Integrationsstrategien für cyber-physische Systeme · – Die Wartezeit bis zum big-bang ist leichtfertig verlorene Testdurchführungszeit. Da Testen ohnehin immer unter Zeitmangel

Integrationsstrategien für cyber-physische Systeme © 2017 M. Winter

TAV 41, Ratingen, 09.11. 2017 1

Prof. Dr. Mario Winter TH Köln

Integrationsstrategien für cyber-physische SystemeBausteine – Abhängigkeiten – Strategien

TAV 41, 9. November 2017, Ratingen

Folie 2 © 2017 Prof. Dr. Mario Winter, TH KölnIntegrationstest4CPSTAV 41 20171109

Ihr Referent: Prof. Dr. Mario Winter

• Dipl.-Ing. (GH Siegen 1983), Dipl.-Inform. (Uni Hagen 1994)

• Institut für Informatik der TH Köln, Campus Gummersbach– 2003-2011 Sprecher der GI-Fachgruppe „Test, Analyse und Verifikation

von Software“ (GI-FG TAV)

– Gründungsmitglied des „German Testing Board e.V.“ (GTB) des ISTQB

– Mitglied des Forschungsschwerpunkts „Software-Qualität“ der FH-Köln

• Forschung, Lehre, Beratung, Schulung und Coaching zu– Softwareentwicklung

– Modellierung / UML

– Qualitätssicherung

– Software-Test

– Projektmanagement


TAV 41, Ratingen, 09.11. 2017 2

Folie 4 © 2017 Prof. Dr. Mario Winter, TH Köln

Was sind Cyber-Physische Systeme?

• Cyber-physische Systeme (cyber-physical systems, CPS) bestehen aus einem Verbund mechatronischer Systeme, die auf unterschiedliche Arten gekoppelt sind und über Kommunikationsinfrastrukturen wie z. B. das Internet miteinander kommunizieren.

• Dies ist nur eine von vielen Definitionen …

TAV 41 20171109

Integrationstest4CPS

https://www.linkedin.com/pulse/iot-vs-m2m-cps-wot-terms-synonyms-john-soldatos

https://www.iot-now.com


3-Ebenen-Architektur und Bausteine von CPS

TAV 41 20171109


Sztipanovits, J. et al.: Toward a Science of Cyber-Physical System Integration. Proc. IEEE, Vol. 100, No. , 2012, pp. 29-44

Bausteine


TAV 41, Ratingen, 09.11. 2017 3


Integrationstest heute

• Die Bausteine eines Systems interagieren miteinander

• Das Zusammenspiel der Bausteine muss geprüft werden

• Oft Integration nach Verfügbarkeit oder – schlimmer – big-bang-Integration!– Es wird hierbei mit der Integration gewartet, bis alle Komponenten entwickelt sind.

– Dann wird alles auf einmal zusammengeworfen.

– Im schlimmsten Fall wird auch auf vorgelagerte Komponententests verzichtet.

• Problem: Integrationstest = Systemtest der integrierten Komponenten

Nachteile– Was isoliert im Komponententest funktioniert, muss im Zusammenspiel noch lange

nicht funktionieren …

– Fehlerwirkungen treten geballt auf; es wird schwierig oder unmöglich sein, das System überhaupt zum Laufen zu bringen.

– Die Lokalisierung und Behebung von Fehlerzuständen gestaltet sich schwierig und zeitraubend.

– Die Wartezeit bis zum big-bang ist leichtfertig verlorene Testdurchführungszeit. Da Testen ohnehin immer unter Zeitmangel leidet, sollte kein einziger Testtag verschenkt werden.

TAV 41 20171109


Chen, B. et al.: Security Analysis of Urban Railway Systems: The Need for a Cyber-Physical Perspective. SAFECOMP Workshops, 2015

Folie 7 © 2017 Prof. Dr. Mario Winter, TH KölnTAV 41 20171109


Integrationstest für Cyber-Physische Systeme

• Bausteine und Abhängigkeiten in CPS

• Integrationstest-Strategien und -Ebenen


TAV 41, Ratingen, 09.11. 2017 4







Bausteine in CPS

• Hardware (Engineering)– Sensoren, Aktuatoren, Steuerelektronik, …

• Hardware (IT)– Mikrocontroller

– SPS

– Client

– Server

• Firmware– „Verdrahtete Logic“, ROM/EPROM/Flash

• Software– Betriebssystem, Treiber

– Anwendungsprogramme

• Abgrenzung oft nicht eindeutig, Mischformen möglich -> Heterogenität!

