T U MI N S T I T U T F U R I N F O R M A T I K

SysLab – Abschlußbericht

Manfred Broy, Ruth Breu, Franz Huber, Ingolf Kruger,Bernhard Rumpe, Wolfgang Schwerin

ABCDEFGHIJKLMNOTUM-I0008

Februar 00

T E C H N I S C H E U N I V E R S I TA T M U N C H E N

TUM-INFO-02-I0008-100/1.-FIAlle Rechte vorbehaltenNachdruck auch auszugsweise verboten

c 2000

Druck: Institut f ur Informatik derTechnischen Universit at M unchen

SysLab1.10.1994 { 30.9.1999Abs hlu�beri htManfred Broy, Ruth Breu, Franz Huber,Ingolf Kr�uger, Bernhard Rumpe, Wolfgang S hwerinFors hungslabor SysLabFakult�at f�ur InformatikTe hnis he Universit�at M�un henhttp://www4.in.tum.deFinanziert dur h Mittel der DFG aus dem Leibniz-Programm

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Inhaltsverzei hnis1 Ausgangspunkt und Fokus f�ur die Fors hungsarbeiten 31.1 Ausgangspunkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2 Die Bedeutung der Softwareentwi klung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 �Uberbli k �uber das SysLab-Fors hungslabor 53 Ausgangspunkt und Dur hf�uhrung des Fors hungslabors 63.1 Fundierung von Softwareentwi klungsmethoden . . . . . . . . . . . . . . 63.2 Grunds�atzli he Bedeutung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.3 Auswahl des Anwendungsberei hs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.4 Zielri htung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.5 Organisationsstruktur des Fors hungslabors . . . . . . . . . . . . . . . . 83.6 Einbettung des Fors hungslabors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Ergebnisse 104.1 Das SysLab-Bu h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104.2 Vorgehensmodell und Methodik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124.3 �Ubersi hten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144.4 Grundlagen: Syntax und Semantik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144.5 Software-Ar hitektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154.6 Message Sequen e Charts (MSC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174.7 State harts und verwandte Automatenmodelle . . . . . . . . . . . . . . . 174.8 Work ow und Ges h�aftsproze�modellierung . . . . . . . . . . . . . . . . 184.9 UML . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194.10 Werkzeugunterst�utzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194.11 Organisation wissens haftli her Tre�en . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234.12 Lehre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 Abs hlie�ende Bewertung 24

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1 Ausgangspunkt und Fokus f�ur die Fors hungsarbeitenDer Leibniz-Preis der Deuts hen Fors hungsgemeins haft erm�ogli ht es, im Gegensatzzu vielen anderen Fors hungsf�orderungswegen, wo grunds�atzli h auf Antrag dur hge-plante Fors hungsprojekte genehmigt werden, Fors hung sehr exibel und aktuell zuorganisieren. Insbesondere k�onnen s hnell neue Fragestellungen aufgegri�en und soweitaufbereitet werden, da� sie die Grundlage f�ur weiterf�uhrende Fors hungsarbeiten erge-ben, die dann �uber Antr�age in den �ubli hen Fors hungsf�orderungswegen weitergef�uhrtwerden k�onnen.1.1 AusgangspunktDas Gebiet Softwarete hnik ist gepr�agt von einem s hnellen Wandel und seiner umfas-senden te hnis hen und betriebswirts haftli hen Bedeutung. Dies f�uhrt dazu, da� in derWirts haft gro�e Anstrengungen in Fors hung und Entwi klung unternommen werden.Dabei stehen neben te hnis hen Neuerungen immer au h marktpolitis he Ziele stark imVordergrund. Dementspre hend ist die Praxis der Softwarete hnik ni ht immer nur vonte hnis hen und wissens haftli hen Qualit�at gepr�agt sondern st�arker no h von Mark-strategie und Wettbewerb. Hinzu kommt eine s hnelle und starke Vers hmelzung vonAspekten der Softwarete hnik mit den unters hiedli hsten Anwendungsgebieten.Die akademis he Fors hung im Berei h der Softwarete hnik hat entspre hend die-ser praktis hen Situation einen s hwierigen Stand. Einerseits ist sie bem�uht, die in derPraxis in gro�er F�ulle hervorgebra hten und eingesetzten ad ho Methoden zu konsoli-dieren und daf�ur eine wissens haftli he Fundierung zu entwi klen, glei hzeitig mu� sieversu hen, in der te hnis hen Entwi klung in der Praxis mitzuwirken und diese zu be-ein ussen und ni ht zuletzt immer wieder au h alternative Ans�atze hervorzubringen,um fragw�urdige te hnis he L�osungen der Praxis zu hinterfragen und Gegenvors hl�agezu erarbeiten. Vergli hen mit dem ungeheueren Aufwand, mit dem die Industrie die Ent-wi klungen vorantreibt, ger�at die akademis he Fors hung zwangsl�au�g immer wieder insHintertre�en. Vor diesem Hintergrund l�auft sie in Gefahr si h eigene Fors hungsthemenzu su hen, die, wenn au h anspru hsvoll und im Sinne der Grundlagenfors hung wissen-s haftli h qualitativ ho hstehend, do h ohne na hhaltigen Ein u� auf die Praxis bleiben.Dadur h entsteht eine oftmals beklagte Kluft zwis hen Wissens haft und Praxis.Vor diesem Hintergrund hat si h die Fors hungsgruppe von Prof. Dr. Manfred Broyzum Ziel gesetzt, eine starke Integration zwis hen akademis her Grundlagenfors hungund praktis hen Fragestellungen zu errei hen. Der Leibniz-Preis mit seinen weitgehend exiblen M�ogli hkeiten Fors hungsfragen anzugehen war daf�ur ein idealer Ausgangs-punkt. Ziel der angestrebten Arbeiten war neben einer engen Zusammenf�uhrung von er-arbeiteten Ergebnissen der Grundlagenfors hung mit praktis hen Fragestellungen au hdie Konzeption und Dur hf�uhrung weiterer Fors hungsprojekte auf Basis zus�atzli h ein-geworbener Drittmittel. Dadur h konnte insbesondere si hergestellt werden, da� die Mit-tel der Deuts hen Fors hungsgemeins haft aus dem Leibniz-Programm auss hlie�li hFragen der Grundlagenfors hung zugute kamen, w�ahrend die dabei tangierten prakti-s hen Fragestellungen dur h Mittel aus angelagerten Industrieprojekten bestritten wer-3

den konnten. Die bes hriebene Strategie konnte in der Laufzeit von f�unf Jahren er-folgrei h umgesetzt werden, weil im Umfeld der Grundlagenfors hungsarbeiten des For-s hungslabors SysLab, die dur h die Mittel der Deuts hen Fors hungsgemeins haftgef�ordert wurden, eine Vielzahl von kleineren Industrieprojekten, aber au h mehreregr�o�ere Fors hungsvorhaben gestartet werden konnten, die mit den Grundlagenarbeitenin einem engen inhaltli hen Austaus h waren. Grunds�atzli h kann festgestellt werden,da� mit den Leibniz-Mitteln die Fors hergruppe um Prof. Broy erfolgrei h eine deut-li he Ausweitung ihres wissens haftli hen Spektrums vorgenommen und eine Synergiezwis hen praktis hen und theoretis hen Fragestellungen im Berei h der Softwarete hnikerrei ht hat.1.2 Die Bedeutung der Softwareentwi klungIn Produkten, Dienstleistungen und �rmeninternen Arbeitsg�angen, aber au h in derWissens haft, erlangen Softwaresysteme zunehmend strategis he Bedeutung im Hinbli kauf EÆzienz, Qualit�at, Produktivit�at und Flexibilit�at. Dadur h wird Software de�nitivzu einem kritis hen Erfolgsfaktor jedes Unternehmens und jeder Fors hungseinri htung1.Der rasante Forts hritt im Berei h der Computerte hnik er�o�net immer weitereM�ogli hkeiten des Softwareeinsatzes in wissens haftli hen, te hnis hen und kommerziel-len Anwendungsgebieten. Heute ist Software ein integraler Bestandteil fast aller ho h-wertigen te hnis hen Produkte und Dienstleistungen. Ganze Bran hen, wie Banken undVersi herungen, aber au h der gesamte administrative Berei h und ni ht zuletzt das Ge-sundheitswesen sind von modernen Softwaresystemen zur Unterst�utzung von Ges h�afts-abl�aufen vital abh�angig. Die E�ektivit�at moderner Unternehmen und Organisationenwird ma�gebli h dur h den Einsatz eÆzienter betriebli her Informationssysteme undWork ow Management Systeme bestimmt. Moderne Informations- und Kommunikati-onste hnik er�o�net neue Vertriebswege, die zu einer zunehmenden Internationalisierungder M�arkte f�uhren. Au h im Fertigungsberei h ist der Forts hritt der Automatisierungni ht mehr aufzuhalten. Produktivit�at und Dur hlaufzeiten werden hier ma�gebli h vonder Leistungsf�ahigkeit und Zuverl�assigkeit der zur Produktionssteuerung eingesetztenSoftware beein u�t. Selbst der Leistungsumfang der Erzeugnisse wird ni ht zuletzt vonder darin integrierten Software bestimmt. Die enormen Innovationen bei fast allen ho h-wertigen te hnis hen Produkten, wie beispielsweise bei Haushaltsger�aten, im Berei hUnterhaltungselektronik, aber au h im Automobilberei h, w�aren ohne den Einsatz ein-gebetteter Softwaresysteme ni ht denkbar. Die Entwi klung der Software f�ur diese Pro-dukte stellt einen stetig wa hsenden Anteil der Gesamtkosten dar.Das breite Spektrum f�ur den Einsatz von Computerte hnik und dazugeh�orendenSoftwaresystemen hat dazu gef�uhrt, da� Software in immer gr�o�erem Ma� zu einemeigenst�andigen Wirts haftsgut geworden ist. Bei den Gesamtkosten von Computersyste-men bzw. Anwendungssystemen ist der relative Wertanteil der Software in den letz-ten Jahrzehnten st�andig gestiegen. So ist die Informationste hnik- und Telekommu-nikationsbran he ein aufstrebender Wirts haftszweig und stetig wa hsender Dienstlei-1Dieser Abs hnitt ist teilweise dem Leitfaden zum Software Engineering [BEP+99℄ entnommen4

