Modellierung verteilter Systeme (Grundlagen der Programm- und Systementwicklung II)

Transkript

1 Modellierung verteilter Systeme (Grundlagen der Programm- und Systementwicklung II) 01 Motivation, Einordnung und Überblick Dr. Sebastian Voss fortiss GmbH Kompetenzfeldleiter Model-based Systeme Engineering

2 Organisatorisches Dozent Betreuer (Übungsleitung) Umfang: Dr. Sebastian Voss Saahil Ognawala 2 SWS Vorlesung + 1 SWS Zentralübung Übungstermine Zweiwöchig (mit Feiertagsausnahme): erste Übung: , ,... Ort und Zeit Dienstag 14:00 15:30 (Raum ) Übung: Donnerstag 10:00-12:00 (Raum A) Punkte gemäß ECTS: 4 Bewertung d. Modulleistung Vorlesungsseite: Erfolgreiche Teilnahme an der schriftlichen Finalklausur Übungsablauf: Übungsblatt online eine Woche vor Übung Vorzeitige Bearbeitung maßgeblich zur Vorbereitung auf Übung / Klausur Besprechung und Diskussion der Aufgaben S.Voss - Modellierung Verteilter Systeme (Sommersemester 2018) 2

3 Organisatorisches Hörerschaft Skript Klausurform: Master Informatik, Master Automotive Software Engineering, Master in Information Systems, Master in Applied Informatics, Master in Computational Science and Engineering (CSE), Bachelor Informatik als Spezialvorlesung, Studenten anderer (nicht Informatik) Fachrichtungen Modellierung verteilter Systeme Klausur (Vorlesungsskript darf mitgenommen werden) Vorkenntnisse: Grundkenntnisse in Programmierung, Grundlagen der Programm- und Systementwicklung I, Formale Sprachen I, Semantik von Programmiersprachen, Software Engineering, Verifikation Werkzeuge: - LTSA ( - AF3 ( S.Voss - Modellierung Verteilter Systeme (Sommersemester 2018) 3

4 Frage 1: Anwendungsgebiete IKT? Wie verteilt sich der Einsatz von Mikroprozessoren? S.Voss - Modellierung Verteilter Systeme (Sommersemester 2018) 4

5 Frage 2: Komplexität der Softwaresysteme? (1/2) Was ist die durchschnittliche Größe von SW-Systemen? informationisbeautiful.net Modellierung verteilter Systeme 5

6 Frage 2: Komplexität der Softwaresysteme? (2/2) Wodurch entsteht Komplexität?...steigende Anzahl an Funktionalität...steigende Variantenvielfalt...Trend zu mehr und mehr integrierten HW-Plattformen...Vielzahl von (sich widersprechenden) Anforderungen wikipedia Modellierung verteilter Systeme 6

7 Frage 3: Empfohlene Techniken der Entwicklung? Welche Techniken zur Entwicklung werden empfohlen? Modellierung verteilter Systeme 7

8 Begriffsdefinition: Modell A model is an appropriate abstraction for a particular purpose [Broy 2011] A model is a depiction, representing the original. A model is a reduction, capturing relevant aspects. A model has a purpose, defining its use. [H. Stachowiak 1973] Ein Modell ist eine vereinfachte, auf ein bestimmtes Ziel hin ausgerichtete Darstellung der Funktion eines Gegenstands oder des Ablaufs eines Sachverhalts, die eine Untersuchung oder eine Erforschung erleichtert oder erst möglich macht. [Balzert 2000] Modellierung verteilter Systeme 8

9 Was ist ein Modell? Architektur Wikipedia 9 fortiss GmbH Modellierung verteilter Systeme 9

10 Was ist ein Modell? Maschinenbau Brückner Maschinenbau 10 fortiss GmbH Modellierung verteilter Systeme 10

11 What is a model? Chemie Und was ist mit Softwareengineering??? Wikipedia 12 fortiss GmbH Modellierung verteilter Systeme 12

12 Modelle in der Informatik Standard: Unified Modeling Language ( Beinhaltet eine Auswahl an Modellierungstechniken (Klassendiagramme, Zustandsdiagramme, etc.) und vieles mehr: Petri Netze Entity / Relationship Diagramme Datenfluss Diagramme Automaten Kontrollfluss Diagramme fortiss GmbH Modellierung verteilter Systeme 13

13 Code-based vs. Model-based Systems Engineering Traceabilitymatrix Textual Requirements (.doc,.xls,...) X X Requirement Models Consistency Checks Application Models Glossary, Use-Cases, MSCs, Interfaces Data-Types Contracts,... Config. Code (z.b. C, C++) Deployment Platform Models Components, State-machine, Code, Tables,... ECUs, BUS, I/O, Cores, Memory Hardware Hardware Modellierung verteilter Systeme 14

