A Methodology for the Design of Safety-Compliant and Secure Communication of Autonomous Vehicles

International audience; The automotive industry is increasing its effort towards scientific and technological innovations regarding autonomous vehicles. The expectation is a reduction of road accidents, which are too often caused by human errors. Moreover, technological solutions, such as connected autonomous vehicle platoons, are expected to help humans in emergency situations. In this context, safety and security issues do not yet have a satisfactory answer. In this paper, we address the domain of secure communication among vehicles - especially the issues related to authentication and authorization of inter-vehicular signals and services carrying safety commands. We propose a novel design methodology, where we take a contract-based approach for specifying safety, and combine it in the design flow with the use of the Arrowhead Framework to support security. Furthermore, we present the results through a demo, which employs model-based design for software implementation and the physical realization on autonomous model cars

Model-Based Engineering of Collaborative Embedded Systems

This Open Access book presents the results of the "Collaborative Embedded Systems" (CrESt) project, aimed at adapting and complementing the methodology underlying modeling techniques developed to cope with the challenges of the dynamic structures of collaborative embedded systems (CESs) based on the SPES development methodology. In order to manage the high complexity of the individual systems and the dynamically formed interaction structures at runtime, advanced and powerful development methods are required that extend the current state of the art in the development of embedded systems and cyber-physical systems. The methodological contributions of the project support the effective and efficient development of CESs in dynamic and uncertain contexts, with special emphasis on the reliability and variability of individual systems and the creation of networks of such systems at runtime. The project was funded by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF), and the case studies are therefore selected from areas that are highly relevant for Germany’s economy (automotive, industrial production, power generation, and robotics). It also supports the digitalization of complex and transformable industrial plants in the context of the German government's "Industry 4.0" initiative, and the project results provide a solid foundation for implementing the German government's high-tech strategy "Innovations for Germany" in the coming years