stungssektor geworden.Die zunehmende Integration von Softwareprodukten in Form eingebetteter Systemestellt in vielen Unternehmen die Software und deren Entwi klung eine strategis he Auf-gabe dar, die dur h eigene oder externe Entwi klungsabteilungen bew�altigt werden mu�.W�ahrend fr�uher gr�o�ere Unternehmen ihre Software im wesentli hen selbst entwi kelten,ist dies heute eher die Ausnahme. Zunehmend wird Software ni ht mehr im eigenen Hausentwi kelt, sondern bei externen Softwareh�ausern in Auftrag gegeben. Dies gilt immerh�au�ger au h f�ur die Bereitstellung und den Betrieb der gesamten DV-Infrastruktur.Die Vielfalt der in modernen Unternehmen eingesetzten Software und der Aufwand f�urihre Entwi klung zwingt immer mehr Unternehmen, si h bei den Eigenentwi klungen aufKernkompetenzen zu bes hr�anken. Dur h diesen Outsour ing-Trend h�angt die Existenzeiner wa hsenden Zahl von Unternehmen von der erfolgrei hen Dur hf�uhrung externoder intern vergebener Sofwareentwi klungsprojekte ab.2 �Uberbli k �uber das SysLab-Fors hungslaborAm Institut f�ur Informatik der Te hnis hen Universit�at M�un hen wurde unter der Lei-tung von Prof. Dr. Manfred Broy ein Fors hungslabor zur System- und Softwarete hnik,kurz SysLab, betrieben. Das von der Deuts hen Fors hungsgemeins haft mit den Mit-teln in H�ohe von 1.5 Millionen DM eines Leibnizpreises gef�orderte Fors hungslabor hatam 1.10.1994 mit seinen Arbeiten begonnen. Die F�orderung dur h DFG-Mittel aus demLeibniz-Programm endete na h einer Laufzeit von f�unf Jahren am 30.9.1999.Das Fors hungslabor SysLab hat in den ersten 5 Jahren seiner Laufzeit die grund-lagenorientierten Fors hungsaktivit�aten am Lehrstuhl von Prof. Broy im Berei h derSoftwarete hnik geb�undelt und die Basis f�ur eine st�arker an praktis hen Fragestellun-gen der Softwarete hnik orientierte Ausri htung der gesamten Fors hergruppe gelegt.Das Fors hungslabor war der Grundstein und Wegbereiter einer Reihe weiterer Projektedes Lehrstuhls, von denen hier stellvertretend der Fors hungsverbund Softwarete hnik(FORSOFT) erw�ahnt sei. In den na hfolgenden Abs hnitten sind die Aktivit�aten unddie daraus resultierenden Ergebnisse des Fors hungslabors detaillierter erl�autert.Die Flexibilit�at der dur h den Leibnizpreis zur Verf�ugung gestellten Mittel erlaub-te der dadur h gef�orderten Gruppe von wissens haftli hen Mitarbeitern glei hzeitig einhohes Ma� an �nanzieller Planungssi herheit und fors heris her Gestaltungsfreiheit. Sotrat kein langer Leerlauf zwis hen Planung (normalerweise festgelegt dur h einen An-trag) und dem Projektbeginn (festgelegt dur h die Mittelbewilligung) auf, sondern eskonnte der neueste Stand der Softwarete hnik direkt in aktuelle Planungen einbezogenwerden. Au h im weiteren Verlauf des Projekts konnten neue internationale Str�omungenund Weiterentwi klungen der Softwarete hnik exibel integriert werden und damit dieZielsetzung des Fors hungslabors SysLab angepa�t und insgesamt sehr e�ektiv umge-setzt werden.Dadur h wurde au h eine hohe internationale Si htbarkeit des Fors hungslaborsm�ogli h, die si h inhaltli h bei der Mitwirkung und Ein u�nahme auf die Weiterentwi k-lung der Softwarete hnik in Wissens haft und Praxis widerspiegelt. Beispiele daf�ur �nden5

si h bei der De�nition der Uni�ed Modeling Language (im Berei h objektorientierter Mo-dellierung dur h die OMG zum Standard erhoben), den Message Sequen e Charts (imBerei h Telekommunikation dur h die ITU standardisiert), den State harts (hierar hi-s he Zustandsautomaten mit weiter Verbreitung) und dem Work ow/Ges h�aftsproze�-Ansatz. Dur h die na hfolgend bes hriebenen wissens haftli hen Ver�o�entli hungen, dieaktive Teilnahme an themenbezogenen Konferenzen und Workshops sowie die Organisa-tion einiger im wissens haftli hen Berei h stark bea hteter Workshops und der interna-tionalen Konferenz �UML�'99 wurde insbesondere in den genannten Berei hen aktivEin u� genommen.Neben den wissens haftli hen Aktivit�aten wurden unter Einstz eingeworbener Dritt-mittel mehrere Kooperationen mit Industriepartnern, wie Siemens und BMW, dur h-gef�uhrt, insbesondere aber indirekt dur h eine Reihe an das Fors hungslabor angeglie-derter Projekte Wissenstransfer in die Industrie aktiv vorangetrieben.3 Ausgangspunkt und Dur hf�uhrung desFors hungslaborsDie Erstellung komplexer Softwaresysteme ist von gro�er te hnis her, wirts haftli her,aber au h wissens haftli her Bedeutung. Der hohe Anwendungsdru k, bedingt dur hdie s hnelle Entwi klung der Re hnersysteme und ihre inzwis hen gro�e Verbreitung hatdazu gef�uhrt, da� die heute in der Praxis gebr�au hli hen Methoden der Softwareentwi k-lung prim�ar heuristis h gepr�agt sind. Grunds�atzli here wissens haftli he Fragestellungensind in diesem Kontext kaum oder nur sehr isoliert verfolgt worden. Au��allig ist, da� diedur haus umfangrei hen Arbeiten im akademis hen Berei h, unter dem Sti hwort forma-le Methoden, die praktis hen Aspekte der Softwareentwi klung bisher nur ungen�ugendber�u ksi htigen und umgekehrt in die Praxis nur z�ogerli h Eingang gefunden haben.3.1 Fundierung von Softwareentwi klungsmethodenSoftwareentwi klungsmethoden bestehen aus einer Sammlung von Bes hreibungste hni-ken und methodis hen Empfehlungen zu Vorgehen und Werkzeugunterst�utzung. Sie sindheuristis h begr�undet und meist auf spezielle Anwendungsgebiete ausgeri htet. Dabeitreten grunds�atzli he Fragen in den Hintergrund. So fehlt den angebotenen Bes hrei-bungste hniken in aller Regel eine ausrei hende semantis he und methodis he Fundie-rung. Verna hl�assigt wird insbesondere die Integration der innerhalb einer Methode bzw.in vers hiedenen Methoden propagierten Bes hreibungste hniken und den damit verbun-denen Si hten auf das zu entwi kelnde System.Dieser Mangel wurde in den letzten Jahren au h bei der forts hreitenden Entwi klungder Uni�ed Modeling Language (UML) si htbar. Jedo h hat si h hier gezeigt, da� ei-ne semantis he Fundierung ni ht nur ein te hnis h wissens haftli her, sondern vor allemau h ein Proze� der Meinungsbildung und damit ein soziologis her Proze� ist. Dem wur-de dur h verst�arkte internationale Pr�asenz und dur h aktive Teilnahme an Diskussionenum die Standardisierung der UML Re hnung getragen.6

