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Model-driven engineering of self-adaptive software

Modellgetriebene Entwicklung von Selbst-Adaptiver Software

  • The development of self-adaptive software requires the engineering of an adaptation engine that controls the underlying adaptable software by a feedback loop. State-of-the-art approaches prescribe the feedback loop in terms of numbers, how the activities (e.g., monitor, analyze, plan, and execute (MAPE)) and the knowledge are structured to a feedback loop, and the type of knowledge. Moreover, the feedback loop is usually hidden in the implementation or framework and therefore not visible in the architectural design. Additionally, an adaptation engine often employs runtime models that either represent the adaptable software or capture strategic knowledge such as reconfiguration strategies. State-of-the-art approaches do not systematically address the interplay of such runtime models, which would otherwise allow developers to freely design the entire feedback loop. This thesis presents ExecUtable RuntimE MegAmodels (EUREMA), an integrated model-driven engineering (MDE) solution that rigorously uses models for engineering feedbackThe development of self-adaptive software requires the engineering of an adaptation engine that controls the underlying adaptable software by a feedback loop. State-of-the-art approaches prescribe the feedback loop in terms of numbers, how the activities (e.g., monitor, analyze, plan, and execute (MAPE)) and the knowledge are structured to a feedback loop, and the type of knowledge. Moreover, the feedback loop is usually hidden in the implementation or framework and therefore not visible in the architectural design. Additionally, an adaptation engine often employs runtime models that either represent the adaptable software or capture strategic knowledge such as reconfiguration strategies. State-of-the-art approaches do not systematically address the interplay of such runtime models, which would otherwise allow developers to freely design the entire feedback loop. This thesis presents ExecUtable RuntimE MegAmodels (EUREMA), an integrated model-driven engineering (MDE) solution that rigorously uses models for engineering feedback loops. EUREMA provides a domain-specific modeling language to specify and an interpreter to execute feedback loops. The language allows developers to freely design a feedback loop concerning the activities and runtime models (knowledge) as well as the number of feedback loops. It further supports structuring the feedback loops in the adaptation engine that follows a layered architectural style. Thus, EUREMA makes the feedback loops explicit in the design and enables developers to reason about design decisions. To address the interplay of runtime models, we propose the concept of a runtime megamodel, which is a runtime model that contains other runtime models as well as activities (e.g., MAPE) working on the contained models. This concept is the underlying principle of EUREMA. The resulting EUREMA (mega)models are kept alive at runtime and they are directly executed by the EUREMA interpreter to run the feedback loops. Interpretation provides the flexibility to dynamically adapt a feedback loop. In this context, EUREMA supports engineering self-adaptive software in which feedback loops run independently or in a coordinated fashion within the same layer as well as on top of each other in different layers of the adaptation engine. Moreover, we consider preliminary means to evolve self-adaptive software by providing a maintenance interface to the adaptation engine. This thesis discusses in detail EUREMA by applying it to different scenarios such as single, multiple, and stacked feedback loops for self-repairing and self-optimizing the mRUBiS application. Moreover, it investigates the design and expressiveness of EUREMA, reports on experiments with a running system (mRUBiS) and with alternative solutions, and assesses EUREMA with respect to quality attributes such as performance and scalability. The conducted evaluation provides evidence that EUREMA as an integrated and open MDE approach for engineering self-adaptive software seamlessly integrates the development and runtime environments using the same formalism to specify and execute feedback loops, supports the dynamic adaptation of feedback loops in layered architectures, and achieves an efficient execution of feedback loops by leveraging incrementality.show moreshow less
