Weckesser, Markus Tobias (2019)
Automatisierte Analyse integrierter Software-Produktlinien-Spezifikationen.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Der Trend zur Digitalisierung führt zu neuen Anwendungsszenarien (z.B. Industrie 4.0, Internet der Dinge, intelligente Stromnetze), die laufzeitadaptive Software-Systeme erfordern, die sich durch kontinuierliche Rekonfiguration an verändernde Umgebungsbedingungen anpassen. Integrierte Software-Produktlinien-Spezifikationen ermöglichen die präzise Beschreibung von Konsistenzeigenschaften derartiger Systeme in einer einheitlichen Repräsentation. So bietet die Spezifikationssprache Clafer sowohl Sprachmittel zur Charakterisierung der Laufzeitvariabilität eines Systems als auch für die rekonfigurierbaren Bestandteile der Systemarchitektur sowie komplexer Abhängigkeiten. In Clafer-Spezifikationen werden hierzu Sprachkonstrukte aus UML-Klassendiagrammen und Meta-Modellierungssprachen zusammen mit Feature-orientierten Modellierungstechniken und Constraints in Prädikatenlogik erster Stufe kombiniert. Durch die beträchtliche Ausdrucksstärke neigen derartige integrierte Produktlinien-Spezifikationen in der Praxis dazu, sehr komplex zu werden (z.B. aufgrund versteckter Abhängigkeiten zwischen Konfigurationsoptionen und Komponenten). Sie sind daher äußerst anfällig für Spezifikationsfehler in Form von Inkonsistenzen oder Entwurfsschwächen in Form von Anomalien. Inkonsistenzen und Anomalien müssen jedoch möglichst früh im Entwurfsprozess erkannt und behoben werden, um drastische Folgekosten zur Laufzeit eines Systems zu vermeiden. Aus diesem Grund sind statische Analysetechniken zur automatisierten Analyse integrierter Software-Produktlinien-Spezifikationen unabdingbar.

Existierende Ansätze zur Konsistenzprüfung erfordern, dass der Suchraum für die Instanzsuche vorab entweder manuell oder durch heuristisch identifizierte Schranken eingeschränkt wird. Da, falls keine Instanz gefunden werden kann, nicht bekannt ist, ob dies durch einen zu klein gewählten Suchraum oder eine tatsächliche Inkonsistenz verursacht wurde, sind existierende Analyseverfahren inhärent unvollständig und praktisch nur eingeschränkt nutzbar. Darüber hinaus wurden bisher noch keine Analysen zur Identifikation von Anomalien vorgeschlagen, wie sie beispielsweise in Variabilitätsmodellen auftreten können. Weiterhin erlauben existierende Verfahren zwar die Handhabung von ganzzahligen Attributen, ermöglichen jedoch keine effiziente Analyse von Spezifikationen die zusätzlich reellwertige Attribute aufweisen.

In dieser Arbeit präsentieren wir einen Ansatz zur automatisierten Analyse integrierter Software-Produktlinien-Spezifikationen, die in der Sprache Clafer spezifiziert sind. Hierfür präsentieren wir eine ganzheitliche Spezifikation der strukturellen Konsistenzeigenschaften laufzeitadaptiver Software-Systeme und schlagen neuartige Anomalietypen vor, die in Clafer-Spezifikationen auftreten können. Wir charakterisieren eine Kernsprache, die eine vollständige und korrekte Analyse von Clafer-Spezifikationen ermöglicht. Wir führen zusätzlich eine neuartige semantische Repräsentation als mathematisches Optimierungsproblem ein, die über die Kernsprache hinaus eine effiziente Analyse praxisrelevanter Clafer-Spezifikationen ermöglicht und die Anwendung etablierter Standard-Lösungsverfahren erlaubt. Die Methoden und Techniken dieser Arbeit werden anhand eines durchgängigen Beispiels eines selbst-adaptiven Kommunikationssystems illustriert und prototypisch implementiert. Die experimentelle Evaluation zeigt die Effektivität unseres Analyseverfahrens sowie erhebliche Verbesserungen der Laufzeiteffizienz im Vergleich zu etablierten Verfahren.

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