Eine wohldur hda hte semantis he Fundierung und methodis he Integration der be-nutzten Bes hreibungste hniken ist na h wie vor wesentli he Voraussetzung f�ur einegr�o�ere Systematisierung und f�ur eine m�a htige Werkzeugunterst�utzung im Entwi k-lungsproze�.3.2 Grunds�atzli he Bedeutung�Uber die direkte Anwendung im Rahmen einer Softwareentwi klung hinaus sind Be-s hreibungste hniken der Informatik au h von weitrei hender wissens haftli her Bedeu-tung. Ein standardisierter, gut aufeinander abgestimmter Baukasten von Bes hreibungs-te hniken wird si h in der Zukunft als ebenso wi htig und ein u�rei h erweisen, wie dieModellierungste hniken der Mathematik in ihrer Wirkung auf die Physik in der 2. H�alftedes vorigen Jahrhunderts. Die in der Mathematik erarbeiteten Te hniken der Modellie-rung von physikalis hen Vorg�angen waren die ents heidende Basis f�ur eine Vielzahl wis-sens haftli her Erkenntnisse, insbesondere in den Naturwissens haften. Einen verglei h-baren Beitrag d�urften die Bes hreibungste hniken der Informatik f�ur die Gestaltungkomplexer Softwaresysteme, aber au h f�ur die Konzeption und Analyse te hnis her undbetriebwirts haftli her Systeme erbringen. Vor dem Hintergrund dieser grunds�atzli henBedeutung ist eine wissens haftli he Fundierung eine Aufgabe mit hoher Priorit�at.3.3 Auswahl des Anwendungsberei hsEs ist wohlbekannt und akzeptiert, da� es keine Methode geben kann, die f�ur alleEinsatzgebiete der Software- und Systementwi klung glei herma�en anwendbar ist. Be-triebswirts haftli he Informationssysteme, E-Commer e und Internet-basierte Systeme,Softwareprodukte wie Betriebssysteme, �Ubersetzer, Datenbanken, Textverarbeitungssy-steme oder eingebettete Steuer- und �Uberwa hungssysteme in Produktionsanlagen odermobilen Systemen, sowie Telekommunikationssysteme erfordern unters hiedli he Te h-niken und Methoden.Eine fundierte Methodik mu� daher spezi�s h auf die S hwerpunkte des jeweiligenEinsatzgebiets des Systems eingehen. Da gerade die methodis he Entwi klung betrieb-li her Informationssysteme starke De�zite bei der formalen Fundierung aufweist, wurdein SysLab speziell dieser Anwendungsberei h intensiver behandelt. Betriebli he Infor-mationssysteme sind im allgemeinen gepr�agt dur h einen gro�en, stark strukturiertenDatenanteil und komplexe interne Prozesse. Eine Anbindung von S hnittstellen an te h-nis he Systeme, bis hin zur Verarbeitung analoger Signale, wurde dur h die Nutzungvon Synergiee�ekten in Kooperation mit anderen Projekten am Lehrstuhl errei ht.3.4 Zielri htungDas prim�are Ziel des SysLab-Fors hungslabors war es, einen deutli hen Beitrag zurEntwi klung einer auf mathematis hen Prinzipien basierenden, in der Praxis anwendba-ren Software-Entwi klungsmethodik f�ur verteilte, interaktive objektorientierte Systemezu leisten. Dabei steht der Zielberei h betriebli her Informationssysteme mit gro�em,7

stark strukturiertem Datenraum, typis herweise unter Einbeziehung graphis her Benut-zerober �a hen, einer zentralen oder dezentralen Datenbank in einem verteilten Netz vonAnwendungen im Vordergrund.Der in SysLab geleistete Beitrag zu dieser Methodik� unterst�utzt die Entwi klung dur h eine Reihe sorgf�altig gew�ahlter Si hten,� integriert die vers hiedenen Si hten dur h Abst�utzung auf ein mathematis hes Sy-stemmodell und erm�ogli ht so rigorose Konsistenzpr�ufungen,� bietet eine Auswahl einzelner Arbeitss hritte an, die die Weiterentwi klung, Verfei-nerung, Komposition oder Transformation von Dokumenten der einzelnen Si htenerlaubt, und� unterst�utzt damit ein inkrementelles, auf die Verfolgung von Anforderungen undEntwurfsents heidungen ausgeri htetes Vorgehen.3.5 Organisationsstruktur des Fors hungslaborsDas Fors hungslabor war in seiner Laufzeit von insgesamt f�unf Jahren in zwei organisa-toris he Abs hnitte geteilt.Die erste Phase erstre kte si h �uber den Zeitraum vom 1.10.1994 bis zum 31.1.1997und diente der Erarbeitung grunds�atzli her L�osungsans�atze im Software Engineering.Die breit gef�a herte Aufgabenstellung verteilt si h auf die drei Teilprojekte - Bes hrei-bungste hniken, Methodik und Werkzeuge und war gepr�agt von starker und intensiverEinbindung bisheriger Ergebnisse anderer Projekte der Fors hergruppe.Mit Beginn des Fors hungsverbunds FORSOFT, dessen Wegbereiter SysLab war,hat si h au h SysLab neu ausgeri htet, und verst�arkt grunds�atzli he Fragestellungen imSoftware Engineering behandelt. Wie au h na hfolgend bes hrieben haben si h SysLabund FORSOFT dabei gegenseitig erg�anzt und vervollst�andigt.Die Organisationsstrukltur und die jeweilis beteiligten Mitglieder des Fors hungsla-bors k�onnen der Tabelle 1 entnommen werden.3.6 Einbettung des Fors hungslaborsIn der Fors hungsgruppe von Prof. Manfred Broy wird seit l�angerem, insbesondere imTeilprojekt A6 des Sonderfors hungsberei hes (SFB 342), die mathematis he Modellie-rung verteilter Systeme erarbeitet. In diesem Kontext wurden au h Arbeiten zur axio-matis hen Spezi�kation dur hgef�uhrt. Die Ergebnisse, und hier speziell die Te hnikenzur Verfeinerung, Abstraktion und Komposition, bildeten die Grundlage f�ur die wissen-s haftli he Fundierung der Bes hreibungste hniken des Fors hungslabors. Sie wurde imWesentli hen auf graphis he Bes hreibungste hniken adaptiert und so einer Einbettungin eine pragmatis he Methodik zug�angli h gema ht.In der Fors hungsgruppe werden st�andig Projekte in unmittelbarer Kooperation mitder Industrie dur hgef�uhrt. Der enge Kontakt des Fors hungslabors zu diesen Projekten8

Name von bis Funktion/ArbeitsgebietRuth Breu 01.10.95 31.07.99 Stipendium/MethodikChristian Fa hi 01.10.94 31.12.95 InteraktionRadu Grosu 01.10.94 01.10.98 Bes hreibungste hniken/OORudolf Hettler 01.10.94 31.12.95 DatenmodellierungFranz Huber 01.01.95 31.09.99 WerkzeugeCornel Klein 01.10.94 31.01.97 E htzeit, AutomatenIngolf Kr�uger 13.03.98 30.09.99 InteraktionBarbara Pae h 01.10.94 31.01.97 Leitung/MethodikBernhard Rumpe 01.10.94 31.01.97 Automaten, Verfeinerung01.02.97 30.09.99 Leitung/UMLWolfgang S hwerin 01.02.97 30.09.99 ProduktmodellVeronika Thurner 15.11.94 31.01.97 MethodikTabelle 1: Mitglieder des SysLab Fors hungslaborshat si hergestellt, da� si h die Arbeiten ni ht von der industriellen Praxis abkoppeltenund damit eine praktis he Umsetzbarkeit gew�ahrleistet ist.Das Fors hungslabor war au h der Grundstein f�ur eine Reihe weiterer Projekte, dieFragestellungen mit engem Zusammenhang zu SysLab bearbeiten. Das Fors hungslaborist damit Wegbereiter dieser Na hfolgeprojekte und stellt insbesondere si her, da� das inSysLab erarbeitete Wissen �uber die s hriftli he Dokumentation hinaus weiterentwi keltund angewendet wird und die Arbeiten fortgef�uhrt werden.Unter den mit SysLab kooperierenden Projekten seien insbesondere die folgendenerw�ahnt:Fo us (als Teilprojekt A6 des SFB 342) Die mathematis he Fundierung der in SysLabeingef�uhrten Bes hreibungste hniken wurde unter Benutzung der Theorie strom-verarbeitender Funktionen entwi kelt. Dies f�uhrte au h zu Synergiee�ekten imWerkzeugberei h, wo mit AutoFo us ein von SysLab und Fo us glei herma�enunterst�utzter Werkzeugprototyp entstanden ist.Ar us und Bellevue (gef�ordert dur h das BMBF bzw. dur h die DFG) Beide Projektehaben si h mit Fragestellungen bes h�aftigt, wie die Ar hitektur von Softwaresy-stemen bes hrieben bzw. entwi kelt werden kann. Beide Projekte haben in hohemMa� auf den von SysLab festgelegten Bes hreibungste hniken aufgesetzt.Quest (gef�ordert dur h das BSI) Zielsetzung des Projekts Quest ist die Umsetzung gra-phis her Bes hreibungste hniken, wie sie Autofo us bietet, in die formale textuelleLogik VSE-2, um damit spezi�zierte Eigens haften formal zu beweisen. Damitbildet Quest eine Anbindung von Veri�kationsmethoden an die von SysLab be-reitgestellten graphis hen Bes hreibungste hniken.FORSOFT Fors hungsverbund (gef�ordert von der Bayeris hen Fors hungsstiftung undeiner Reihe von Firmen) Die Zielsetzungen des Fors hungslabors SysLab und die9