TAV 41 20171109


industrial.softing.com

W3.siemens.com

www.cyberpowersystems.com

www.shutterstock.com

www.coursera.org


TAV 41, Ratingen, 09.11. 2017 5


Komplexität: Von Physik zu CPS zu SoS (Systems of Systems)

TAV 41 20171109


NIST CPS Group: Framework for Cyber-Physical Systems, NIST, 2016


Arten von Abhängigkeiten in CPS

• Mechanische Abhängigkeiten– Kraft, Wärme, (Material-)Fluss, …

• Elektr(on)ische Abhängigkeiten– Strom(versorgung), Signale,

– Diskret / Kontinuierlich

– Netzwerke

• Software-Abhängigkeiten– Syntaktische Abhängigkeiten

…

– Semantische Abhängigkeiten…

• Organisatorische Abhängigkeiten– Projekt-Zeitpläne

– Risiken/Kritikalität von Bausteinen

– Lieferantenbeziehungen

– …

• Die Komplexität steigt!!!TAV 41

20171109Integrationstest4CPS


TAV 41, Ratingen, 09.11. 2017 6


Allgemein: Abhängigkeiten zwischen Bausteinen

• In software engineering, coupling or dependency is the degree to which each program module relies on each one of the other modules [wikipedia]

• A dependency is a directed relationship between two entities where changes in one entity may cause changes in the other (depending) entity. [Jungmayr 2003]

• Eine Abhängigkeit zwischen zwei Artefakten liegt vor, wenn Artefakt A Artefakt B zu seiner korrekten Funktionsweise benötigt. [Savernik 2007]

TAV 41 20171109


Korollar: Zwischen je zwei Bausteinen existieren höchstens zwei Abhängigkeiten


Nur zwei Abhängigkeiten zwischen zwei Bausteinen?

TAV 41 20171109


• … es kommt auf die Granularität der Betrachtung an!

• System

• Komponente/Teilsystem

• Klasse/Modul

• Methode

• Member(-Variable)

• Anweisung


TAV 41, Ratingen, 09.11. 2017 7


Der Integrationstest fokussiert auf Abhängigkeiten

• Integration testing– Testing in which software components, hardware components, or both are combined and tested

to evaluate the interaction among them. [Web SEVOCAB]

– … aimed at showing inter-element consistency under the assumption that the elements themselves satisfy element requirements and have passed element-level testing. [Beizer 1984]

• Im Integrationstest werden die Abhängigkeiten und das Zusammenspiel zwischen einzeln bereits getesteten Bausteinen eines Systems getestet

TAV 41 20171109


A BA_B

C D

A_C B_C B_D


Herausforderungen im Integrationstest für CPS

TAV 41 20171109


Giese et al.: Model-Based Integration. Proc. Int. Dagstuhl Conference on Model-basedEngineering of Embedded Real-time Systems. LNCS 6100, Springer ,2010, pp. 17-54

integration challenges


TAV 41, Ratingen, 09.11. 2017 8


Arten von Abhängigkeiten (in Software)

• Syntaktische Abhängigkeiten– In einem Artefakt wird ein Element eines anderen Artefakts referenziert

– Z. B. Klasse deklariert Variable vom Typ einer anderen Klasse

– Kann zu semantischer Abhängigkeit führen, z. B. wenn tatsachlich auf die Variable zugegriffen wird

• Semantische Abhängigkeiten– Interaktions-/Kommunikationsabhängigkeiten, bei denen der abhängige Baustein

z. B. unmittelbar eine Operation des unabhängigen Bausteins benutzt, oder eine Nachricht empfängt

– Familien-/Vererbungsabhängigkeiten, bei denen der abhängige Baustein unmittelbar bestimmte Eigenschaften des unabhängigen Bausteins „erbt“

– Indirekte Abhängigkeiten, bei denen oft keine syntaktische Abhängigkeit zwischen unabhängigen und abhängigen Bausteinen besteht, sondern die Abhängigkeit über ein gemeinsam benutztes Medium wie z. B. einen Datenspeicher zustande kommt

– > In CPS oft durch Signale indirekte Abhängigkeiten!