14 Vorteile durch Model-basierte Entwicklung Validation and Verification of Requirements Simulation (MIL), Verification, Advanced Checks Synthesis of Schedules and Deployments, Decoupling from Hardware, WCET Analysis Hardware Requirement Models Consistency Checks Application Models Deployment Platform Models Hardware Glossary, Use-Cases, MSCs, Interfaces Data-Types Contracts,... Components, State-machine, Code, Tables,... ECUs, BUS, I/O, Cores, Memory Modellierung verteilter Systeme 15

15 Systembegriff Ein System hat eine Systemgrenze, die System und Umgebung trennt Eine Schnittstelle festgelegt durch die Systemgrenze die definiert Welche Formen der Interaktion zwischen System und Umgebung möglich sind (statische / syntaktische Schnittstelle) Welches Verhalten das System aus Sicht des Kontext zeigt (Schnittstellenverhalten, Interaktionssicht) Einen inneren Aufbau: durch die Gliederung in Teilsysteme (Struktursicht) durch seine Zustände und Zustandsübergänge (Zustandssicht) Interface Prozesse (techn./phys./ ) operationaler Kontext Mensch System Andere Systeme Kontextgrenze Systemgrenze Future Internet (Dienste/Daten) Innere System Struktur Modellierung verteilter Systeme 16

16 Beschränkung: Diskrete Systeme Systeme, deren Verhalten durch Verwendung diskreter Ereignisse beschrieben werden kann wobei diskrete Ereignisse hinsichtlich ihres Auftretens punktuell und abgegrenzt von einander sind wobei Ereignisse Ausführungen von Aktionen beschreiben wie Austausch von Signalen Zustandsänderungen Hier nicht betrachtet: Analoge oder hybride Modelle, z.b. Modelle physikalischer Prozesse Modellierung verteilter Systeme 17

17 Modellierung (eines Systems) (Teil-) Bildkonstruktion eines realen/gedachten Systems erfasst mit Mitteln der Mathematik, Logik, Informatik, dargestellt mittels textueller oder graphischer Beschreibungsformen Abstraktion von Systemdetails zur Reduktion der Komplexität durch Verwendung von Systemsichten Nutzung des Modells zur Konstruktion eines realen Systems zur Vorhersage von Eigenschaften des Systems Modellierung verteilter Systeme 18

18 Begriffsdefinition: Verteilte Systeme Ein Verteiltes System ist eine Sammlung unabhängiger Rechner, die dem Benutzer als ein einzelnes, zusammenhängendes System erscheinen. A. Tannenbaum, M. van Steen. Verteilte Systeme: Grundlagen und Paradigmen. Pearson, Ein Verteiltes System ist ein System, in dem verschiedene Komponenten,die sich auf netzwerkfähigen Rechnern befinden, miteinander kommunizieren und ihre Aktionen durch Nachrichtenaustausch untereinander koordinieren. G. Coulouris, J. Dollimore, T. Kindberg: Verteilte Systeme - Konzepte und Design, Pearson, 2002 Modellierung verteilter Systeme 19

19 Vorteile Verteilter Systeme Verbesserte Ressourcennutzung Ziel: Gemeinsame Nutzung von Ressourcen Technik: Dezentralisierung Beispiel: Client-Server-Webapplikationen Verbesserte Aufgabenerfüllung Ziel: Beschleunigte Aufgabenlösung Technik: Divide and conquer Beispiel: Rendering, Simulation Verbesserte Verfügbarkeit: Ziel: Garantierte Funktionsbereitstellung Ansatz: Mehrfachbereitstellung von Funktionalität Beispiel: Dreifachredundante Systeme Modellierung verteilter Systeme 20

20 Sequentielle oder nebenläufige Systeme? Computer scientists originally believed that the big leap was from sequentiality to concurrency. We thought that concurrent systems needed new approaches because many things were happening at once. We have learned instead that, as far as formal methods are concerned, the real leap is from functional to reactive systems. Leslie Lamport. Verification and Specification of Concurrent Programs. In: A Decade of Concurrency - Reflexions and Perspectives, Springer. Modellierung verteilter Systeme 21

21 Sequentielle Systeme Fokus: Algorithmus (Terminierende Berechnung mit Ein-/Ausgabe) Beispielhafte Modelle: Turingmaschine, partielle rekursive Funktionen Beispielhafte Paradigmen: Prozedurale Sprachen (z.b., Fortran, Pascal, C) Funktionale Sprachen (z.b., Lisp, ML, Scala) Object-orientierte Sprachen (e.g., Smalltalk, Java, Scala) Zentrale Fragestellungen: Komplexität, Korrektheit, Termination, Modellierung verteilter Systeme 22