erhaltenen grundlegenden Ergebnisse bilden die formale und methodis he Grundla-ge f�ur gro�e Teile des industrienahen Fors hungsverbunds Softwarete hnik (FOR-SOFT). Insbesondere die Teilprojekte A1 (Software-Ar hitekturen), A3 (Reengi-neering), C2 (Modellierung eingebetteter Software) und Z (Zentralprojekt) habenintensiv mit SysLab zusammengearbeitet bzw. Ergebnisse von SysLab in ihrenArbeiten weiterentwi kelt. Dazu z�ahlen die entwi kelten Bes hreibungste hniken,deren mathematis he Fundierung und prototypis he Umsetzung in einem Werk-zeug.4 ErgebnisseDieser Abs hnitt bes hreibt die in SysLab entwi kelten Ergebnisse gegliedert na h fol-genden Themenfeldern:� Das SysLab-Bu h,� Vorgehensmodell und Methodik,� �Ubersi htsartikel und -vortr�age,� Grundlagen: Syntax und Semantik,� Software-Ar hitektur,� Bes hreibungste hniken, aufgegliedert in{ Message Sequen e Charts (MSC),{ State harts und verwandte Automatenmodelle,{ Proze�diagramme zur Ges h�aftsproze�- und Work owmodellierung und{ UML,� Werkzeugunterst�utzung,� Organisation wissens haftli her Tre�en und� LehreDiese Themenfelder sind eng vernetzt und weisen starke Bez�uge zu weiteren Fragen derSoftwareentwi klung auf.Als herausragendes Ergebnis des SysLab-Fors hungslabors ist derzeit ein Bu h mitdem Titel "Applied Software Engineering Prin iples for UML" in Arbeit.4.1 Das SysLab-Bu hDas SysLab-Bu h [BBH+00℄ mit dem Titel "Applied Software Engineering Prin ip-les for UML", das si h derzeit in Entstehung be�ndet, stellt eine kondensierte Fassungwesentli her Ergebnisse von SysLab dar, die insbesondere im Hinbli k auf Praxistaug-li hkeit und Anwendbarkeit in der Softwareentwi klung aufbereitet sind.10

Zur Motivation des Bu hsGerade dur h die in SysLab intensiv praktizierte Zusammenarbeit mit der Industriestellte si h heraus, da� grundlegende und weithin bekannte Te hniken der Softwareent-wi klung, wie Abstraktion, Kapselung oder Modularisierung bei der Verwendung derUML kaum genutzt werden. Systematis he, gezielte Anwendung von Bes hreibungste h-niken oder Transformationen zwis hen diesen werden im allgemeinen ni ht betrieben.Es besteht eine deutli h erkennbare L�u ke zwis hen Te hniken des Projektmanagements"im Gro�en" am einen Ende, wo Standardvorgehensmodelle wie das V-Modell oder derRational Uni�ed Pro ess zum Einsatz kommen, und den dur h vers hiedene Bes hrei-bungste hniken repr�asentierten Konzepten einer Entwurfsmethode wie der UML amanderen Ende (dazu siehe au h Abbildung 1). Diese L�u ke zu verkleinern ist die Zielset-Notationen, Diagramme

Entwurfs- aufgaben/-aktivitäten

Gesamt- prozeß

Micro-Methodik – DiagrammtransformationenAbbildung 1: S hi hten einer Entwurfsmethodezung des Bu hs, das im wesentli hen auf der Ebene der beiden mittleren in Abbildung 1dargestellten S hi hten angesiedelt ist. Diese S hi hten stellen die in SysLab erarbei-teten Te hniken zum methodis hen Umgang mit Bes hreibungste hniken der UML dar.Das Bu h wendet si h also in erster Linie an Softwareentwi kler, die die UML in derPraxis methodis h einsetzen wollen und ist daher au h f�ur die Lehre pr�adestiniert.Somit besteht der Hauptbeitrag des Bu hs darin, einen Werkzeugkasten wohlfundier-ter und glei hzeitig eing�angiger Te hniken zur methodis hen Manipulation der UML-Notationen zu liefern, wozu eine umfassende Menge von Verfeinerungsregeln, Komposi-tions- und Restrukturierungste hniken und �ahnli her Verfahren geh�oren.Notation und KonzepteDie notationelle Basis der im Bu h behandelten Te hniken sind die Kern-Notationender UML, also Klassendiagramme, Objektdiagramme, Sequenzdiagramme, Zustands-diagramme, sowie die Obje t Constraint Language (OCL) als textuelle Erg�anzung zurDe�nition von Invarianten und Constraints im allgemeinen.Da die Notationen der UML einen �au�erst umfangrei hen Baukasten mit teilweiseau h redundanten Modellierungselementen bieten, w�ahlen wir f�ur das Bu h eine in me-thodis her Hinsi ht gere htfertigte Untermenge aller notationellen Elemente der UML,11

nehmen aber au h, wo aus methodis her Si ht sinnvoll, Erweiterungen der Notationenvor.Transformationen und methodis he Ri htlinienDer Hauptbeitrag des Bu hs besteht in der Darstellung konstruktiver Regeln zur Mani-pulation der genannten UML-Notationen. Diese Regeln verk�orpern anerkannte Softwa-reentwurfsprinzipien. Im Einzelnen werden Tranformationsregeln angegeben, die unteranderem folgende Berei he abde ken:� Verfeinerungste hniken f�ur vers hiedene Notationen,� Ableitung abstrakten Verhaltens von konkretem,� Ableitung von Zustandsdiagrammen aus Sequenzdiagrammen,� Refa toring von Klassendiagrammen, sowie� Codeerzeugung aus Zustandsdiagrammen.MethodeDa die im Bu h dargestellten Te hniken in erster Linie auf Methodik im Kleinen ab-zielen, spielt das verwendete Proze�modell im Gro�en im Bu h ledigli h eine unterge-ordnete Rolle. Jedo h werden au h wi htige Bestandteile typis her sol her Proze�mo-delle bes hrieben und dabei insbesondere das Zusammenspiel der pr�asentierten "Mi ro-Methodik" mit der Softwareentwi klung im Gro�en erl�autert.Kerninhalte des Bu hs wurden bereits auf den Konferenzen "TOOLS Europe '99"und "TOOLS Pa i� '99" im Rahmen eines Tutorials einem Fa hpublikum vorgestellt[BKR99℄ und in einer Fallstudie [BBH+99℄ erprobt.4.2 Vorgehensmodell und MethodikBei der Entwi klung umfangrei her, komplexer Anwendungssysteme ist eine genau aufdie Ziele des Entwi klungsprojekts abgestimmte Vorgehensweise unverzi htbar. Dabeiist es wi htig, die Informationen in kleinen, strukturierten Portionen zu erfassen, undden Flu� der in vorangegangenen S hritten erhobenen Informationen so zu gestalten,da� kein Verlust und keine zeitaufendige Mehrfa herfassung von Informationen auftritt.Ziel ist ein systematis hes, auf Qualit�at und Wirts haftli hkeit ausgeri htetes Vorgehenmit hoher Anwenderakzeptanz.Eine zentrale Rolle bei der Softwareentwi klung spielen die in sp�ateren Abs hnittendiskutierten Bes hreibungste hniken, die dazu genutzt werden, unters hiedli he Si htenauf das Softwareprodukt zu de�nieren. Sie werden in unters hiedli hen Entwi klungs-phasen benutzt und weiterverarbeitet, bis s hlie�li h das gesamte Softwaresystem inausf�uhrbarer Form bes hrieben ist.12