TAV 41 20171109



Modellierung von Abhängigkeiten in SysML

TAV 41 20171109



TAV 41, Ratingen, 09.11. 2017 9







Integrationsstrategien

• Die Integrationsstrategie legt fest, wie viele Bausteine in einem Integrationsschritt zur bereits integrierten Menge von Bausteinen hinzugefügt werden und in welcher Reihenfolge die Bausteine zum Gesamtsystem zusammengesetzt werden

• Strukturabhängige Strategien– Strategien für hierarchische Bausteinstrukturen

– Strategien für vernetzte Bausteinstrukturen

– Graph-basierte Ansätze mit Zyklenauflösung

• Strukturunabhängige Strategien– Ad-hoc-Strategie (Entwicklungsabhängig)

– Strategie der kritischen Bausteine/Abhängigkeiten

– Anwendungsfallbasierte/Thread-basierte Strategie

– Big-Bang-Integration

• Individuelle Strategien– Strategie der Clusterbildung

– Heuristische Ansätze

– Vererbungs- und interaktionsbezogene Ansätze

TAV 41 20171109



TAV 41, Ratingen, 09.11. 2017 10


Vorgehensweise im inkrementellen Integrationstest

• Pro Integrationsschritt eine beliebige Anzahl Bausteine zu einer bereits integrierten und getesteten Menge von Bausteinen hinzuzufügen und das Zusammenspiel der bereits integrierten Bausteine mit den neu hinzugefügten Bausteinen zu überprüfen

• Im ersten Integrationsschritt werden mindestens zwei Bausteine zusammengefügt und ihr korrektes Zusammenspiel überprüft

• In den darauffolgenden Schritten werden mehr und mehr Bausteine zu dieser Menge ergänzt, bis im letzten Schritt alle noch nicht integrierten Bausteine hinzugefügt und getestet worden sind

TAV 41 20171109



CPS: Von Hierarchie zu Choreographie

TAV 41 20171109


VDI, VDE: Cyber-Physical Systems: Chancen und Nutzen aus Sicht der Automation. VDI, 2013https://www.vdi.de/uploads/media/Stellungnahme_Cyber-Physical_Systems.pdf


TAV 41, Ratingen, 09.11. 2017 11


Reduktion der Abhängigkeiten: Architektur!

TAV 41 20171109

Schicht 1

Schicht 0

Schicht ...

K8 K9

K6 K7

K4 K5

K1 K2 K3

...

„Strikte“ Abhängigkeit

„Nicht-Strikte“ Abhängigkeit„Verbotene“

zyklische Abhängigkeit


Schicht m-1

Schicht m


Keine zyklischen Abhängigkeiten zwischen Schichten!!!

TAV 41 20171109


The size of the cyclic graphs consistently correlates more with the defect-proneness of components in these systems than other measures.

Oyetoyan, T.; Cruzes, D. & Conradi, R. Can Refactoring Cyclic DependentComponents Reduce Defect-Proneness? Software Maintenance (ICSM), 2013 29th IEEE International Conference on, 2013, 420-423


TAV 41, Ratingen, 09.11. 2017 12


Baumarchitektur: n Komponenten, (n - 1) Abhängigkeiten

TAV 41 20171109

Schicht 1

Schicht 0

Schicht ...

K8 K9

K6 K7

K4 K5

K1 K2 K3


Schicht m-1

Schicht m


Strikt. Schichtenarchitektur: n Komponenten, ~(n/m)2 Abhängigkeiten

TAV 41 20171109

Schicht 1

Schicht 0

Schicht ...

Schicht m-1

Schicht m K8 K9

K6 K7

K4 K5

K1 K2 K3


Hierarchie


TAV 41, Ratingen, 09.11. 2017 13


Schichtenarchitektur: n Komponenten, ~ n2/2 Abhängigkeiten

TAV 41 20171109

Schicht 1

Schicht 0

Schicht ...