22 Nebenläufige Systeme Fokus: Interaktion/Kommunikation Beispielmodelle: Markierte Automaten, Prozessalgebren Beispielparadigmen: Bibliothekselemente (z.b. POSIX fork/join/wait, POSIX sockets) Spracherweiterungen(e.g., ADA monitor, Java synchronized) Nebenläufige Sprachen (e.g., SDL, occam) Fragestellungen: Deadlock, Fairness, Korrektheit, Nichtdeterminismus,... Modellierung verteilter Systeme 23

23 Probleme interagierender Systeme ` Bei den Fahrzeugen kann sich die elektronische SBC Bremskontrolle auf Grund unvorhergesehender Signale abschalten Modellierung verteilter Systeme 24

24 Probleme interagierender Systeme `... As the outbound train was preparing to leave Castro Station, the operator noticed a "problem with one of his doors" and left the train to close it (...) Once the operator closed the door, Muni's automatic control system believed everything was in order and remotely activated the train to get it to the next station... Modellierung verteilter Systeme 25

25 Anwendungsgebiete Beispiele von Anwendungsgebiete Rechnernetze und deren Anwendungssysteme, wie Betriebliche Informationssysteme, wie Workflowsysteme Client/Server-Applikationen, wie Webapplikationen Mobile Anwendung, wie Navigationssysteme Massivparallele Systeme, wie Hochleistungsrechner Prozessleittechnik, wie SCADA-Systeme Middleware, wie Betriebssysteme Modellierung verteilter Systeme 26

26 Anwendungsgebiete Beispiele von Anwendungsgebiete Telekommunikationssystems, wie Switching Systems Produktionssysteme, wie Fertigungsanlagen Eingebettete Systeme, wie Automotive Software: Mehr als 70 ECUs Mehr als 5 Bussysteme Modellierung verteilter Systeme 27

27 Modellierungsbeispiel: Reaktives System Komponente Port Port-Type Modellierung verteilter Systeme 28

28 Modellierungsbeispiel: System und Kontext Modellierung verteilter Systeme 29

29 Modellierungsbeispiel: Verhaltensbeschreibung Modellierung verteilter Systeme 30

30 Beispiel: Emergency Stop System System and corresponding models 32 fortiss GmbH Modellierung verteilter Systeme 32

31 Beispiel: Nutzung des Modells Simulation (Model-in-the-Loop) A simulation (execution of modeled structure/behavior) on the models based on specific model of computation Applications Application Structure Operator Panel (s) Input/Output View of a component State of STDs 33 ECBS 2013 fortiss GmbH Modellierung verteilter Systeme 33

32 Modelle und Werkzeuge AutoFOCUS3 Tool Demo 34 Modellierung verteilter Systeme 34

33 Lernziel Grundkonzepte zur Systemmodellierung Zustand Ablauf Interaktion/Kommunikation Grundmodelle für Verhalten Schnittstelle, Aufbau Eigenschaften Einsatz von Modellen Dokumentation von Systemen Spezifikation von Systemen Prüfung von Systemen Bezug zu Anwendungskonzepten Modellierung verteilter Systeme 35

34 Themenübersicht 1. Einführung 2. Grundlagen: Verhalten, Interaktion, Nebenläufigkeit 3. Sequentielle Programme und Coroutinen 4. Kommunizierende Prozesse 5. Datenflussmodelle 6. Zustandsbasierte Modellierung 7. Koordination 8. Ausführungen 9. Verhaltensspezifikationen 10. Erweiterte Themen Modellierung verteilter Systeme 36

35 Literaturvorschläge J. Magee, J. Kramer: Concurrency: State Models & Java Programs, Wiley, 2006 A. Tanenbaum, M. v. Steen: Verteilte Systeme - Grundlagen und Paradigmen, Pearson, 2003 G. Coulouris, J. Dollimore, T. Kindberg: Verteilte Systeme - Konzepte und Design, Pearson, 2002 H. Balzert: Lehrbuch der Software-Technik (1), Spektrum Verlag, 2000 J. van Leeuwen: Handbook of Theoretical Computer Science: Vol. B Formal Models and semantics, Elsevier, 1997 B. Baumgarten: Petri-Netze Grundlagen und Anwendungen. BI-Verlag 1990 D. Harel, M. Politi: Modeling Reactive Systems with StateCharts, McGraw, 1998 C.A.R. Hoare: Communicating Sequential Processes, Prentice-Hall, 1985 F. Kröger: The Temporal Logic of Programs. Springer, 1987 R. Milner: Communication and Concurrency, Prentice Hall, 1989 Modellierung verteilter Systeme 37

36 Hands-On: Develop your own car Eine Hands-On Übung: Vom Model zur Plattform Modellierung verteilter Systeme 38

37 Danke (und bis nächste Woche!) TTHank you Dr. Sebastian Voss (Department Model-based Systems Engineering) fortiss GmbH AN-Institut Technische Universität München Guerickestraße München Germany tel fax Modellierung verteilter Systeme 39