Die verwendeten Bes hreibungste hniken erhalten eine pr�azise Semantik anhand ei-nes mathematis hen Systemmodells [RKB95, KRB96℄ und lassen si h so semantis h undmethodis h integrieren. Dokumente der benutzen Bes hreibungste hniken werden dabei� neu erstellt,� erweitert (Verfeinerung),� zusammengesetzt (Komposition),� geteilt ("Separation of Con erns") oder� von einer Bes hreibungste hnik in eine andere umgesetzt (Transformation undGenerierung).Wir fassen all diese S hritte unter dem Oberbegri� Transformation zusammen [Rum96℄.Ein Transformationss hritt kann in seiner allgemeinsten Form als Abbildung einer Mengevon Dokumenten auf eine neue Menge von Dokumenten verstanden werden.Neben der sorgf�altig zu w�ahlenden Semantik f�ur die einzelnen Bes hreibungste h-niken ist eine stimmige semantis he, methodis he und werkzeugte hnis he Integrationzwis hen diesen Bes hreibungste hniken der wesentli hste Bestandteil von SysLab.Eine formale Semantik f�ur Dokumente einer Bes hreibungste hnik kann erst dannwirkli h vorteilhaft eingesetzt werden, wenn Verfahren existieren, die eine systematis heund korrekte Manipulation von Dokumenten zulassen. So kann z. B. eine zustandsbasier-te Verhaltensbes hreibung f�ur eine Klasse unter Einhaltung der Regeln eines ad�aquatenVerfeinerungskalk�uls auf Unterklassen vererbt werden.Transformationss hritte auf Dokumenten bilden die Grundlage des Vorgehensmodellsund stellen damit die Verbindung zwis hen den formal fundierten Bes hreibungste hni-ken und der Methodik dar.Eine pr�azise Methodik besteht aus� einem mathematis hen Systemmodell,� einer Anzahl von Bes hreibungste hniken mit formaler Semantik dur h das Sy-stemmodell,� einer Verfeinerungsrelationen abgest�utzt auf die Semantik,� einer Menge von Entwi klungs- und Transformationss hritten, die im Sinne derVerfeinerungsrelation korrekt sind und� pragmatis hen Ri htlinien, die den Softwareentwi kler bei der Anwendung derTransformationen unterst�utzen.Eine formale Methode bietet dar�uberhinaus globale Ri htlinien, die harakterisieren,wel he Transformationss hritte in wel hen Phasen der Entwi klung und in wel her Rei-henfolge angewendet werden k�onnen. Sie bietet den Ans hlu� zu Fragen des Projektma-nagements, bestehend aus Kosten-, Qualit�ats-, Zeit-, Ressour en- und Personalplanung.13

Dur h die methodis he Gruppierung von Transformationss hritten entsteht so einformal fundiertes Vorgehensmodell. Die Formalit�at des Vorgehensmodells bedeutet je-do h keineswegs eine starke Eins hr�ankung der m�ogli hen Entwi klungss hritte. Viel-mehr kann aufgabenabh�angig aus einer geeigneten Menge von Transformationen aus-gew�ahlt werden.Vorstudien und Bes hreibungen zur von SysLab vorges hlagenen Methode sind in[Pae95, Pae96b, FNDR98, PR97d, Bre99℄ zu �nden.4.3 �Ubersi htenDer von der Gruppe verfolgte Ansatz fundierter Software-Entwi klung wurde in zahlrei- hen eingeladenen Vortr�agen und Publikationen ni ht nur dem Fa hpublikum, sondernau h der breiteren �O�entli hkeit vermittelt. Dies ist um so wi htiger, als der Beherrs h-barkeit gro�er Software-Systeme in den n�a hsten Jahren eine immer gr�o�er werdendeBedeutung zukommen wird.Die Vortr�age und Arbeiten bes h�aftigen si h vor allem mit der Rolle der Mathematikbei Software-Entwi klung und Fundierung von Methoden [BHP+98, Bro96 , Bro96d,Bro97 , Bro97d, Bro96f℄.Allgemeinere Arbeiten und Vortr�age befassen si h mit der Rolle von Software in derInformationsgesells haft [Bro94, Bro96e, Bro98b℄ und fortges hrittener Softwarete hnikals Wettbewerbspotential [Bro96g℄.4.4 Grundlagen: Syntax und SemantikWesentli he Erkenntnisse zur Auswahl geeigneter Bes hreibungste hniken, bzw. derensyntaktis hen und semantis hen Varianten, wurden dur h Arbeiten zur Fundierung ob-jektorientierter Konzepte gewonnen. So wurden in [BG99℄ das Zusammenspiel von Er-eignissen, Na hri hten und Methoden, sowie in [GS95, GS96a, GS96b, BGR+99℄ Mobi-lit�atsaspekte untersu ht, und in [BGH+97b, BGH+97 ℄ �Uberlegungen zur prinzipiellenIntegration von Bes hreibungste hniken vorgenommen.Die Frage der mathematis hen Spezi�kation von Systemen und Komponenten wur-de au h in [Bro95a, Bro95b, Bro95 , Bro97b℄ untersu ht; in [Bro96b, Bro96e℄ wurdediskutiert, wie informelle Bes hreibungste hniken mit mathematis hen Spezi�kationenzusammenspielen. In [Bro98a℄ wurden dabei speziell Aspekte der Modularit�at unter-su ht.Weitere Untersu hungen algebrais her Spezi�kationen wurden hinsi htli h der vonihnen verwendeten Konzepte zur Spezi�kation verteilter Softwaresysteme [Bro96a℄, bzw.des Datenanteils von Softwaresystemen [Het95, Het96℄ und zur De�nition von Softwa-resi hten [Pae96a℄ vorgenommen.Die daraus resultierenden �Uberlegungen und die mit Fo us [BFG+93a, BFG+93b℄zur Verf�ugung stehende Theorie strombasierter Komponenten f�uhrte zur De�nition desmathematis hen Systemmodells [RKB95, GKR96, KRB96, GKR96℄ als kompakte Be-s hreibung aller wesentli hen Eigens haften von Softwaresystemen. Das Systemmodell14

ist keine syntaktis he Bes hreibung, sondern die mathematis he Formulierung von Soft-waresystemen als semantis he Dom�ane. Es dient als Ausgangspunkt, um den Bes hrei-bungste hniken dur h Abbildung ins Systemmodell eine Bedeutung zu geben. F�ur dasVerst�andnis der SysLabMethodik ist es f�ur den Anwender ni ht notwendig, diese pr�azi-se Bes hreibung zu kennen. Stattdessen wird das Systemmodell als Grundlage f�ur diesemantis he und methodis he Integration der von Methodenentwi klern de�nierten No-tationen verwendet.Das Systemmodell bes hreibt ein System als eine si h dynamis h �andernde Men-ge von Objekten, die in endli h viele Klassen gruppiert werden. Objekte haben einenZustand, der dur h ihre Attribute und genau genommen au h dur h die Menge der ak-tiven Operationen und deren Zust�ande bestimmt wird. Eine Signatur bes hreibt dieMenge der eingehenden und ausgehenden Na hri hten, die si h in Methodenaufrufe undReturn-Na hri hten einteilen l�a�t. Des weiteren werden Eigens haften der Objekthierar- hie, Kommmunikationswege und -arten, sowie das Handling von Objektkapselung undIdentit�at festgelegt. Insbesondere werden Aspekte der Nebenl�au�gkeit und Syn hroni-sation de�niert. Dar�uberhinaus wurde eine Erweiterung f�ur analoge E htzeitsystemede�niert [SRS99b, SRS99a℄.Die grundlegende Problematik der ad�aquaten De�nition einer Semantik f�ur Bes hrei-bungste hniken wurde in [Rum98a℄ bes hrieben und ein Verglei h der in SysLab verwen-deten Te hnik mit einer Reihe anderer Ans�atze vorgenommen. Dabei konnte festgestelltwerden, da� die SysLab Te hnik der strikten Trennung von Syntax und Semantik,sowie die explizite Formulierung der semantis hen Dom�ane (d.h. des Systemmodells)wesentli he Vorteile bietet. Insbesondere kann damit die Korrektheit von Transforma-tionss hritten auf graphis hen Bes hreibungste hniken a priori gezeigt werden und derAnwender mu� sp�ater ni ht explizit mit der semantis hen Dom�ane arbeiten. So entstehengraphis he Formalismen [Rum98 ℄.4.5 Software-Ar hitekturDer betr�a htli he Umfang betriebli her Informationssysteme, die zunehmende Vernet-zung ihrer Teilsysteme untereinander, die oftmals lange Einsatzdauer, sowie die mannig-faltigen Aufgaben, die w�ahrend des Entwi klungsprozesses anfallen, erfordern ein tiefesVerst�andnis der zugrundeliegenden Software-Ar hitektur, um ein Produkt mit der ge-forderten Funktions-, Termin-, Kosten-, und Qualit�atstreue erzielen zu k�onnen.Unter dem Begri� Software-Ar hitektur verstehen wir dabei die Struktur eines Software-Systems, bestehend aus einer Menge von (Teil-)Komponenten und ihren Beziehungenuntereinander. Diese Beziehungen k�onnen sowohl statis her als au h dynamis her Na-tur sein; die Festlegung eines Datenbanks hemas etwa ist { in der Regel { ein stati-s her Aspekt, w�ahrend die Aufrufbeziehungen zwis hen verteilten Objekten w�ahrendder Ausf�uhrung des Systems we hseln k�onnen, und somit einen dynamis hen Aspekt derSoftware-Ar hitektur darstellen.Zur Bes hreibung von Software-Ar hitekturen hat si h in den letzten Jahren eine si h-tenorientierte Vorgehensweise dur hgesetzt. Hierbei werden die unters hiedli hen Ar hi-tekturaspekte mittels geeigneter gra�s her Bes hreibungste hniken, wie etwa interaktions-15