  • Die Entwicklung von selbst-adaptiven Softwaresystemen erfordert die Konstruktion einer geschlossenen Feedback Loop, die das System zur Laufzeit beobachtet und falls nötig anpasst. Aktuelle Konstruktionsverfahren schreiben eine bestimmte Feedback Loop im Hinblick auf Anzahl und Struktur vor. Die Struktur umfasst die vorhandenen Aktivitäten der Feedback Loop (z. B. Beobachtung, Analyse, Planung und Ausführung einer Adaption) und die Art des hierzu verwendeten Systemwissens. Dieses System- und zusätzlich das strategische Wissen (z. B. Adaptionsregeln) werden in der Regel in Laufzeitmodellen erfasst und in die Feedback Loop integriert. Aktuelle Verfahren berücksichtigen jedoch nicht systematisch die Laufzeitmodelle und deren Zusammenspiel, so dass Entwickler die Feedback Loop nicht frei entwerfen und gestalten können. Folglich wird die Feedback Loop während des Entwurfs der Softwarearchitektur häufig nicht explizit berücksichtigt. Diese Dissertation stellt mit EUREMA ein neues Konstruktionsverfahren für Feedback Loops vor. BasierendDie Entwicklung von selbst-adaptiven Softwaresystemen erfordert die Konstruktion einer geschlossenen Feedback Loop, die das System zur Laufzeit beobachtet und falls nötig anpasst. Aktuelle Konstruktionsverfahren schreiben eine bestimmte Feedback Loop im Hinblick auf Anzahl und Struktur vor. Die Struktur umfasst die vorhandenen Aktivitäten der Feedback Loop (z. B. Beobachtung, Analyse, Planung und Ausführung einer Adaption) und die Art des hierzu verwendeten Systemwissens. Dieses System- und zusätzlich das strategische Wissen (z. B. Adaptionsregeln) werden in der Regel in Laufzeitmodellen erfasst und in die Feedback Loop integriert. Aktuelle Verfahren berücksichtigen jedoch nicht systematisch die Laufzeitmodelle und deren Zusammenspiel, so dass Entwickler die Feedback Loop nicht frei entwerfen und gestalten können. Folglich wird die Feedback Loop während des Entwurfs der Softwarearchitektur häufig nicht explizit berücksichtigt. Diese Dissertation stellt mit EUREMA ein neues Konstruktionsverfahren für Feedback Loops vor. Basierend auf Prinzipien der modellgetriebenen Entwicklung (MDE) setzt EUREMA auf die konsequente Nutzung von Modellen für die Konstruktion, Ausführung und Adaption von selbst-adaptiven Softwaresystemen. Hierzu wird eine domänenspezifische Modellierungssprache (DSL) vorgestellt, mit der Entwickler die Feedback Loop frei entwerfen und gestalten können, d. h. ohne Einschränkung bezüglich der Aktivitäten, Laufzeitmodelle und Anzahl der Feedback Loops. Zusätzlich bietet die DSL eine Architektursicht auf das System, die die Feedback Loops berücksichtigt. Daher stellt die DSL Konstrukte zur Verfügung, mit denen Entwickler während des Entwurfs der Architektur die Feedback Loops explizit definieren und berücksichtigen können. Um das Zusammenspiel der Laufzeitmodelle zu erfassen, wird das Konzept eines sogenannten Laufzeitmegamodells vorgeschlagen, das alle Aktivitäten und Laufzeitmodelle einer Feedback Loop erfasst. Dieses Konzept dient als Grundlage der vorgestellten DSL. Die bei der Konstruktion und mit der DSL erzeugten (Mega-)Modelle werden zur Laufzeit bewahrt und von einem Interpreter ausgeführt, um das spezifizierte Adaptionsverhalten zu realisieren. Der Interpreteransatz bietet die notwendige Flexibilität, um das Adaptionsverhalten zur Laufzeit anzupassen. Dies ermöglicht über die Entwicklung von Systemen mit mehreren Feedback Loops auf einer Ebene hinaus das Schichten von Feedback Loops im Sinne einer adaptiven Regelung. Zusätzlich bietet EUREMA eine Schnittstelle für Wartungsprozesse an, um das Adaptionsverhalten im laufendem System anzupassen. Die Dissertation diskutiert den EUREMA-Ansatz und wendet diesen auf verschiedene Problemstellungen an, u. a. auf einzelne, mehrere und koordinierte als auch geschichtete Feedback Loops. Als Anwendungsbeispiel dient die Selbstheilung und Selbstoptimierung des Online-Marktplatzes mRUBiS. Für die Evaluierung von EUREMA werden Experimente mit dem laufenden mRUBiS und mit alternativen Lösungen durchgeführt, das Design und die Ausdrucksmächtigkeit der DSL untersucht und Qualitätsmerkmale wie Performanz und Skalierbarkeit betrachtet. Die Ergebnisse der Evaluierung legen nahe, dass EUREMA als integrierter und offener Ansatz für die Entwicklung selbst-adaptiver Softwaresysteme folgende Beiträge zum Stand der Technik leistet: eine nahtlose Integration der Entwicklungs- und Laufzeitumgebung durch die konsequente Verwendung von Modellen, die dynamische Anpassung des Adaptionsverhaltens in einer Schichtenarchitektur und eine effiziente Ausführung von Feedback Loops durch inkrementelle Verarbeitungsschritte.show moreshow less

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Metadaten
Author details:Thomas VogelORCiDGND
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-409755
Reviewer(s):Holger GieseORCiDGND
Publication type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of first publication:2018/04/23
Publication year:2018
Publishing institution:Universität Potsdam
Granting institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2018/03/19
Release date:2018/04/23
Tag:Domänenspezifische Modellierung; Laufzeitmodelle; Selbst-Adaptive Software; Software-Evolution; modellgetriebene Entwicklung
domain-specific modeling; model-driven engineering; runtime models; self-adaptive software; software evolution
Number of pages:xvi, 357
RVK - Regensburg classification:ST 230
Organizational units:Digital Engineering Fakultät / Hasso-Plattner-Institut für Digital Engineering GmbH
DDC classification:0 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke / 00 Informatik, Wissen, Systeme / 004 Datenverarbeitung; Informatik
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