur extrakorporalen Blutbehandlung nötig sind, gehören laut internationaler Normen zur Kategorie der Programmierbaren Elektrischen Medizinischen Systeme (PEMS). Das Competence Centre of Medical Software von B. Braun Medical Hungary Kft. (CCMS BBMH) forscht an der Entwicklung von Bedien- und Steuerrungs-Software für diese Geräte. Wir stellen uns der anspruchsvollen Herausforderung, die Erwartungen bezüglich Qualität, Kosten und Termine bei der Entwicklung von Produkten in einem Umfeld zu erfüllen, in dem die Anforderungen an die Systemkomplexität B. Braun, founded in 1839, is one of the world s leading healthcare suppliers. It has offices and facilities in more than 50 countries. Among its divisions, it is B.Braun Avitum AG (Germany) which combines the supply of medical products and services concerning extracorporeal blood treatment. Haemodialysis and plasmapheresis devices, needed for extracorporeal blood treatment, belong to the category of Programmable Electrical Medical Systems (PEMS) as defined in international standards. The Competence Centre of Medical Software in B. Braun Medical Hungary Kft. (CCMS BBMH) is dedicated to the development of the software operating and controlling these devices. Our critical challenge is fulfilling the expectations regarding quality, cost and deadline of development of products in an environment where the requirements for machine system complexity and regulatory compliance have ever been growing faster Die Software für Dialyseapparate von B.Braun muss höchste Sicherheitsanforderungen erfüllen/ The software for dialysis instruments by B. Braun must meet high safety requirements 16 SCCH MAGAZINE 3/2013

17 SCHWERPUNKT FORSCHUNG / FOCUS RESEARCH und die einzuhaltenden Vorschriften in den letzten drei Jahrzehnten schneller gewachsen sind als die Entwicklungsbudgets und die Mitarbeiteranzahl!, erklärt Dr. Sándor Dolgos, Leiter des CCMS BBMH. Auf Grund ihrer nachgewiesenen Wirksamkeit in der Modellierung von sicherheitskritischen Systemen werden rigorose Methoden angewandt, um Probleme zu lösen, die in der Entwicklung von B. Brauns extrakorporalen Blutbehandlungssystemen auftauchen. Der Vorteil von formalen Methoden in diesem Kontext zeigt sich schon während der Analyse und Modellierung der Elemente und Komponenten des Systems: Formale Methoden helfen nicht nur in der sicheren Entwicklung eines Systems, sondern sie tragen auch zum Erreichen relevanter Zertifizierungen bei. Darüber hinaus sind die Artefakte, die aus dem gesamten Prozess entstehen, auch verfolgbar und interoperabel. Durch die Verwendung von rigorosen, modellgesteuerten Entwicklungsmethoden im Bereich der medizinischen Systeme mit hohen Sicherheitsansprüchen entstehen Systemmodelle, die sich verifizieren (z.b. mittels mathematischer Beweise und Modellprüfungen) und validieren (z.b. mittels Animation und Prototyping) lassen. Sie bilden die Basis für das gemeinsame Verständnis zwischen den verschiedenen Stakeholdern. Produkte mit besonders strengen Sicherheitsauflagen können so überzeugend modelliert und bewiesen werden. Gleichzeitig reduzieren FMs die technischen Schwierigkeiten dadurch, dass sie auch für Beteiligte ohne entsprechendes Fachwissen verständlich sind. than development budgets and headcounts as far as the last 3 decades are concerned! says Dr. Sándor Dolgos head of CCMS BBMH. Rigorous methods, with proven efficacy in the modeling of safety-critical systems, are exploited to help solving problems raised by the development of B. Braun s extracorporeal blood treatment systems. The advantage of using formal approaches in this context stands out during analysis and modeling of the elements and components of the system: formal methods not only help in the safe development of a system but also contribute towards acquiring relevant certifications. In addition, the artifacts produced as outcomes of the whole process are also traceable and interoperable. The use of rigorous model-driven development methodologies in the domain of high-assurance medical systems produce system models that are amenable to verification (e.g., mathematical proofs and modelchecking) and validation (e.g., animation and prototyping) and can provide a basis for common understanding between several stakeholders. Stringent safety cases associated with the product can be modeled and proved in a convincing way for the non-technical stakeholders. DR. ATIF MASHKOOR Scientific Head Rigorous Methods in Software Engineering , 17 SCCH MAGAZINE 3/2013

18 SAE SOFTWARE ANALYTICS AND EVOLUTION SHERLOCK DER DETEKTIV FÜR TESTER SHERLOCK, A DETECTIVE FOR TESTERS DE EN Die Vorarlberger OMICRON electronics GmbH ist ein internationales Unternehmen, das innovative Test-, Diagnose- und Monitoringlösungen für die elektrische Energiewirtschaft herstellt. Die Produkte und Dienstleistungen ermöglichen eine realistische und genaue Einschätzung des Zustands von energietechnischen Betriebsmitteln und deren Schutzeinrichtungen. In der Energietechnik sind die Betriebsmittel sehr kostenintensiv und somit Schutzeinrichtungen sehr wichtig. Die Zuverlässigkeit dieser Schutzeinrichtungen wird mit unserer Test-Universe-Software geprüft. Auf Grund des Umfangs der Software ist es von großer Bedeutung, den Regressionstest auf die richtigen Stellen zu lenken, um ein Maximum an Qualität erreichen zu können, erklärt Michael Lusser, der Projektleiter seitens OMICRON. Das Software Competence Center Hagenberg hat ein Tool für Regressionstests für die OMICRON im Rahmen von COMET entwickelt. Change is continuous, OMICRON electronics GmbH is an international company that produces innovative testing, diagnosis and monitoring solutions for the electric energy branch. Omicron s products and services enable realistic and precise estimation of the state of energy-related technical equipment and its protective devices. In the energy branch, equipment is very expensive and thus protective devices are very important. The reliability of such protective devices is checked with our Test-Universe-software. Due to the scope of the software, it is very important to focus regression testing on the right places in order to achieve a quality maximum, explains Michael Lusser, project leader for Omicron. In the realm of a COMET project, Software Competence Center Hagenberg has developed a tool for regression testing for OMICRON. Change is continuous is the first of five laws of software evolution, formulated by Lehman and Belady, who thus characterized the Bei der Roadshow TRUST-IT berichtete Michael Lusser (3. v.l.) über das SHERLOCK Projekt / At the road show Trust IT, Michael Lusser (3rd from left) reported on the Sherlock project 18 SCCH MAGAZINE 3/2013