und zustandsbasierten Ablaufbes hreibungen, repr�asentiert. Dies erlei htert, in Analogiezur Vorgehensweise bei der Geb�audear hitektur, eine Fokussierung der Bes hreibung aufden jeweils im Zentrum der Betra htung stehenden Aspekt.Um den oben genannten Software-Ar hitektur-Begri� pr�aziser zu fassen und gezieltEigens haften guter Software-Ar hitekturen herauszuarbeiten, wurden im Rahmen ei-ner engen Zusammenarbeit mit den bereits erw�ahnten Projekten Ar us, Bellevue undFORSOFT folgende Fragestellungen untersu ht:� Wel he statis hen und dynamis hen Systemsi hten eignen si h besonders zur Be-s hreibung von Software-Ar hitekturen?� Wel he (gra�s hen) Bes hreibungste hniken eignen si h besonders zur Darstellungdieser Systemsi hten?� Wie ausdru ksstark m�ussen die Bes hreibungste hniken jeweils sein?� In wel her Beziehung stehen die einzelnen Systemsi hten und Bes hreibungste h-niken untereinander?� Wie sehen geeignete Konsistenzbegri�e f�ur unters hiedli he, �uberlappende System-si hten aus?� Wel he Verfeinerungsbegri�e lassen si h f�ur die jeweiligen Systemsi hten de�nierenund e�ektiv einsetzen?� Wie lassen si h unters hiedli he Systemsi hten methodis h ineinander �uberf�uhren?Aufbauend auf Vorarbeiten aus Ar us, die si h st�arker mit der De�nition des Be-gri�s Software-Ar hitektur [HHKR96, HHKR97℄, mit Entwurfsmustern [CK97℄, sowieeinem Verglei h vorhandener Ar hitekturbes hreibungsspra hen [HR97℄ befa�ten, wur-den die Bes hreibungste hniken aus ROOM und der UML auf ihre Einsatzm�ogli hkeit alsStandardbes hreibungsspra he f�ur Software-Ar hitekturen untersu ht [RSRS99℄. Messa-ge Sequen e Charts (MSCs) und verwandte Notationen, wie etwa Extended Event Tra es(EETs) und die Sequenzdiagramme der UML kristallisierten si h dabei als eine wesentli- he Te hnik zur Bes hreibung von Komponenteninteraktionen in Software-Ar hitekturenheraus [BHKS97a, BHKS97b, Pae97℄. Die in SysLab entwi kelten Te hniken zur s hritt-weise Verfeinerung von statis hen Daten u�-Ar hitekturen [PR97 , PR97d, PR99℄ er-weitern die f�ur verhaltensorientierte Spezi�kationen bereits existierenden Ans�atze, soda� damit die Grundlagen f�ur eine systematis he Entwi klung sowohl der statis hen,wie au h der dynamis hen Ar hitekturaspekte gelegt sind.Vor dem Hintergrund der zunehmenden Bedeutung von Komponentenar hitekturenentstanden pr�azise Bes hreibungen des Komponentenbegri�s an si h [Bro96f, BDH+98℄,sowie Bes hreibungste hniken und Vorgehensweisen zur Modellierung von Komponente-nar hitekturen [HRR98a, HRR98b, BHRS97℄16

4.6 Message Sequen e Charts (MSC)Wie im vorangegangenen Abs hnitt bereits erw�ahnt, haben si h Message Sequen e Charts(MSCs) als standardisierte Notation zur Bes hreibung von Komponenteninteraktionenin verteilten Software-Ar hitekturen in vers hiedenen Varianten etabliert. In der UMLbeispielsweise stehen die von den MSCs abgeleiteten Sequenzdiagramme zur Verf�ugung;ihr Haupteinsatzgebiet ist dabei die Darstellung kurzer Interaktionsszenarien.Der �uber alle Phasen des Entwi klungsprozesses hinweg dur hg�angige Einsatz vonMSCs als Spezi�kationste hnik erfordert ein tiefes Verst�andnis der semantis hen Grund-lagen, der methodis h sinnvollen Einsatzm�ogli hkeiten, sowie der Beziehungen zu ande-ren Bes hreibungste hniken.Im Rahmen von SysLab wurde ein besonderer S hwerpunkt auf die Grundlagendes methodis hen Einsatzes von MSCs gelegt. In [BGH+97a℄ wurde, aufbauend auf[BHKS97a, BHKS97b℄, die Anwendung von MSCs sowohl f�ur kurze Interaktionssze-narien, als au h f�ur vollst�andige, umfassende Interaktionsar hitekturen untersu ht.Die semantis hen Grundlagen, sowie die De�nition geeigneter Verfeinerungs- undKompositionsbegri�e f�ur MSCs wurden und werden in [BK98, Bro98 , Kr�u99a, Kr�u99b℄untersu ht. Au h dabei steht der zielgeri htete methodis he Einsatz von MSCs im Mit-telpunkt der Betra htung. So liefert beispielsweise die semantis he Fundierung in [BK98℄die Grundlage des �Ubergangs von Interaktionsspezi�kationen f�ur Komponentennetzwer-ke hin zu Spezi�kationen f�ur einzelne Komponenten. Diese Arbeit wurde in [BGK98,KGSB99℄ um ein vollautomatis hes Verfahren zur Konstruktion ablau��ahiger Program-me aus MSC-Spezi�kationen erg�anzt. Dieses Verfahren wurde zum Patent angemeldet;das Deuts he Patentamt hat die Erteilung inzwis hen in Aussi ht gestellt. [BK98℄ und[BGK98, KGSB99℄ s hliessen damit eine wesentli he L�u ke beim methodis hen �Ubergangvon den fr�uhen Phasen der Anforderungsanalyse zu Spezi�kation, Design und Implemen-tierung.MSCs werden { �uber den Telekommunikationsberei h, dem urspr�ungli hen Hauptein-satzgebiet f�ur MSCs hinaus, { zunehmend im Umfeld des Entwurfs te hnis her, undinsbesondere eingebetteter Systeme, genutzt. Um au h in diesem Anwendungsgebiet ih-ren e�ektiven und dur hg�angigen Einsatz zu erm�ogli hen, wurde in [GKS99℄ eine aufhybride Systeme zuges hnittene MSC-Variante entwi kelt und ihre Integration in eineEntwurfsmethodik f�ur diese Systemklasse vorbereitet.Diese Beitr�age �nden ihre Fortsetzung in [Kr�u99b℄, wo im Rahmen einer Promoti-onsarbeit sowohl die semantis he Fundierung, als au h der methodis he Einsatz dieserBes hreibungste hnik untersu ht wird, und im SysLab-Bu h [BBH+00℄.4.7 State harts und verwandte AutomatenmodelleAutomaten oder Zustands-�Ubergangs-Systeme bilden das Bindeglied zwis hen den anZustand bzw. Struktur orientierten Bes hreibungste hniken und der an Interaktionenorientierten Si ht der MSCs.Wir unters heiden zwis hen der konkreten graphis hen Darstellung, genannt Zustands-�Ubergangs-Diagramm (STD), und der damit bes hriebenen Zustands- �Ubergangs-Mas hine17

