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

Policies for Web Services

Web services are predominantly used to implement service-oriented architectures (SOA). However, there are several areas such as temporal dimensions, real-time, streaming, or efficient and flexible file transfers where web service functionality should be extended. These extensions can, for example, be achieved by using policies. Since there are often alternative solutions to provide functionality (e.g., different protocols can be used to achieve the transfer of data), the WS-Policy standard is especially useful to extend web services with policies. It allows to create policies to generally state the properties under which a service is provided and to explicitly express alternative properties. To extend the functionality of web services, two policies are introduced in this thesis: the Temporal Policy and the Communication Policy. The temporal policy is the foundation for adding temporal dimensions to a WS-Policy. The temporal policy itself is not a WS-Policy but an independent policy language that describes temporal dimensions of and dependencies between temporal policies and WS-Policies. Switching of protocol dependencies, pricing of services, quality of service, and security are example areas for using a temporal policy. To describe protocol dependencies of a service for streaming, real-time and file transfers, a communication policy can be utilized. The communication policy is a concrete WS-Policy. With the communication policy, a service can expose the protocols it depends on for a communication after its invocation. Thus, a web service client knows the protocols required to support a communication with the service. Therefore, it is possible to evaluate beforehand whether an invocation of a service is reasonable. On top of the newly introduced policies, novel mechanisms and tools are provided to alleviate service use and enable flexible and efficient data handling. Furthermore, the involvement of the end user in the development process can be achieved more easily. The Flex-SwA architecture, the first component in this thesis based on the newly introduced policies, implements the actual file transfers and streaming protocols that are described as dependencies in a communication policy. Several communication patterns support the flexible handling of the communication. A reference concept enables seamless message forwarding with reduced data movement. Based on the Flex-SwA implementation and the communication policy, it is possible to improve usability - especially in the area of service-oriented Grids - by integrating data transfers into an automatically generated web and Grid service client. The Web and Grid Service Browser is introduced in this thesis as such a generic client. It provides a familiar environment for using services by offering the client generation as part of the browser. Data transfers are directly integrated into service invocation without having to perform data transmissions explicitly. For multimedia MIME types, special plugins allow the consumption of multimedia data. To enable an end user to build applications that also leverage high performance computing resources, the Service-enabled Mashup Editor is presented that lets the user combine popular web applications with web and Grid services. Again, the communication policy provides descriptive means for file transfers and Flex-SwAs reference concept is used for data exchange. To show the applicability of these novel concepts, several use cases from the area of multimedia processing have been selected. Based on the temporal policy, the communication policy, Flex-SwA, the Web and Grid Service Browser, and the Service-enabled Mashup Editor, the development of a scalable service-oriented multimedia architecture is presented. The multimedia SOA offers, among others, a face detection workflow, a video-on-demand service, and an audio resynthesis service. More precisely, a video-on-demand service describes its dependency on a multicast protocol by using a communication policy. A temporal policy is then used to perform the description of a protocol switch from one multicast protocol to another one by changing the communication policy at the end of its validity period. The Service-enabled Mashup Editor is used as a client for the new multicast protocol after the multicast protocol has been switched. To stream single frames from a frame decoder service to a face detection service (which are both part of the face detection workflow) and to transfer audio files with the different Flex-SwA communication patterns to an audio resynthesis service, Flex-SwA is used. The invocation of the face detection workflow and the audio resynthesis service is realized with the Web and Grid Service Browser

Building Transformation Networks for Consistent Evolution of Interrelated Models

Complex software systems are described with multiple artifacts, such as code, design diagrams and others. Ensuring their consistency is crucial and can be automated with transformations for pairs of artifacts. We investigate how developers can combine independently developed and reusable transformations to networks that preserve consistency between more than two artifacts. We identify synchronization, compatibility and orchestration as central challenges, and we develop approaches to solve them