Building Transformation Networks for Consistent Evolution of Interrelated Models

In dieser Dissertation formalisieren und analysieren wir die Konsistenzerhaltung verschiedener Artefakte zur Beschreibung eines Softwaresystems durch die Kopplung von Transformationen zwischen diesen und unterstützen sie mit geeigneten Methoden. Für die Entwicklung eines Softwaresystems nutzen Entwickler:innen und weitere Beteiligte verschiedene Sprachen, oder allgemein Werkzeuge, zur Beschreibung unterschiedlicher Belange. Meist stellt Programmcode das zentrale Artefakt dar, welches jedoch, implizit oder explizit, durch Spezifikationen von Architektur, Deployment, Anforderungen und anderen ergänzt wird. Neben der Programmiersprache verwenden die Beteiligten weitere Sprachen zur Spezifikation dieser Artefakte, beispielsweise die UML für Modelle des objektorientierten Entwurfs oder der Architektur, den OpenAPI-Standard für Schnittstellen-Definitionen, oder Docker für Deployment-Spezifikationen. Zur Erstellung eines funktionsfähigen Softwaresystems müssen diese Artefakte das System einheitlich und widerspruchsfrei darstellen. Beispielsweise müssen Dienst-Schnittstellen in allen Artefakten einheitlich repräsentiert sein. Wir sagen, die Artefakte müssen konsistent sein. In der modellgetriebenen Entwicklung werden solche verschiedenen Artefakte allgemein Modelle genannt und bereits als wesentliche zentrale Entwicklungsbestandteile genutzt, um auch Teile des Programmcodes aus ihnen abzuleiten. Dies betrifft beispielsweise die Softwareentwicklung für Fahrzeuge. Zur Konsistenzerhaltung der Modelle werden oftmals Transformationen eingesetzt, die nach Änderungen eines Modells die anderen Modelle anpassen. Die bisherige Forschung beschränkt sich auf Transformationen zur Konsistenzerhaltung zweier Modelle und die projektspezifische Kombination von Transformationen zur Konsistenzerhaltung mehrerer Modelle. Ein systematischer Entwicklungsprozess, in dem einzelne Transformationen unabhängig entwickelt und in verschiedenen Kontexten modular wiederverwendet werden können, wird hierdurch jedoch nicht unterstützt. In dieser Dissertation erforschen wir, wie Entwickler:innen mehrere Transformationen zu einem Netzwerk kombinieren können, welches die Transformationen in einer geeigneten Reihenfolge ausführen kann, sodass abschließend alle Modelle konsistent zueinander sind. Dies geschieht unter der Annahme, dass einzelne Transformationen zwischen zwei Sprachen unabhängig voneinander entwickelt werden und daher nicht aufeinander abgestimmt werden können. Unsere Beiträge unterteilen sich in die Untersuchung der Korrektheit einer solchen Kombination von Transformationen zu einem Netzwerk und die Optimierung von Qualitätseigenschaften solcher Netzwerke. Wir diskutieren und definieren zunächst einen adäquaten Korrektheitsbegriff, welcher drei Anforderungen impliziert. Diese umfassen eine Synchronisations-Eigenschaft für die einzelnen Transformationen, eine Kompatibilitäts-Eigenschaft für das Transformationsnetzwerk, sowie das Finden einer geeigneten Ausführungsreihenfolge der Transformationen, einer Orchestrierung. Wir stellen ein Konstruktionsverfahren für Transformationen vor, mit welchem die Synchronisations-Eigenschaft basierend auf einer formal bewiesenen Eigenschaft erfüllt wird. Für dieses zeigen wir Vollständigkeit und Angemessenheit mit einer fallstudienbasierten empirischen Evaluation in der Domäne der komponentenbasierten Softwareentwicklung. Wir definieren die Eigenschaft der Kompatibilität von Transformationen, für welche wir ein formales und bewiesen korrektes Analyseverfahren vorschlagen und eine praktische Realisierung ableiten, deren Anwendbarkeit wir in Fallstudien nachweisen. Schlussendlich definieren wir das Orchestrierungsproblem zum Finden einer Orchestrierung, die zu konsistenten Modelle führt wann immer solch eine Orchestrierung existiert. Wir beweisen die Unentscheidbarkeit dieses Problems und diskutieren, dass eine Einschränkung des Problems, um Entscheidbarkeit zu erreichen, die Anwendbarkeit unpraktikabel beschränken würde. Daher schlagen wir einen Algorithmus vor, der das Problem konservativ behandelt. Er findet eine Orchestrierung unter bestimmten, wohldefinierten Bedingungen und terminiert andernfalls mit einem Fehler. Wir beweisen die Korrektheit des Algorithmus und eine Eigenschaft, die das Finden der Ursache im Fehlerfall unterstützt. Zusätzlich kategorisieren wir Fehler, die auftreten können falls ein Netzwerk den definierten Korrektheitsbegriff nicht erfüllt. Daraus leiten wir mittels den bereits genannten Fallstudien ab, dass die meisten potentiellen Fehler per Konstruktion mit den in dieser Arbeit vorgeschlagenen Ansätzen vermieden werden können. Zur Untersuchung von Qualitätseigenschaften eines Netzwerkes von Transformationen klassifizieren wir zunächst relevante Eigenschaften, sowie den Effekt verschiedener Typen von Netzwerktopologien auf diese. Hierbei zeigt sich, dass insbesondere Korrektheit und Wiederverwendbarkeit im Widerspruch stehen, sodass die Wahl der Netzwerktopologie ein Abwägen bei der Optimierung dieser Eigenschaften erfordert. Wir leiten hieraus ein Konstruktionsverfahren für Transformationsnetzwerke ab, welches die Notwendigkeit einer Abwägung zwischen den Qualitätseigenschaften abmildert und, unter gewissen Voraussetzungen, Korrektheit per Konstruktion gewährleistet. Wir unterstützen den Entwicklungsprozess für diesen Ansatz mithilfe einer spezialisierten Spezifikationssprache. Während die Verminderung der Notwendigkeit einer Abwägung zwischen Qualitätseigenschaften durch den Ansatz per Konstruktion erreicht wird, zeigen wir die Erreichbarkeit der Voraussetzungen und die Vorteile der vorgeschlagenen Sprache in einer empirischen Evaluation mithilfe der Fallstudie aus der komponentenbasierten Softwareentwicklung. Die Beiträge dieser Dissertation unterstützen sowohl Forscher:innen als auch Transformationsentwickler:innen und Transformationsanwender:innen bei der Analyse und Konstruktion von Netzwerken von Transformationen. Sie stellen für Forscher:innen und Transformationsentwickler:innen systematisches Wissen über die Korrektheit und weitere Qualitätseigenschaften solcher Netzwerke bereit. Sie zeigen insbesondere welche Teile dieser Eigenschaften per Konstruktion erreicht werden können, welche per Analyse validiert werden können, und welche Fehler unvermeidbar bei der Ausführung erwartet werden müssen. Zusätzlich zu diesen Einsichten stellen wir konkrete, praktisch nutzbare Verfahren bereit, mit denen Transformationsentwickler:innen und Transformationsanwender:innen korrekte, modular wiederverwendbare Netzwerke konstruieren, analysieren und ausführen können