(STM) [GKRB96, GR95, Bro97a, Bro97e℄. Die konkrete Darstellung mittels STD hatnotwendigerweise nur endli h viele Zust�ande und Transitionen, w�ahrend bereits der Zu-standsraum einer STM im allgemeinen unendli h ist, wenn ein STD zur Bes hreibungvon Objektverhalten eingesetzt wird.F�ur eine strukturierte Darstellung k�onnen STD-Zust�ande hierar his h angeordnetwerden. Eine den StateCharts �ahnli he Zerlegung des Objektzustandsraums in gekapsel-te, interagierende Teilobjekte ist damit (zun�a hst) ni ht intendiert. Gem�a� dem objek-torientierten Systemmodell bes hr�anken si h STDs auf das Einlesen einzelner Zei hen.Neben einer graphis hen wurde au h eine tabellaris he Darstellung von Automa-ten untersu ht [Bro98d, FR98℄ sowie eine Erweiterung von Automaten f�ur diskrete undanaloge E htzeitsysteme de�niert [GS98a, GS98b, GSB98a, GSB98b℄.STDs besitzen unters hiedli he Einsatzgebiete:� Ein STD kann verwendet werden, um den kompletten Life y le eines Objekts zubes hreiben [PR97b℄. Dabei spiegeln Zust�ande i.w. �Aquivalenzklassen des Daten-zustandsraums (Attribute) des Objekts wieder.� Ein STD kann eine einzelne Operation bes hreiben, die aufgrund anderer Objek-taufrufe "Wartezust�ande" hat. Die STD-Zust�ande sind hier Kontrollzust�ande derOperation.� Weiterhin eignen si h STDs au h zur Bes hreibung von Rollen und Features [PR97a,KPR97℄.F�ur die vers hiedenen Varianten von STDs wurden Regels�atze angegeben, die eineVerfeinerung, sowie eine Vers hmelzung (Verhaltens-Komposition) von STDs erlauben[Rum96, PR94, RK96, Rum98b℄.4.8 Work ow und Ges h�aftsproze�modellierungW�ahrend die oben bespro henen Bes hreibungste hniken konzeptionell vor allem f�urdie Bes hreibung von Software-Systemen entwi kelt wurden, stellt die Work ow- undGes h�aftsproze�modellierung das System \Unternehmen" in den Vordergrund. Model-liert werden dabei Arbeitsabl�aufe und Vorg�ange im Unternehmen, wobei kausale undzeitli he Abh�angigkeiten betriebli her Abl�aufe, Ausl�oser, Bearbeiter und ben�otigte Res-sour en erfa�t werden.Arbeitsabl�aufe k�onnen manuell dur hgef�uhrt werden oder au h (semi-)automatis hdur h Integration von Software-Systemen. So steht eine Ges h�aftsproze�modellierung oftam Anfang eines Software-Entwurfs, insbesondere wenn die Aufgaben des zu erstellendenInformationssystems a priori no h unklar sind.Ges h�aftsprozesse werden meist graphis h oder textuell repr�asentiert. Die Bes hrei-bungste hniken sind informell und haben si h aus der Praxis heraus entwi kelt. Dur h diein SysLab vorgenommene semantis he Fundierung erhalten die Bes hreibungste hnikenni ht nur eine formale Semantik mit Vorteilen wie Eindeutigkeit und Konsistenz, son-dern es wird au h die Grundlage f�ur eine Integration mit anderen Phasen und Te hniken18

des Systementwurfs ges ha�en. Hierbei ist vor allem der �Ubergang von der Modellierungvon betriebli hen Abl�aufen zur Modellierung von Software-Systemen zu nennen.Arbeiten, die si h mit den Bes hreibungste hniken der Ges h�aftsproze�modellierungund ihrer semantis hen Fundierung bes h�aftigen, sind [Thu97a, Thu97b, Thu98℄. In[RT98℄ wird zudem auf den Aspekt s hrittweisen Entwurfs eingegangen und ein seman-tis h fundierter Verfeinerungsansatz f�ur Ges h�aftsproze�bes hreibungen vorgestellt. Eingrundlegender Ansatz zur Modellierung von Vorg�angen wird in [KP98a℄ vorges hlagen,[KP98b℄ verwendet die Te hnik der Metamodellierung f�ur die Konzeption von Arbeits-abl�aufen.4.9 UMLMit der immer deutli her werdenden Dominanz der Uni�ed Modeling Language (UML)hat si h das Fors hungslabor SysLab au h auf diesen Ansatz ausgeri htet, und den ent-stehenden Standard zum einen auf syntaktis he, semantis he und methodis he De�ziteuntersu ht, zum anderen dur h Vortr�age und Seminare Projektpartnern und weiterenFirmen einen �Uberbli k �uber die Leistungen der UML und ihren aktuellen Stand ver-mittelt.Ein wesentli her Beitrag war die Bes hreibung einer Vorgehensweise zur Formalisie-rung der UML Bes hreibungste hniken auf Basis der in SysLab aus anderen T�atig-keiten gewonnenen Erkenntnisse [BHH+97a, BHH+97b℄, die in Einzelaspekten weiterbeleu htet wurde [BGH+98℄. In [Bre99℄ wird ein integrierter Ansatz vorgestellt, der dieUML-Bes hreibungste hniken auf eine einheitli he Basis stellt und ihre Rolle innerhalbder Methodik des nutzungsfallgesteuerten Entwurfs pr�azisiert.Dur h die mit diesen Ver�o�entli hungen errei hte internationale Aufmerksamkeitkonnten wir an der Gr�undung der mittlerweile international bekannten Gruppe pUML(pre ise UML) partizipieren und die in SysLab gewonnenen Erkenntnisse einbringen[EFLR98, EKR99, FELR98, EBF+98℄.Die so gewonnenen Erkenntnisse gipfeln letztendli h im SysLab-Bu h, dessen we-sentli he Inhalte au h in einem glei hnamigen Tutorial [BKR99℄ vermittelt werden.4.10 Werkzeugunterst�utzungEinen deutli hen Anteil an den Aktivit�aten des Fors hungslabors in SysLab nahm derBerei h der Werkzeugentwi klung ein. Diese wurde grunds�atzli h eng verzahnt mit derLehre dur hgef�uhrt: Wesentli he Teile der Werkzeugentwi klung wurden in Projektprak-tika mit gr�o�eren Entwi klerteams von Studierenden realisiert, weitere Teile im Rahmenvon Fortges hrittenenpraktika, Systementwi klungsprojekten und Diplomarbeiten.Grunds�atzli h wurden in SysLab zwei Werkzeugentwi klungsprojekte dur hgef�uhrt,bzw. in enger Zusammenarbeit mit anderen Projekten am Lehrstuhl realisiert. So wurdezum einen zusammen mit dem Teilprojekt A6 des Sonderfors hungsberei hs 342 undsp�ater au h mit dem Fors hungsverbund Softwarete hnik das Werkzeug AutoFo usentwi kelt. Zum anderen wurde innerhalb von SysLab mit Fris o der Prototyp einer19

Dokument-basierten CASE-Plattform als Fallstudie realisiert. Beide Projekte werdenim folgenden kurz bes hrieben.AutoFo usAutoFo us [HSS96, HSSS96℄ ist ein Werkzeug f�ur den komponentenbasierten Entwurfverteilter und eingebetteter Systeme, wie beispielsweise Steuerungssysteme f�ur Ferti-gungsanlagen, Avioniksysteme, aber au h Bu hungssysteme und Multimediadienste inintelligenten Netzwerken.AutoFo us hat zum Ziel, praxisorientierte Systementwi klungsans�atze mit forma-len Te hniken zu integrieren und stellt daher f�ur Entwi kler industriell gebr�au hli he,graphis he Bes hreibungsmittel zur Verf�ugung, mit denen verteilte Systeme in vers hie-denen, hierar his hen Si hten (u.a. Struktur-, Verhaltens- und Datensi ht) entworfenwerden k�onnen. Um mathematis h exakte Veri�kation zu erm�ogli hen, sind diese Be-s hreibungsmittel in die formale Methode Fo us, entwi kelt im Teilprojekt A6 des Son-derfors hungsberei hs 342, eingebettet.Die verwendeten Bes hreibungste hniken f�ur die genannten Si hten, Systemstruktur-diagramme (SSD) f�ur die statis he Si ht eines Systems, Zustands�ubergangsdiagramme(STD) zur Verhaltensbes hreibung von Komponenten, Datentypde�nitionen zur Festle-gung der in einem System verarbeiteten Datentypen, sowie EETs, einer Variante vonMSCs, zur Spezi�kation von Beispielabl�aufen eines Systems oder seiner Komponenten,weisen konzeptuell viele Gemeinsamkeiten zu den in der UML verwendeten auf. Abbil-dung 2 zeigt eine Bilds hirm-Hard opy des AutoFo us-Werkzeugs mit einem Projekt-Browser (oben links), in dem der Inhalt des verwendeten Repositories hierar his h dar-gestellt wird, einem SSD-Editor (oben mitte), einem EET-Editor (oben re hts), sowieeinem STD-Editor (unten links) mit einem ge�o�neten Transitionseditor (unten re hts).AutoFo us bietet die M�ogli hkeit, umfangrei he, au h benutzerde�nierte Konsi-stenzpr�ufungen auf Systemspezi�kationen [HSE97℄ auszuf�uhren. Aus konsistenten Sy-stemspezi�kationen k�onnen Prototypen generiert werden und in einer Simulations- undVisualisierungsumgebung zur Ausf�uhrung gebra ht werden [HS97, HMR+98℄.Das unterliegende formale Modell Fo us kann in AutoFo us �uber eine Anbindungan vers hiedene Model Che ker genutzt werden, um formale Veri�kation von Systemei-gens haften dur hzuf�uhren.Im Zuge der Integration formaler und praxisorientierter Konzepte bietet AutoFo- us insbesondere die typis he Funktionalit�at von CASE -Werkzeugen: AutoFo us be-sitzt eine verteilte Client/Server-Ar hitektur (siehe Abbildung 3), ausgeri htet auf denEinsatz in lokalen Netzen bzw. in Weitverkehrsnetzen. Im zentralen Repository des Ser-vers werden alle Entwi klungsprojekte gespei hert. Hier werden au h Mehrfa hzugri�eauf Entwi klungsdokumente im Mehrbenutzerbetrieb koordiniert und die Versionsver-waltung dieser Dokumente dur hgef�uhrt. Auf der Client-Seite stehen die teilweise bereitsin Abbildung 2 gezeigten Werkzeuge zur Projektverwaltung und die graphis hen Edito-ren f�ur die einzelnen Bes hreibungste hniken zur Verf�ugung. AutoFo us wurde platt-formunabh�angig in der Programmierspra he Java realisiert, kann also auf den meistengebr�au hli hen Systemplattformen verwendet werden.20

