Leistungsbewertung automatisch generierter Protokollimplementierungen mit Estelle

Formale Beschreibungstechniken (FDTs) erlauben durch ihre formale Syntax und Semantik eine präzise Systembeschreibung und sind Grundlage für die formale Verifikation. Bei der Implementierung von Systemen wird jedoch nach wie vor von Hand implementiert, selbst wenn ausgereifte Werkzeuge zur automatischen Generierung von Kode direkt aus der formalen Spezifikation existieren. Die Ursache dafür liegt in dem Ruf dieser Werkzeuge, Kode mit extrem geringer Leistungsfähigkeit zu erzeugen. Es gibt jedoch kaum quantitative Leistungsvergleiche zwischen manuell und automatisch generierten Implementierungen, die dieses Vorurteil stützen oder widerlegen könnten. In diesem Beitrag wird ein solcher Leistungsvergleich anhand des Hochleistungsprotokolls XTP und der FDT Estelle vorgestellt. Er liefert eine Bestandsaufnahme des momentanen Entwicklungsstandes bei der automatischen Generierung von Kode aus Estelle-Spezifikationen im direkten Vergleich zu gut optimierten Handimplementierungen. Es zeigt sich, daß in dem betrachteten Fall eines komplexen Protokolls die Handimplementierung zwar merklich leistungsstärker ist. Dieser Leistungsvorteil wird jedoch durch einen sehr hohen Implementierungsaufwand sowie die Schwierigkeit, die Korrektheit bzgl. der Spezifikation sicherzustellen, erkauft. Im einzelnen Anwendungsfall kann es daher trotz der Leistungseinbußen durchaus vorteilhaft sein, automatisch Kode zu erzeugen, zumal in der Bestandsaufnahme festgestellt wurde, daß automatisch generierte Implementierungen z.T. besser abschneiden als erwartet. Zudem besteht - anders als bei der bereits umfassend optimierten Handimplementierung - noch ein erhebliches ungenutztes Potential zur Leistungsverbesserung der automatisch generierten Implementierung