Designing a Change-Driven Language for Model Consistency Repair Routines

Ein Software-System kann während der Entwicklung durch verschiedene Modelle beschrieben werden, um unterschiedliche Teile oder Abstraktionen des Systems darzustellen. Diese Modelle können voneinander abhängige oder sogar redundante Informationen enthalten. Wenn ein Softwareentwickler an solchen Modellen Änderungen vornimmt ohne diese Abhängigkeiten zu beachten, können die Modelle inkonsistent werden. Ein Entwickler ist kaum in der Lage einen Überblick über alle Modelle eines Entwicklungsprozesses und deren Abhängigkeiten zu behalten. Daher sind automatisierte Verfahren zur Wiederherstellung von Konsistenz nach Modelländerungen notwendig. Existierende Methoden erlauben die deklarative Spezifikation von Abhängigkeiten zwischen Modellen, aus denen automatisiert Mechanismen zur Konsistenzerhaltung abgeleitet werden. Diese Ansätze sind in ihrer Ausdrucksmächtigkeit beschränkt und bieten nur eingeschränkten Einfluss auf die Art und Weise in der Konsistenz wiederhergestellt wird. Sie legen automatisiert eine Art der Wiederherstellung der Konsistenz fest, obwohl es verschiedene Möglichkeiten dafür gäbe. In dieser Arbeit stellen wir die änderungsgetriebene Response-Sprache für die Konsistenzerhaltung von Modellen vor. Sie erlaubt es, die Art und Weise der Wiederherstellung von Konsistenz explizit in imperativen Programmen festzulegen, welche als Reaktion auf festgelegte Änderungen ausgeführt werden. Zusätzlich bietet sie Sprachkonstrukte an, die wiederkehrende Reaktionen kapseln und wiederverwendbar machen. Wir führen einen Konsistenzbegriff mit dem Fokus auf Verständlichkeit ein und stellen eine Kategorisierung von möglichen Modelländerungen vor. Die Sprache ist entsprechend einer allgemeingültigen Struktur für die änderungsgetriebene Wiederherstellung von Konsistenz aufgebaut, welche wir aus unserem Konsistenzbegriff herleiten. Wir stellen eine Evaluation unseres Ansatzes anhand einer Fallstudie zur Konsistenzerhaltung von Architekturbeschreibungen und deren Implementierung in objektorientiertem Code vor. Die Evaluation zeigt die Anwendbarkeit der vorgestellten Sprache für die Sicherstellung von Modellkonsistenz in diesem konkreten Fall und verdeutlicht einige Vorteile gegenüber einer manuellen Implementierung der Mechanismen zur Konsistenzerhaltung