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Modellbasierte Modulprüfung für die Entwicklung technischer, softwareintensiver Systeme mit Real-Time Object-Oriented Modeling

Model-based unit-testing for software-intensive, technical systems using real-time object-oriented modeling

  • Mit zunehmender Komplexität technischer Softwaresysteme ist die Nachfrage an produktiveren Methoden und Werkzeugen auch im sicherheitskritischen Umfeld gewachsen. Da insbesondere objektorientierte und modellbasierte Ansätze und Methoden ausgezeichnete Eigenschaften zur Entwicklung großer und komplexer Systeme besitzen, ist zu erwarten, dass diese in naher Zukunft selbst bis in sicherheitskritische Bereiche der Softwareentwicklung vordringen. Mit der Unified Modeling Language Real-Time (UML-RT) wird eine Softwareentwicklungsmethode für technische Systeme durch die Object Management Group (OMG) propagiert. Für den praktischen Einsatz im technischen und sicherheitskritischen Umfeld muss diese Methode nicht nur bestimmte technische Eigenschaften, beispielsweise temporale Analysierbarkeit, besitzen, sondern auch in einen bestehenden Qualitätssicherungsprozess integrierbar sein. Ein wichtiger Aspekt der Integration der UML-RT in ein qualitätsorientiertes Prozessmodell, beispielsweise in das V-Modell, ist die Verfügbarkeit von ausgereiftenMit zunehmender Komplexität technischer Softwaresysteme ist die Nachfrage an produktiveren Methoden und Werkzeugen auch im sicherheitskritischen Umfeld gewachsen. Da insbesondere objektorientierte und modellbasierte Ansätze und Methoden ausgezeichnete Eigenschaften zur Entwicklung großer und komplexer Systeme besitzen, ist zu erwarten, dass diese in naher Zukunft selbst bis in sicherheitskritische Bereiche der Softwareentwicklung vordringen. Mit der Unified Modeling Language Real-Time (UML-RT) wird eine Softwareentwicklungsmethode für technische Systeme durch die Object Management Group (OMG) propagiert. Für den praktischen Einsatz im technischen und sicherheitskritischen Umfeld muss diese Methode nicht nur bestimmte technische Eigenschaften, beispielsweise temporale Analysierbarkeit, besitzen, sondern auch in einen bestehenden Qualitätssicherungsprozess integrierbar sein. Ein wichtiger Aspekt der Integration der UML-RT in ein qualitätsorientiertes Prozessmodell, beispielsweise in das V-Modell, ist die Verfügbarkeit von ausgereiften Konzepten und Methoden für einen systematischen Modultest. Der Modultest dient als erste Qualititätssicherungsphase nach der Implementierung der Fehlerfindung und dem Qualitätsnachweis für jede separat prüfbare Softwarekomponente eines Systems. Während dieser Phase stellt die Durchführung von systematischen Tests die wichtigste Qualitätssicherungsmaßnahme dar. Während zum jetzigen Zeitpunkt zwar ausgereifte Methoden und Werkzeuge für die modellbasierte Softwareentwicklung zur Verfügung stehen, existieren nur wenig überzeugende Lösungen für eine systematische modellbasierte Modulprüfung. Die durchgängige Verwendung ausführbarer Modelle und Codegenerierung stellen wesentliche Konzepte der modellbasierten Softwareentwicklung dar. Sie dienen der konstruktiven Fehlerreduktion durch Automatisierung ansonsten fehlerträchtiger, manueller Vorgänge. Im Rahmen einer modellbasierten Qualitätssicherung sollten diese Konzepte konsequenterweise in die späteren Qualitätssicherungsphasen transportiert werden. Daher ist eine wesentliche Forderung an ein Verfahren zur modellbasierten Modulprüfung ein möglichst hoher Grad an Automatisierung. In aktuellen Entwicklungen hat sich für die Generierung von Testfällen auf Basis von Zustandsautomaten die Verwendung von Model Checking als effiziente und an die vielfältigsten Testprobleme anpassbare Methode bewährt. Der Ansatz des Model Checking stammt ursprünglich aus dem Entwurf von Kommunikationsprotokollen und wurde bereits erfolgreich auf verschiedene Probleme der Modellierung technischer Software angewendet. Insbesondere in der Gegenwart ausführbarer, automatenbasierter Modelle erscheint die Verwendung von Model Checking sinnvoll, das die Existenz einer formalen, zustandsbasierten Spezifikation voraussetzt. Ein ausführbares, zustandsbasiertes Modell erfüllt diese Anforderungen in der Regel. Aus diesen Gründen ist die Wahl eines Model Checking Ansatzes für die Generierung von Testfällen im Rahmen eines modellbasierten Modultestverfahrens eine logische Konsequenz. Obwohl in der aktuellen Spezifikation der UML-RT keine eindeutigen Aussagen über den zur Verhaltensbeschreibung zu verwendenden Formalismus gemacht werden, ist es wahrscheinlich, dass es sich bei der UML-RT um eine zu Real-Time Object-Oriented Modeling (ROOM) kompatible Methode handelt. Alle in dieser Arbeit präsentierten Methoden und Ergebnisse sind somit auf die kommende UML-RT übertragbar und von sehr aktueller Bedeutung. Aus den genannten Gründen verfolgt diese Arbeit das Ziel, die analytische Qualitätssicherung in der modellbasierten Softwareentwicklung mittels einer modellbasierten Methode für den Modultest zu verbessern. Zu diesem Zweck wird eine neuartige Testmethode präsentiert, die auf automatenbasierten Verhaltensmodellen und CTL Model Checking basiert. Die Testfallgenerierung kann weitgehend automatisch erfolgen, um Fehler durch menschlichen Einfluss auszuschließen. Das entwickelte Modultestverfahren ist in die technischen Konzepte Model Driven Architecture und ROOM, beziehungsweise UML-RT, sowie in die organisatorischen Konzepte eines qualitätsorientierten Prozessmodells, beispielsweise das V-Modell, integrierbar.show moreshow less