Engineering bidirectional transformations

Bidirectional transformations, like software, need to be carefully engineered in order to provide guarantees about their correctness, completeness, acceptability and usability. This paper summarises a collection of lectures pertaining to engineering bidirectional transformations using Model-Driven Engineering techniques and technologies. It focuses on stages of a typical engineering lifecycle, starting with requirements and progressing to implementation and verification. It summarises Model-Driven Engineering approaches to capturing requirements, architectures and designs for bidirectional transformations, and suggests an approach for verification as well. It concludes by describing some challenges for future research into engineering bidirectional transformations

Database Principles and Technologies – Based on Huawei GaussDB

This open access book contains eight chapters that deal with database technologies, including the development history of database, database fundamentals, introduction to SQL syntax, classification of SQL syntax, database security fundamentals, database development environment, database design fundamentals, and the application of Huawei’s cloud database product GaussDB database. This book can be used as a textbook for database courses in colleges and universities, and is also suitable as a reference book for the HCIA-GaussDB V1.5 certification examination. The Huawei GaussDB (for MySQL) used in the book is a Huawei cloud-based high-performance, highly applicable relational database that fully supports the syntax and functionality of the open source database MySQL. All the experiments in this book can be run on this database platform. As the world’s leading provider of ICT (information and communication technology) infrastructure and smart terminals, Huawei’s products range from digital data communication, cyber security, wireless technology, data storage, cloud computing, and smart computing to artificial intelligence

Software Engineering Laboratory Series: Collected Software Engineering Papers

The Software Engineering Laboratory (SEL) is an organization sponsored by NASA/GSFC and created to investigate the effectiveness of software engineering technologies when applied to the development of application software. The activities, findings, and recommendations of the SEL are recorded in the Software Engineering Laboratory Series, a continuing series of reports that includes this document

Database Principles and Technologies – Based on Huawei GaussDB

This open access book contains eight chapters that deal with database technologies, including the development history of database, database fundamentals, introduction to SQL syntax, classification of SQL syntax, database security fundamentals, database development environment, database design fundamentals, and the application of Huawei’s cloud database product GaussDB database. This book can be used as a textbook for database courses in colleges and universities, and is also suitable as a reference book for the HCIA-GaussDB V1.5 certification examination. The Huawei GaussDB (for MySQL) used in the book is a Huawei cloud-based high-performance, highly applicable relational database that fully supports the syntax and functionality of the open source database MySQL. All the experiments in this book can be run on this database platform. As the world’s leading provider of ICT (information and communication technology) infrastructure and smart terminals, Huawei’s products range from digital data communication, cyber security, wireless technology, data storage, cloud computing, and smart computing to artificial intelligence

Applying latent semantic analysis to computer assisted assessment in the Computer Science domain: a framework, a tool, and an evaluation

This dissertation argues that automated assessment systems can be useful for both students and educators provided that the results correspond well with human markers. Thus, evaluating such a system is crucial. I present an evaluation framework and show how and why it can be useful for both producers and consumers of automated assessment systems. The framework is a refinement of a research taxonomy that came out of the effort to analyse the literature review of systems based on Latent Semantic Analysis (LSA), a statistical natural language processing technique that has been used for automated assessment of essays. The evaluation framework can help developers publish their results in a format that is comprehensive, relatively compact, and useful to other researchers. The thesis claims that, in order to see a complete picture of an automated assessment system, certain pieces must be emphasised. It presents the framework as a jigsaw puzzle whose pieces join together to form the whole picture. The dissertation uses the framework to compare the accuracy of human markers and EMMA, the LSA-based assessment system I wrote as part of this dissertation. EMMA marks short, free text answers in the domain of computer science. I conducted a study of five human markers and then used the results as a benchmark against which to evaluate EMMA. An integral part of the evaluation was the success metric. The standard inter-rater reliability statistic was not useful; I located a new statistic and applied it to the domain of computer assisted assessment for the first time, as far as I know. Although EMMA exceeds human markers on a few questions, overall it does not achieve the same level of agreement with humans as humans do with each other. The last chapter maps out a plan for further research to improve EMMA