19 SCHWERPUNKT FORSCHUNG / FOCUS RESEARCH ist das erste von fünf Gesetzen der Software Evolution, formuliert von Lehman und Belady, die damit die Dynamik eines Softwareprogramms charakterisierten. Oft führen Änderungen und Korrekturen eines Programms zu unerwarteten Seiteneffekten und weiteren Fehlern, die sich negativ auf die Qualität des Programms und damit auf die Benutzerzufriedenheit auswirken. Um solchen Fehlern vorzubeugen, werden Regressionstests eingesetzt, mit deren Hilfe die Grundfunktionen eines Systems etwa vor einem Release durchgetestet werden. Während Unittests in der Regel automatisiert und daher auch regelmäßig ablaufen, müssen Regressionstests meist manuell von einem Tester durchgeführt werden. Dieser Vorgang ist daher zeitintensiv und teuer. Die Kosten können reduziert werden, indem nur solche Tests ausgeführt werden, die sich auf die geänderten oder durch Änderungen betroffene Systemteile konzentrieren. In der Praxis bedeutet das, dass der Tester, der ein Set von Regressionstests zusammenstellt, sehr genaue Kenntnis über die Systemteile und außerdem eine gute Vorstellung über die Wechselwirkung zwischen diesen Teilen besitzen muss, berichtet Christian Salomon vom SCCH. Bei einem Softwareprodukt, das über Jahre aufgebaut und über Jahrzehnte gepflegt wird, wechselt auch oft das Entwicklungs- und Testteam. Für neue Tester gestaltet sich die Zusammenstellung eines geeigneten Testsets umso schwieriger. Das SCCH hat in Zusammenarbeit mit einem Testteam von OMICRON einen werkzeugunterstützten Ansatz entwickelt, der Tester bei der Auswahl von Regressionstests unterstützt. Wir sind für den Test eines Softwaresystems zuständig, das seit mehr als 15 Jahren stetig weiterentwickelt wird. In dieser Zeit ist nicht nur die Größe des Systems auf 3 Millionen Codezeilen angewachsen, auch die Komplexität innerhalb des Systems und die Abhängigkeiten zu verschiedenen Technologien sind mehr geworden, so Lusser. OMICRON entwickelt kompakte Testgeräte für die Prüfung von Schutz- und Messeinrichtungen in elektrischen Energiesystemen/ Omicron develops compact testing equipment for inspecting protective und measurement equipment in electric power systems dynamics of software. Often modifications and corrections in a program produce unwanted side effects and consequential faults that negatively affect the quality of the software and thus user satisfaction. Regression tests are used to prevent such faults; they help to thoroughly test the basic functions of a system, e.g., before a release. While unit tests are usually automated and run regularly, regression tests are usually conducted manually by a tester. This makes the procedure time-consuming and expensive. Costs can be reduced by conducting only those tests that concentrate on the modified system components or other components affected by these. In practice this means that the tester who composes a set of regression tests must have precise knowledge of the system components as well as a good understanding of the mutual effects between such components, reports Christian Salomon of SCCH. For a software 19 SCCH MAGAZINE 3/2013

20 SAE SOFTWARE ANALYTICS AND EVOLUTION Sherlock, ein vom SCCH entwickelter Softwareprototyp integriert das Wissen über Änderungen und Abhängigkeiten im System aus verschiedenen Datenquellen und Gesichtspunkten und implementiert aufbauend auf diesem Wissen ein Vorschlagsystem für Regressionstests. Konkret werden Daten aus den von OMICRON eingesetzten Systemen zum Issue-Tracking, zur Source-Code-Verwaltung und dem Testmanagement gesammelt und in einer gemeinsamen Wissensbasis zusammengeführt. Diese Daten werden mit Informationen über statische und dynamische Abhängigkeiten des Systems angereichert. Um den effizienten Zugriff und die schnelle Abarbeitung von Algorithmen zu garantieren, wurde die Wissenbasis mit Hilfe einer NoSQL-Graphdatenbank implementiert. Sherlock bietet dem Benutzer die Möglichkeit, eine bestimmte Änderung oder Änderungen während eines Zeitraums product that is build over years and maintained over decades, there are often changes in the development and testing team. For new testers, this encumbers the composition of a suitable set of tests. In cooperation with a testing team from OMICRON, SCCH developed a tool-supported approach to support a tester in the choice of regression tests. We are responsible for testing a software system that has been continuously developed over 15 years. In this time, not only did the size of the system grow to 3 million lines of code, but also the complexity within the system and the dependencies on various technologies have increased, says Lusser. Sherlock, a software prototype developed by SCCH, integrates knowledge about changes and dependencies in the system from various data sources and viewpoints and based on this knowledge generates a proposed OMICRON ist ein international agierendes Unternehmen mit weltweit 20 Niederlassungen und Kunden in 140 Ländern/ OMICRON is an international enterprise with 20 subsidiaries worldwide and customers in 140 nations 20 SCCH MAGAZINE 3/2013

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