  • In consequence to the increasing complexity of technical software-systems the demand on highly productive methods and tools is increasing even in the field of safety-critical systems. In particular, object-oriented and model-based approaches to software-development provide excellent abilities to develop large and highly complex systems. Therefore, it can be expected that in the near future these methods will find application even in the safety-critical area. The Unified Modeling Language Real-Time (UML-RT) is a software-development methods for technical systems, which is propagated by the Object Management Group (OMG). For the practical application of this method in the field of technical and safety-critical systems it has to provide certain technical qualities, e.g. applicability of temporal analyses. Furthermore, it needs to be integrated into the existing quality assurance process. An important aspect of the integration of UML-RT in an quality-oriented process model, e.g. the V-Model, represents the availability of sophisticatedIn consequence to the increasing complexity of technical software-systems the demand on highly productive methods and tools is increasing even in the field of safety-critical systems. In particular, object-oriented and model-based approaches to software-development provide excellent abilities to develop large and highly complex systems. Therefore, it can be expected that in the near future these methods will find application even in the safety-critical area. The Unified Modeling Language Real-Time (UML-RT) is a software-development methods for technical systems, which is propagated by the Object Management Group (OMG). For the practical application of this method in the field of technical and safety-critical systems it has to provide certain technical qualities, e.g. applicability of temporal analyses. Furthermore, it needs to be integrated into the existing quality assurance process. An important aspect of the integration of UML-RT in an quality-oriented process model, e.g. the V-Model, represents the availability of sophisticated concepts and methods for systematic unit-testing. Unit-testing is the first quality assurance phase after implementation to reveal faults and to approve the quality of each independently testable software component. During this phase the systematic execution of test-cases is the most important quality assurance task. Despite the fact, that today many sophisticated, commercial methods and tools for model-based software-development are available, no convincing solutions exist for systematic model-based unit-testing. The use of executable models and automatic code generation are important concepts of model-based software development, which enable the constructive reduction of faults through automation of error-prone tasks. Consequently, these concepts should be transferred into the testing phases by a model-based quality assurance approach. Therefore, a major requirement of a model-based unit-testing method is a high degree of automation. In the best case, this should result in fully automatic test-case generation. Model checking already has been approved an efficient and flexible method for the automated generation of test-cases from specifications in the form of finite state-machines. The model checking approach has been developed for the verification of communication protocols and it was applied successfully to a wide range of problems in the field of technical software modelling. The application of model checking demands a formal, state-based representation of the system. Therefore, the use of model checking for the generation of test-cases is a beneficial approach to improve the quality in a model-based software development with executable, state-based models. Although, in its current state the specification of UML-RT provides only little information on the semantics of the formalism that has to be used to specify a component’s behaviour, it can be assumed that it will be compatible to Real-Time Object-Oriented Modeling. Therefore, all presented methods and results in this dissertation are transferable to UML-RT. For these reasons, this dissertations aims at the improvement of the analytical quality assurance in a model-based software development process. To achieve this goal, a new model-based approach to automated unit-testing on the basis of state-based behavioural models and CTL Model Checking is presented. The presented method for test-case generation can be automated to avoid faults due to error-prone human activities. Furthermore it can be integrated into the technical concepts of the Model Driven Architecture and ROOM, respectively UML-RT, and into a quality-oriented process model, like the V-Model.show moreshow less

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Metadaten
Author:Christopher Robinson-Mallett
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-6045
Advisor:Peter Liggesmeyer
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2005
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2005/10/28
Release Date:2005/11/18
Tag:Entwurf; Modellbasiert; Software; Test
design; model-based; software; test
GND Keyword:Software; Test; Model Checking; Model Based Engineering
RVK - Regensburg Classification:ST 230
RVK - Regensburg Classification:ST 240
RVK - Regensburg Classification:ST 233
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Informatik und Computational Science
Dewey Decimal Classification:0 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke / 00 Informatik, Wissen, Systeme / 004 Datenverarbeitung; Informatik