K8 K9

K6 K7

K4 K5

K1 K2 K3


Schicht m-1

Schicht m


Freie Architektur: n Komponenten, ~ n2 Abhängigkeiten

TAV 41 20171109

K8 K9

K6 K7

K4 K5

K1 K2 K3


Choreographie


TAV 41, Ratingen, 09.11. 2017 14


Schrittweise Strategien

TAV 41 20171109


A

B

C

D

E

H

G

F

Schrittweise Integrationsstrategien fügen immer nur genau einen Baustein zur Menge bereits integrierter und integrationsgetesteter Bausteine hinzu

H

C

B

AE

F D

G


Integrationsstrategien – Top-Down, Bottom-Up

• In welcher Reihenfolge würden Sie die Komponenten in diesem Graphen integrieren?

TAV 41 20171109


Top-Down

Bottom-Up

1, 2, 3, 4, 5, 6, 71, 3, 4, 2, 5, 6, 71, 4, 3, 2, 5, 6, 71, 4, 2, 3, 5, 6, 7… = 3!*2!*2! = 24(FanOut >1)

7, 6, 4, 5, 2, 3, 16, 7, 4, 5, 2, 3, 17, 6, 5, 4, 2, 3, 1…= 2!*2!*2! = 8(FanIn >1)


TAV 41, Ratingen, 09.11. 2017 15


Wann Top-Down, wann Bottom-Up?

• „Handle stets so, dass die Anzahl der Wahlmöglichkeiten größer wird!“ • (Ethischer Imperativ, Heinz von Foerster (1973), Über das Konstruieren von Möglichkeiten. S. 49)

• Anzahl Möglichkeiten Top-Down

– ∏ !∈

• Anzahl Möglichkeiten Bottom-Up

– ∏ !∈

→Wenn Median(FanOut) > Median(FanIn), dann Top-Down, sonst Bottom-Up

TAV 41 20171109



In der Praxis oft anwendungsfallbasierte Strategie

TAV 41 20171109


A

B

C

D

E

H

G

F

UC 1

UC 3UC 2


TAV 41, Ratingen, 09.11. 2017 16


Schrittweise Strategien – Treiber und Stellvertreter nötig

TAV 41 20171109


AE

F

Schrittweise Integrationsstrategien fügen immer nur genau einen Baustein zur Menge bereits integrierter und integrationsgetesteter Bausteine hinzu

AE

D/S

T

T

T/S


Kosten für Treiber und Stellvertreter

TAV 41 20171109


1

32 4

5 6 7

T1

1

2

• Test-Stellvertreter notwendig, wenn zu integrierender Baustein Nutzungs- oder Generalisierungs-Abhängigkeit zu einem noch nicht integrierten Baustein

• Kosten KS z.B. nach Anzahl und Komplexität der zu simulierenden aufgerufenen Operationen

• Test-Treiber für Aufruf-Abhängigkeit notwendig, wenn der zu integrierende Baustein nicht über bereits integrierte Bausteine „angesteuert“ werden kann

• Kosten KD für Treiber z.B. nach Anzahl und Komplexität der aufzurufenden Operationen

• Zusätzlich immer ein Treiber für die Ansteuerung des „Systems“, Kosten KDS

• OBdA: Kosten je Treiber = 1, Kosten je Stellvertreter = 2

K(o) = ∑, ,

, ,, + KDS

3 4

5


TAV 41, Ratingen, 09.11. 2017 17


Kosten für Treiber und Stellvertreter: Beispiel

TAV 41 20171109


1

32 4

5 6 7

T1

OTopDown = <1, 2, 3, 4, 5, 6, 7>

Erster Schritt (Komponenten K1 und K2): 1 Treiber (K1 von „Umgebung“)3 Stellvertreter (K3, K4, K5) - also 1+3*2=7Kosten insgesamt K(OTopDown)= 18 + KDSys

3 4

5

1

2

OBottomUp = <7, 6, 5, 4, 2, 1, 3>

Erster Schritt (Komponenten K6 und K5): 3 Treiber (K5 von K2 und K3 sowie K6 von K4), - also 3*1=3Gesamtkosten K(OBottomUp) = 9 + KDSys

5 6

32 4

7

K(o) = ∑, ,

, ,, + KDSys


Formalisierung des Problems

• BM = Menge der zu integrierenden Bausteine,

• : → 1. . Nummerierung der Bausteine

• Lösungsraum für schrittweise Integrationsstrategien:Menge aller Permutationen der Elemente von 1. .