Abbildung 2: AutoFo us Projekt-Browser und Editoren f�ur SSDs, STDs und EETsGegenstand aktueller Arbeiten an AutoFo us ist der Ausbau der methodis henUnterst�utzung von Entwi klern im Hinbli k auf modularen Systementwurf [HS98℄, sowieein Re-Design der Ar hitektur des Werkzeugs [BHRS97℄.AutoFo us wurde zwis henzeitli h in mehreren Fallstudien eingesetzt (beispiels-weise zur Spezi�kation und Veri�kation einer Ampelsteuerung, siehe [HMS+98℄) und anexterne Partner und Unternehmen im Rahmen von Evaluierungslizenzen2 herausgege-ben.Im Rahmen des Projektes Quest wurde AutoFo us, wie s hon in Abs hnitt 3.6erw�ahnt, dur h die Anbindung vers hiedener Veri�kations- und Testwerkzeuge erwei-tert. Mit diesen Erweiterungen beteiligten si h AutoFo us und Quest an der FM'99Tool Competition, einem Modellierungswettbewerb f�ur formale Softwareentwurfswerk-zeuge auf dem Formal Methods '99 World Congress in Toulouse. Dabei erzielte dasAutoFo us/Quest-Werkzeug in einem Teilnehmerfeld von insgesamt 12 Entwi klungs-2Eine Evaluierungsversion von AutoFo us kann auf der AutoFo us Homepage im World WideWeb (http://autofo us.informatik.tu-muen hen.de) per Download bezogen werden.21

1 2 … n Server -Threads

Browser

Client 1

Server

Editors

Repository Proxy Repository Proxy

Browser

Client n

Editors

…

LAN / WAN

DB

Repository-Server

Abbildung 3: Systemar hitektur von AutoFo uswerkzeugen aus Industrie und Fors hung die beste Wertung und belegte den ersten Platzdes Wettbewerbs.Fris oFris o ist eine Fallstudie f�ur die Werkzeugentwi klung, die zum Ziel hat, eine CASE-Tool Plattform f�ur Dokument-basiertes Software-Engineering zu realisieren. Im weiterenUmfeld geh�oren zu den Zielen von Fris o, das vollst�andig in Java implementiert ist, derAufbau von weitergehendem Know-how im Berei h Java sowie im Berei h objektori-entierter Modellierung, speziell nat�urli h der UML. Bei den Implementierungsarbeitenkonnte insbesondere auf den in AutoFo us mit Java gesammelten Erfahrungss hatz[BH97℄ zur�u kgegri�en werden.Den Kernanteil von Fris o stellt das sogenannte Fris o Open Editor Framework (Fris- o OEF) dar, das auf Java-Basis einen komponentenbasierten Ansatz zur exiblen Kom-position zusammengesetzter Dokumente aus Einzeldokumenten realisiert. Im Hinbli kauf die f�ur Anwender si htbare Funktionalit�at steht dabei die M�ogli hkeit im Vorder-grund, vers hiedene textuelle und graphis he Bes hreibungste hniken m�ogli hst einfa hin einem Dokument kombinieren zu k�onnen und werkzeugseitig Unterst�utzung bei derSi herung der Konsistenz der Einzeldokumente zu erhalten. OEF stellt hierf�ur die In-frastruktur sowie eine gewisse Basisfunktionalit�at wie au h eine einheitli he Ober �a heund Pr�asentationss hi ht zur Verf�ugung, die von den einzelnen, in OEF integrierten22

Werkzeugkomponenten weiter spezialisiert wird.Werkzeugkomponenten, die in OEF integriert und damit in Fris o verf�ugbar sind,sind eine Reihe graphis her Editoren f�ur UML-Notationen und ein Parser f�ur die funktio-nale und algebrais he Spezi�kationsspra he Fris o F [LHR99℄, die ebenfalls im Rahmender Entwi klung der Fris o-Plattform realisiert wurde. Dabei wurde in einer speziellenKomponente [FR98℄ ein Verfeinerungskalk�ul f�ur Automaten realisiert, und so die prin-zipielle Ma hbarkeit demonstriert.Ein erstes Res�umee von Erfahrungen in der Entwi klung von Fris o, und speziell desFris o OEF, wurde in [HRR99℄ ver�o�entli ht.Wie in den vorausgehenden Abs hnitten bes hrieben, verwendet SysLab eine Men-ge ausgew�ahlter Bes hreibungste hniken aus der UML. Fris o unterst�utzt diesen Satzvon Bes hreibungte hniken weitestgehend. Dar�uber hinaus sind sowohl die SysLab-Bes hreibungste hniken als au h die SysLab-Methodik in ein Dokument-basiertes Kon-zept eingebettet, das darauf abzielt, dur h systematis he Kombination und Verfeinerungvon Dokumenten im Entwurfsproze� eine zunehmend genauere Systembes hreibung zuentwi keln. Dieses Konzept wird, wie oben bes hrieben, dur h den Dokument-basiertenAnsatz von Fris o explizit unterst�utzt. Damit konnten wertvolle Erkenntnisse f�ur dieWerkzeug-basierte Softwareentwi klung aus dem Fris o-Prototyp gewonnen und als Ba-sis f�ur weitere Werkzeugplanungen genutzt werden.4.11 Organisation wissens haftli her Tre�enTeilweise aufgrund der fa hli hen Anerkennung der geleisteten Arbeit, teilweise aberau h dur h die bei Fa hgespr�a hen und dur h die pre ise-UML-Gruppe ges hlossenenKontakte wurde es m�ogli h, mehrere wissens haftli he Workshops sowie eine internatio-nal anerkannte Konferenz zu diesem Themengebiet zu organisieren. Dadur h gelang es,die Pr�asenz der errei hten Leistungen no h wesentli h zu verst�arken. Im einzelnen warendies folgende Tre�en:PSMT'98 Workshop on Pre ise Semanti s for Software Modeling Te hniques [BCMR98b,BCMR98a℄.RTSE'97 Workshop on Requirements Targeting Software and Systems Engineering[BR98b, BR98a℄.EACBS'98 Workshop on Engineering Automation for Computer Based Systems, Mon-terey, 1998.Informatik und Kommunikationste hnik Zeits hriftenausgabe, Springer Verlag [BS98℄.ECOOP'97 Workshop on Pre ise Semanti s for Obje t-Oriented Modeling Te hniques[KR97a, KR97b℄.OOPSLA'97 Workshop Obje t-oriented Behavioral Semanti s [KRS97b, KRS97a℄.23

ECOOP'98 Workshop on Pre ise Behavioral Semanti s (with an Emphasis on OOBusiness Spe i� ations) [KR98a, KR98b℄.OOPSLA'98 Workshop on Behavioral Semanti s of OO Business and System Spe i�- ations [KRS98℄. Die Beitr�age wurden als Bu h ver�o�entli ht [KRS99℄.�UML'99� 2nd International Conferen e on the UML [FR99℄.GROOM GI Arbeitstre�en: Grundlagen Objektorientierter Modellierung [vdBBR98℄.4.12 LehreWie bereits oben erw�ahnt, wurde ein Gro�teil der in SysLab entwi kelten Werkzeugeim Rahmen von Praktika und Diplomarbeiten realisiert. Dabei stand stets ni ht nur daszu entwi kelnde Produkt im Mittelpunkt, sondern vor allem au h das Ein�uben von Te h-niken der Spezi�kation, Teamarbeit und Projektplanung. In [BBHP95, BH97℄ werdendie Erfahrungen aus zwei Projektpraktika ges hildert.Zudem o� das in SysLab gewonnene Wissen �uber Software-Entwi klung und Sy-stemmodellierung in eine Empfehlung f�ur den Informatik-Unterri ht an Gymnasien mitein [HB96℄.5 Abs hlie�ende BewertungAbs hlie�end ist zu sagen, da� die Einri htung des Leibnizpreises der Deuts hen For-s hungsgemeins haft eine au�erordentli h e�ektive und exible Ma�nahme zur F�orde-rung der Fors hung darstellt, die es den gef�orderten Fors hern erm�ogli ht weit �uber dasaktuelle Tagesges hehen hinaus eine Vision zu entwerfen, in die Tat umzusetzen und ihrim nationalen und internationalen Wissens haftsbetrieb Aufmerksamkeit zu vers ha�en.Damit kann letztli h die Spitzenposition der deuts hen Fors hung erhalten und ausge-baut werden.Das SysLab Team dank den Deuts hen Fors hungsgemeins haft f�ur die gro�z�ugigeund exible F�orderung.

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