Beiträge zur Automatisierung der frühen Entwurfsphasen verteilter Systeme

With the rapid increasing speed of electronic devices systems with highercomplexity, interconnectedness and heterogeneity can be developed. The developmentof such systems can only be done by teams of specialists. Atthe same time the development needs to happen in parallel to ensure anearly time to market. Therefore in the traditional design process the designis described in form of a written specification of the common system andpartitioned to several teams. This takes place in early design stages at highproduct uncertainty. Sub system development assumptions and decisions aremade without being able to evaluate the effect on the common system. Thusmany critical errors, especially those, caused by coupling effects, are discoveredduring system integration at the end of the design process. Furthermorean optimization of the common system is not possible, because of the lack ofa common system model. Hence the traditional design process is a high riskdevelopment process. In the Mission Level Design approach, an executable specification of thecommon system instead of a written specification is developed after conceptdevelopment. These is validated and optimized against the requirements ofthe common system. The such validated specification of the coupled systemis then passed on to specialist teams for sub system development. The subsystems are then integrated. In this manner integration problems can besolved in the early design stages. Development time and risk can be reducedsignificantly. To increase the specification quality and speed while developing common systemmodels, in the present work, standardized methods for specification andperformance evaluation of distributed systems and methods for automatedmapping of function into architecture are developed. This allows architectureoptimization of the common system in the early design stages. In addition,methods for transformation of the abstract design into implementations aredeveloped.Mit der rapide steigenden Geschwindigkeit elektronischer Bauelemente könnenSysteme mit erhöhter Komplexität, Vernetzung und Heterogenität entwickeltwerden. Dies hat zur Folge, dass eine Entwicklung nur durch Teamsvon Spezialisten durchführbar ist. Gleichzeitig muss die Entwicklung parallelerfolgen, um eine möglichst frühzeitige Produkteinführung zu ermöglichen.Im traditionellen Entwurfsprozess wird daher der Entwurf in Form einer geschriebenenSpezifikation des Gesamtsystems erfasst und anschließend aufmehrere Teams aufgeteilt. Dies erfolgt in den frühen Entwurfsphasen, welchedurch eine hohe Unsicherheit über das Produkt gekennzeichnet sind. Dabeimüssen bei der Entwicklung der Subsysteme Annahmen und Entscheidungengetroffen werden, ohne den Einfluss auf das Gesamtsystem abschätzenzu können. Kopplungseffekte werden weitestgehend ignoriert. Viele kritische,insbesondere durch Kopplungseffekte hervorgerufene Fehler, können folglicherst bei der Integration am Ende der Entwicklung entdeckt werden. Zudem isteine Optimierung des Gesamtsystems nicht möglich, da kein Gesamtsystemmodellvorliegt. Der traditionelle Entwurfsprozess besitzt daher ein hohesEntwicklungsrisiko. Beim Entwurfsansatz Mission Level Design wird nach dem Konzeptentwurfanstatt einer geschriebenen eine ausführbare Spezifikation des Gesamtsystemsentwickelt. Diese wird gegen die Gesamtsystemanforderungen validiertund optimiert. Daraufhin wird die Spezifikation des gekoppelten Gesamtsystemsan mehrere Teams zur Entwicklung der Subsysteme weitergegeben,welche dann wieder zu einem Gesamtsystem integriert werden. Integrationsproblemewerden so schon in den frühen Entwurfsphasen gelöst, was einewesentliche Verringerung von Entwicklungszeit und -risiko bewirkt. Um die Spezifikationsqualität und -geschwindigkeit bei der Entwicklung vonGesamtsystemmodellen zu erhöhen, werden im Rahmen der Arbeit standardisierteMethoden zur Beschreibung und Leistungsbewertung verteilterSysteme, sowie zum automatisierten Mapping von Funktion in Architekturentwickelt. Dies ermöglicht bereits in den frühen Entwurfsphasen eine Architekturoptimierungdes Gesamtsystems. Zusätzlich werden Methoden zurÜberführung des abstrakten Entwurfs in Implementationen entwickelt

Konzeption und Realisierungsentwurf eines Projekt-Management-Systems auf der Basis einer Wissensdatenbank für die Projektierung von Extrusionsblasteilen für die Automobilzulieferindustrie

Der Ausgangspunkt der Arbeit ist der heutige Ablauf von Projekten in einem mittelständischen Extrusionsblasformunternehmen der Automobilzulieferindustrie. Die Anforderungen von Seiten der Original Equipment Manufacturer (OEM) und der Wettbewerbsdruck machen es erforderlich, die Produktivität in der Entwicklung zu erhöhen. Die Komponenten der Informationstechnologie, die bereits heute in der Literatur beschrieben sind, werden analysiert. Das Informations- und Wissensmanagement ist ein wichtiges Standbein eines funktionierenden PMS. Dies wird im Zuge der Grundlagenuntersuchung verdeutlicht und mit einem Abgleich der Anforderungen und Möglichkeiten ein theoretisch geeignetes Datenbanksystem dargestellt. Mit dieser Grundlage ist nun eine praxisorientierte Planung für eine Umsetzung eines PMS auf Basis einer Datenbank beschrieben. Neben der Programmstruktur und der Festlegung von Nutzergruppen, sowie deren Rechte und Aufgaben, wird die technische Lösung dargestellt. Es wird gezeigt, welche Funktionalitäten angeboten werden müssen, damit das Wissen erfasst, integriert und genutzt werden kann.. Basis hierfür ist die Vorgabe, das System auch in den dezentral organisierten Unternehmen der Extrusionsblasformindustrie einsetzen zu können. Das Ergebnis ist ein System, das explizites und implizites Wissen aller Mitarbeiter miteinander verknüpft. Durch den sehr einfachen Aufbau kann es auch ohne zusätzliche Hardware und mit wenig zusätzlichen Softwareaufwand in eine existierende IT-Architektur eingebracht werden. Der Abschluss der Planung ist eine exemplarische Umsetzung. Die Realisierungsbeschreibung dient zur Veranschaulichung, wie ein solches System integriert werden kann. Die Kosten-Nutzen Analyse schließt diese exemplarische Darstellung ab und zeigt Kriterien auf, die zu einer finanziellen Bewertung herangezogen werden können