• Für ∈ bedeutet o(i) = k mit , ∈ 1. . , dass Baustein Nr. i als k-terBaustein integriert wird

• Im Beispiel:

• BM = {A, B, C, D, E, F, G, H}

• N: [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]

• o = <3, 5, 2, 4, 6, 7, 8, 1>

• o(8) = 1: Die Integration beginnt mit Baustein H

TAV 41 20171109



TAV 41, Ratingen, 09.11. 2017 18


Integration – Von der Simulation zur Realität

• MT - Model Test

• MiL - Model in the loop

• RP - Rapid Prototyping (Hardware Test)

• SiL - Software in the loop

• HiL - Hardware in the loop

• ST - System Test

TAV 41 20171109


Broekman, B. & Notenboom, E. Testing embedded software Addison-Wesley, 2003


Integrationstest in der Praxis

TAV 41 20171109



TAV 41, Ratingen, 09.11. 2017 19


TODO: Integrationstest für Cyber-Physical Systems (CPS)

• Abbildung und Einbeziehung aller Abhängigkeiten im Integrationsmodell

• Ggf. Abbildung und Einbeziehung von Verhaltensmodellen im Integrationsmodell

• Geeignete Hierarchisierung / Stratifizierung des Integrationsmodells

• Verwendung unterschiedlicher Komplexitätsmetriken für die Kostenschätzung der Treiber und Stellvertreter

• Einbeziehung von Risiko und Nicht-Funktionalen Anforderungen

• Einbeziehung weiterer organisatorischer Abhängigkeiten, z.B. vorgegebene Entwicklungsreihenfolge in Iterations- bzw. Sprint-Planung und kontinuierlicher Integration (CI)

• Online-Adaption der Reihenfolge bei Änderung der Fertigstellungstermine von Bausteinen

TAV 41 20171109




Zusammenfassung




TAV 41, Ratingen, 09.11. 2017 20



Literatur

• Abbaspour Asadollah, S. et al.: A Survey on Testing for Cyber Physical System. Proc. Testing Software and Systems: 27th IFIP WG 6.1 Int. Conf. ICTSS 2015, Springer International Publishing, 2015, 1pp. 94-207

• Bombieri, N.; Poncino, M. & Pravadelli, G. (Eds.): Smart Systems Integration andSimulation. Springer International Publishing, 2016

• Giese, H.; Karsai, G.; Lee, E.; Rumpe, B. & Schätz, B. (Eds.): Model-Based Engineering ofEmbedded Real-Time Systems. Springer Berlin Heidelberg, 2010

• Meitner, M.: Quantitative Bewertung der Softwarezuverlässigkeit unter Berücksichtigung der Komponenteninteraktionen. Dissertation, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), 2015

• A. Spillner: Dynamischer Integrationstest modularer Softwaresysteme.Dissertation, Universität Bremen, 1990

• M. Winter: Qualitätssicherung für objektorientierte Software – Anforderungsermittlung und Test gegen die Anforderungsspezifikation. Dissertation, Universität Hagen, 1999

• M. Winter: Ein interaktionsbasiertes Modell für den objektorientierten Integrations- und Regressionstest. Informatik Forschung und Entwicklung, Vol. 15, Nr. 3, 2000

• M. Winter, M. Ekssir-Monfared, H. M. Sneed, R. Seidl, L. Borner: Der Integrationstest – Von Entwurf und Architektur zur Komponenten- und Systemintegration. Carl Hanser Verlag, München, 2013

• M. Winter: Optimale Integrationsreihenfolgen. Proc. Software Engineering 2013, GI, 2013



Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit – noch Fragen?

Prof. Dr. Mario Winter

TH Köln - Campus GummersbachInstitut für InformatikSteinmüllerallee 1, D-51643 Gummersbach

eMail [email protected] www.gm.fh-koeln.de/~winter

Fon (+49)2261/8196-6285 Fax (+49)2261/8196-6666 http://www.informationsarchiv.net

https://www.administrator.de

Documents

Integrationsstrategien für cyber-physische Systeme · – Die Wartezeit bis zum big-bang ist leichtfertig verlorene Testdurchführungszeit. Da Testen ohnehin immer unter Zeitmangel