Software-Entwicklung für Kommunikationsnetze

269 Pages·2002·14.63 MB·German

by  Dr. Axel Pink, Dr. Heinz Koßmann (auth.)

Xpert * press
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Die Reihe Xpert/press des Springer-Verlags
vermittelt Professionals in den Bereichen
Betriebs- und Informationssysteme, Software
Engineering und Programmiersprachen aktuell
und kompetent relevantes Fachwissen über
Technologien und Produkte zur Entwicklung
und Anwendung moderner Informations
technologien.
Axel Pink
Heinz Koßmann
Software-
Entwicklung
für Kommunikationsnetze
in Zusammenarbeit mit Manfred Broy
mit Beiträgen von Edeltraud Kargl
Michael Lagally
Thomas Schimper
54 Abbildungen und 11 Tabellen
Jgfl Springer
Dr. Axel Pink, Dr. Heinz Koßmann, Edeltraud Kargl, Michael Lagally,
Thomas Schimper
Siemens AG, Hofmannstr. 51, D-81359 München
[email protected], [email protected],
[email protected], [email protected],
[email protected]
Professor Manfred Broy
TU München, Institut für Informatik, Arcisstr. 21, D-80290 München
[email protected]
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Software-Entwicklung für Kommunikationsnetze / von Axel Pink.... - Berlin ;
Heidelberg ; New York; Barcelona ; Hongkong ; London ; Mailand ; Paris ;
Singapur; Tokio : Springer, 2002
(Xpert.press)
ISBN 3-540-43265-5
ISBN 978-3-642-62792-7 ISBN 978-3-642-56147-4 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-56147-4
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2002
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 2002
Softcover reprint of the hardcover 1st edition
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Satz: Computer to film von PostScript Daten der Autoren
Umschlaggestaltung: KünkelLopka Werbeagentur, Heidelberg
Gedruckt auf säurefreiem Papier SPIN 10866937 - 33/3142YL - 5 4 3 2 1 0
Vorwort
Computerwerdenzunehmendintechnischenundsozialen Systemen
hoherKomplexitliteingesetzt. BeispielesindKommunikationsnetze,
Flugleitsysteme, Gesundheitssysteme, Finanzdienstleistungen oder
Borsen. Dabei handeltes sich immerwenigerurn isolierteComputer
in Rechenzentren, die groBe Datenmengen verarbeiten oder hohe
Rechenleistungerbringen, sondernzunehmendurnComputer, die im
Verbundmitanderen,d.h. inNetzwerken,zusammenarbeiten.
Diesfuhrt dazu, daB sich dieFunktionen derSystemezunehmend
auf Netzwerke verteilen; d.h., Teilfunktionen werden auf unter
schiedlichen Computern des Netzwerks koordiniert ausgefuhrt. Die
Folge davon ist, daB die eingesetzten Software-Systeme aufgrund
der computertibergreifenden Schnittstellen heterogen und komplex
sind. Unbeeindruckt von dieser technisch bedingten Komplexitlit
erwarten die Anwender der Systeme selbstverstandlich eine hohe
VerfugbarkeitundQualitatderFunktionen.
Die Fortschritte in der Computerentwicklung fuhren dazu, daB
Rechengeschwindigkeit und Kapazitlit der Speicher stlindig steigen,
so daB immerumfangreichereFunktionen inSoftwarerealisiertwer
den konnen. Standard-ComputerderverschiedenenHerstellerbieten
zunehmend Software fur anwendungsspezifische Basisfunktionen,
deren Verwendung die Software-Herstellung beschleunigt. Gleich
zeitig steigen die Anforderungen der Systembetreiber, die sich nur
durch neue Dienste, d.h. neue Funktionen ihrer Systeme, in immer
ktirzerenAbstandengegenWettbewerberbehauptenkonnen.
Entsprechend dazu haben Kommunikationsnetze wahrend ihrer
Entwicklungmehrere Phasen durchlaufen. Zunachstwurdedie elek
tromechanische Steuerung durch Computer-Software zur Effizienz
steigerung nachgebildet. Uber die ursprtingliche Aufgabe hinaus
erOffnetederComputeralsNetzknotendieMoglichkeit,weitere Ser
vices daraufaufbauend einzufuhren. Ein aktuelles Beispiel sind im
Rahmen der Integration von Telefonnetz und Internetdie sogenann