Modellierung von Kommunikationssystemen zum Zweck der Systemanalyse und des Systementwurfs

Einen wesentlichen Beitrag zu Innovationen und Weiterentwicklungen in der Automobilindustrie leisten elektronische Komponenten. Der funktionale Wachstum in den Bereichen Sicherheit, Komfort und Fahrerassistenz führt zu einer Erhöhung der Komplexität. Neben der Anzahl der Komponenten steigert sich auch der Bedarf an Kooperation und Datenaustausch. Insbesondere by-wire- und Assistenzsysteme (Hochautomatisiertes Fahren) zeichnen sich durch hohe Anforderungen in den Bereichen Zuverlässigkeit, Datenkonsistenz, Fehlertoleranz und Ausfallsicherheit aus. Die Zusammenarbeit einzelner Steuergeräte fordert von der Kommunikationsstruktur neben hohen Datenraten auch Determinismus und Echtzeitverhalten. Die Entwicklung dieser komplexen verteilten Systeme profitiert durch modellbasierte Entwurfsprozesse. Der Nachweis von grundlegenden Systemeigenschaften mit dem Schwerpunkt Kommunikation soll bereits in frühen Entwurfsphasen mit Hilfe von ausführbaren Spezifikationen modell- und simulationsbasiert erfolgen. In dieser Arbeit wird ein Modellierungsansatz entworfen, welcher die typischen ereignis- und zeitgesteuerten Protokolle in der Domäne Automotive adressiert. Der Fokus liegt auf den Buszugriffsverfahren. Modelle auf unterschiedlichen Abstraktionsebenen werden am Beispiel von Controller Area Network (CAN) und FlexRay definiert und realisiert. Neben der reinen Kommunikation werden die angrenzenden Themenfelder Gateway (heterogene Kopplung) und Betriebssystem berücksichtigt. Detaillierte Modelle eignen sich zur Analyse spezifischer Protokolleigenschaften sowie zur Weiterentwicklung von Protokollfunktionen auf Modellebene. Mit abstrakteren Modellen lassen sich Leistungs- und Eigenschaftsanalysen von großen heterogenen Systemen durchführen. Echtzeitkommunikation, vernetzte Systeme und Anwendungsfelder für modellbasierte Entwurfsprozesse finden sich auch außerhalb des Automobilbereiches. Die Anwendung wird am Beispiel der Entwicklung und Optimierung eines komplexen verteilten Systems zur Steuerung einer Nanopositionier- und Nanomessmaschine demonstriert. Innerhalb des Entwicklungsprozesses werden Entwurf, Realisierung und Leistungsbewertung bezüglich der Architektur des Gesamtsystems, der Verteilung von Funktionen und der Realisierung einzelner Komponenten sowie applikationsspezifische Kommunikationsprotokolle betrachtet.Major innovations and improvements in the automotive industry base on the electronic components. The growing number of functionality in the areas safety, comfort and driver assistance lead to an increase of the complexity. Not only the number of components increase. Especially to realize complex assistance systems the cooperation and data exchange gets more important. In particular, by-wire and assistance systems (highly-automated driving) have high requirements on reliability, data consistency and safety. The cooperation of single control units to realize these complex functions require not only high data rates but also determinism and real-time behavior of the communication architecture. The development of these complex distributed systems benefits from model-based design processes. The verification and validation of system properties with a focus on communication should be possible in early design phases using model and simulation-based approaches based on executable specifications. In this thesis, a modeling approach is developed addressing the typical event-driven and time-triggered protocols in the automotive domain. Models on different abstraction levels are defined and implemented. The Controller Area Network (CAN) and FlexRay are used as examples. Beside the communication protocols some related topics: gateway-functionality (heterogeneous communication) and operating system. The developed detailed models are adequate for the analysis of specific protocol properties as well as the improvement of protocol functions on model level. More abstract models can be used to analyze the performance, real-time behavior and characteristics of large heterogeneous systems. Real-time communication, distributed embedded systems and model-based design processes are not limited to the automotive sector. Therefore the utilization of the modeling approach is demonstrated within the development and optimization of a distributed embedded system: a signal- and dataprocessing unit of a nanopositioning- and nanomeasuringmachine. The example covers most parts of the development process. Selected topics are the design of the system architecture, the distributed allocation of functionality, the realization of single components and the development of application specific communication protocols

Maintaining Privacy in a Blockchain-based Platform: Application to Aviation Industry MRO Documentation

MRO-Dokumentationen (MRO, deutsch: Wartung, Reparatur und Instandsetzung) der Luftfahrtindustrie sind notwendig, um die Flugtauglichkeit von Flugzeugersatzteilen zu zertifizieren und den Handel mit Teilen auf dem Sekundärmarkt zu ermöglichen. Da Dokumente wettbewerbsrelevante Daten enthalten können, werden diese vertraulich behandelt. Dennoch besteht die Verpflichtung, die Validität von Dokumentationshistorien gegenüber Behörden und Handelspartnern nachzuweisen. Die Dokumentationspraxis ist durch analoge Erfassung sowie unterschiedliche Prozesse und Systeme geprägt. Dieser Umstand erhöht die Fehleranfälligkeit und Manipulierbarkeit von Dokumenten. Eine standardisierte Datenerfassung sowie der Einsatz eines einheitlichen Systems könnten zur Optimierung der Prozesse beitragen. Öffentliche Blockchains und der Einsatz von Smart-Contract-Systemen gewährleisten die Datenintegrität, ohne dass sich die Netzwerkteilnehmer gegenseitig vertrauen müssen. Durch automatische Überprüfung von Verträgen oder Dateneingaben können Fehler leicht identifiziert werden. Anreizsysteme erschweren zudem die Manipulation gespeicherter Daten und erhöhen deren Persistenz im System. Die Transparenz öffentlicher Netzwerke behindert die Adaption der Blockchain-Technologie zur Verbesserung der MRO-Dokumentationsprozesse. Ein Zielkonflikt entsteht aus der Unvereinbarkeit von Privatsphäre-Anforderungen einerseits und den Spezifikationen öffentlicher Blockchain-Netzwerke andererseits. Private oder konsortiale Blockchain-Anwendungen stellen einen Kompromiss dar, lösen das Problem aber nicht. Dieser Artikel folgt einem Design Science Research (DSR) Ansatz und stellt die Infrastruktur einer Blockchain-basierten Plattform für die MRO-Branche vor, die eine Lösung des beschriebenen Zielkonfliktes für den Anwendungsfall adressiert und damit die Grundlage für eine standardisierte Dokumentationspraxis bildet. Berücksichtigte Anforderungen und Designprinzipien sowie die abgeleiteten technischen Spezifikationen erläutern allgemein, wie Daten in Blockchain-basierten Plattformen vertraulich geteilt und validiert werden können.Aviation industry MRO (MRO: maintenance, repair and overhaul) documentation is necessary to certify aircraft spare parts’ airworthiness and allow parts to be traded on the secondary market. Since the documents may contain competitively sensitive data, they are treated confidentially. Nevertheless, there is an obligation to demonstrate the validity of documentation histories to authorities and trading partners. Documentation practice is characterized by analog recording and varying processes and systems. This circumstance increases the susceptibility to errors and manipulation of documents. Standardized data capture and a unified system could help optimize processes. Public blockchains and smart contract systems ensure data integrity without needing network participants to trust each other. Errors can be easily identified through automatic verification of contracts or data entries. Incentive systems also make it challenging to manipulate stored data and increase its persistence in the system. The transparency of public networks hinders the adaptation of blockchain technology to improve MRO documentation processes. A trade-off arises from the incompatibility of privacy requirements on the one hand and the specifications of public blockchain networks on the other. Private or consortium blockchain applications represent a compromise but do not solve the problem. This article follows a DSR approach and presents the infrastructure of a blockchain-based platform for the MRO industry that addresses a solution to the described trade-off for the use case and thus forms the basis for a standardized documentation practice. Considered requirements and design principles, as well as the derived technical specifications, explain in general terms how data can be confidentially shared and validated in blockchain-based platforms

Vergleichende Darstellung unterschiedlicher Qualitätsmanagementsysteme in der Fleischwirtschaft unter besonderer Berücksichtigung der Effizienz und Praktikabilität

Im Rahmen dieser Arbeit wurde versucht die gängigsten Qualitätsmanagementsysteme in der Lebensmittelbranche vergleichend miteinander zu betrachten, wobei zudem auf Effizienz und Anwendbarkeit bei deren praktischen Umsetzung ein besonderes Augenmerk gerichtet wurde. Grundlage dazu bildete die schrittweise durchgeführte, und über annähernd zwei Jahre dauernde, Implementierung dieser Systeme in einem fleischverarbeitenden Betrieb, die hier in komprimierter Form dargelegt wurde

Generierung von effizienten Security-/Safety-Monitoren aus modellbasierten Beschreibungen

Computer werden heute zunehmend durch kleine Recheneinheiten mit Sensoren zur Erfassung der Außenwelt ergänzt. Diese Recheneinheiten kommunizieren untereinander und mit externen Einheiten, um Informationen weiterzugeben und sich untereinander abzustimmen. Hierdurch findet auch eine Öffnung von sicherheitskritischen eingebetteten Systemen nach außen statt. Die Systeme können nun entweder direkt oder indirekt über zusätzliche Einheiten angegriffen werden. Des Weiteren ist die auf eingebetteten Systemen eingesetzte Software durch beschränkte Ressourcen auf das Nötigste reduziert und bietet keine komplexen Sicherheitsmechanismen. Maßnahmen wie Testen von Software kann deren Fehlerfreiheit nicht sicherstellen. In realen Systemen ist zudem davon auszugehen, dass nicht bekannte Fehler existieren, die u.a. auch von Angreifern ausgenutzt werden können. Die Laufzeitüberwachung solcher Systeme hat sich als geeignet erwiesen, um auch unbekannte Angriffe und Fehler zu erkennen. Zur Spezifikation solcher Laufzeitmonitore über Beschreibungen (Signaturen) von erlaubtem und verbotenem Verhalten haben sich viele verschiedene Spezifikationssprachen herausgebildet. Diese basieren auf verschiedensten Modellierungskonzepten. Zur Generierung von Monitoren aus diesen Spezifikationen in Software und Hardware müssen für die unterschiedlichen Sprachen verschiedenste Codegeneratoren erstellt werden. Des Weiteren besitzen einige der gewöhnlich verwendeten einfach zu verstehenden Spezifikationssprachen keine formalisierte Syntax und Semantik. In dieser Arbeit wird zusammen mit [Pat14] der Model-based Security/Safety Monitor (MBSecMon)-Entwicklungsprozess vorgestellt. Dieser umfasst parallel zu dem eigentlichen Softwareentwicklungsprozess des zu überwachenden Systems die Spezifikation, die Generierung und die Einbindung von Laufzeitmonitoren. Ziel dieser Arbeit ist die Definition einer formal definierten Zwischensprache zur Repräsentation stark verschränkter nebenläufiger Kommunikationen. Zu ihrer Entwicklung werden Anforderungen basierend auf existierenden Arbeiten aufgestellt. Auf Grundlage dieser Anforderungen wird die Zwischensprache Monitor-Petrinetze (MPN) entworfen und formal definiert. Diese Zwischensprache unterstützt die Repräsentation von Signaturen, die in verschiedensten Spezifikationssprachen modelliert sind, und die Generierung von effizienten Laufzeitmonitoren für unterschiedliche Zielplattformen. Die MPNs sind ein auf Petrinetzen basierender Formalismus, der um Konzepte der Laufzeitüberwachung erweitert wurde. Es wird gezeigt, dass die MPN-Sprache alle ermittelten Anforderungen an eine solche Zwischensprache, bis auf ein Hierarchisierungskonzept für Ereignisse, das in dieser Arbeit nicht behandelt wird, erfüllt. Die MPN-Sprache wird in einem prototypischen Werkzeug zur Monitorgenerierung eingesetzt. Dieses unterstützt die MBSecMon-Spezifikationssprache [Pat14] als Eingabesprache und verwendet die MPN-Sprache als Zwischenrepräsentation zur Monitorgenerierung für verschiedenste Plattformen und Zielsprachen. Die generierten Monitore werden auf ihr Laufzeitverhalten und ihren Speicherverbrauch evaluiert. Es hat sich gezeigt, dass sich die MPN-Sprache trotz ihrer hohen Ausdrucksstärke zur einfachen Generierung effizienter Laufzeitmonitore für verschiedenste Plattformen und Zielsprachen eignet

Die Integration des ANT Protokolls in LabVIEW zur Erstellung drahtloser Messsysteme im Sport, dargestellt am Beispiel eines Feedbacksystems zur Optimierung des Zielverhaltens im Biathlonsport

Aktuelle Entwicklungen im Bereich der Computertechnik ermöglichen es, drahtlose Feed-back- und Messsysteme im Bereich des Sports zu entwickeln. Das ANT Protokoll und die SensRcore Technologie Produkte dieses Trends. Diese Magisterarbeit zeigt die Integration des ANT Protokolls und der Hardware in die Entwicklungsumgebung LabVIEW. Die Pro-grammierung und technische Details zur Bereitstellung der Schnittstellen werden erörtert. Ab-schließend werden diese Technologien zum Erstellen eines drahtlosen Feedbacksystems zur Optimierung des Zielvorganges im Biathlonsport genutzt. Die zur Programmierung verwen-deten Werkzeuge sind LabVIEW und Visual C++. Der Leserin bzw. dem Leser wird der Um-gang mit diesen Technologien und Werkzeugen erläutert um so eigene Feedbacksysteme erstellen zu können. Dieser Arbeit liegt eine CD mit den Quellcodes der vorgestellten Systeme bei.Current trend in hardware and computer technology allow the development of wireless feed-back and measurement systems designed to improve athletic performance. The ANT network protocol and the SensRcore technology reflect this trend. This paper shows the integration of the ANT network protocol and SensRcore Hardware in the development environment Lab-VIEW. The programming process and technical details to create the necessary interfaces be-tween those technologies are described in this thesis. The usage of the created programs is de-scribed within the development of a feedback system to optimize the target activity in biath-lon. LabVIEW and Visual C++ were used to program those interfaces. The reader should be enabled to create own applications using the technologies described within this paper

Vergleich von javabasierten Application-Servern auf Basis der Entwicklung eines verteilten Beschaffungssystems für die Universität

Inhalt der Diplomarbeit ist die Entwicklung einer verteilten Anwendung zur rechnergestützten Durchführung von Bestellprozessen zwischen den Einrichtungen (Fakultäten, Institute und Dezernate) und der zentralen Beschaffung der Universität Leipzig. Im Rahmen dieser Aufgabe wird nach einer eingehenden Analyse der Prozesse zwischen den beteiligten Parteien eine Applikation auf Basis einer Dreischicht-Architektur mit javasierten Application-Servern entwickelt. Weitere Bestandteile der Arbeit sind Untersuchungen zum Performanceverhalten der Applikation unter verschiedenen Application-Servern und ein Ausblick zu Einsatzgebieten eines Data Warehouses im Rahmen der Applikation. Die entwickelte Applikation ist seit März April 2002 im produktiven Einsatz