ten "Converged Services". Der zusatzliche Freiheitsgrad, der sich
daraus ergibt, daB diese neuen Anwendungen Hardware-tibergrei
fend agieren, erhohtdieKomplexitatbetrachtlich.
Vorworl -- V
-
Alles in allem steigen die Anforderungen an die Software-Ent
wicklung hinsichtlich FunktionaliHit, Marktorientierung, Qualitat,
KostenundZeit.
DieSoftware-EntwicklungmuBaufdieseSituationreagieren:
• Sie muB kostengiinstig sein, da die Technologieentwicklung
konkurrenzfahigseinmuB unddurchPreisverfallgepragtist,
• sie muB schnell sein, da die Systembetreibereinem hohen Kon
kurrenzdruckausgesetztsind,
• sie mu13 marktorientiert sein, was bedeutet, daB auch iiberra
schende Marktanforderungen in laufenden Entwicklungen zu
berucksichtigensind, und
• sie muB flexibel sein hinsichtlich Austausch von Computer
Plattformen.
Welche Faktoren der Software-Entwicklung konnen zur Erreichung
dieserZielebeitragen?
Drei Faktoren spie1en entscheidende Rollen. Es werden Experten
benotigt,dieGrundlagenwieProgrammerstellungundProgrammve
rifikation beherrschen. Prozesse zur Regelung der Entwicklungsta
tigkeitenvonderPlanungbiszurUbergabeandenKundensindnot
wendig. Diese Punkte sind aber nicht Software-spezifisch, sondem
gelten auch fUr andere technische Disziplinen der industriellen
Produktentwicklung.
Es gibt allerdings einen Aspekt, in dem sich die Software-Ent
wicklung von der Entwicklung anderer technischer Produkte unter
scheidet. DerUnterschied liegt imProduktselbst, namlich in der in
neren Struktur, den Eigenschaften des Zusammenwirkens der Struk
turelemente und der Wirkungsweise nach auBen. Die KomplexWit
dieser statischen und kausalen Zusammenhange ist so darzustellen,
daB sie minimiert werden kann und dadurch in der nachfolgenden
Implementierung beherrschbar wird. An dieser Stelle liegen die
Schwierigkeiten: Die innereKomplexitateines Software-Systems ist
schwer zu fassen. Zudem fehlen geeignete Darstellungsmittel zur
Kommunikation derZusammenhange. Dies macht es fUr die Imple
mentierung schwierig, aile Probleme, die sich aus der Komplexitat
ergeben, zu erkennen und in geeigneter Form zu losen. Verscharft
wirddasProblemdadurch, daBaufgrundderSchwierigkeitenbeider
Darstellung der inneren Struktur die Tatigkeit des Modellierens bei
Softwareleichtervemachlassigtwirdals beianderenProdukttypen.
EinewesentlicheRolle bei derBeherrschungder Software-Kom
plexitat spielt die Software-Architektur. Sie stellt die Regeln und
MethodenfUr die SystementwicklungzurVerfUgung. Erganztdurch
einen einfachen, aber wirkungsvollen Entwicklungsproze13, der die
VI • Vorwort
•
•
Implementierung lenkt, sind die Grundlagen fUr eine erfolgreiche
Produktentwicklunggeschaffen.
Die angesprochenen Anforderungen an modeme Software-Tech
nik bilden die Motivation fUr dieses Buch. Grundlage sind die prak
tischen Erfahrungen aus einer Reihe von Software-Projekten aus
demBereich der Telekommunikation. Telekommunikationssoftware
zeichnet sich als Embedded Software durch ihre Funktionalitat,
ihren Umfang und die Vielzahl komplizierter Schnittstellenaus. Die
spezifischenEigenschaftensind([Jung1998]):
_ Echtzeitverarbeitung, parallele AbJaufe, zeitkritisches Antwort
verhalten
_ auBerstgroBerUmfang
_ hohe Komplexitat durch auf verschiedene Prozessortypen ver
teilteFunktionalitatmitenggekoppelten Schnittstellen
_ hoheLeistungsfahigkeitbezuglichdesDurchsatzes
_ hohe Qualitatsanforderungen (Zuverlassigkeit, Stabilitat, Ver-
fUgbarkeitsowiefehlertolerantes Verhalten).
Dieses Buch beschreibt Prinzipien und Methoden der Entwicklung
groBer Software-Systeme aus dem Bereich der Telekommunikation,
die sich in der Praxis bewahrthaben. Es werden praktische Anwen
dungen von Architektur inErganzungzum Buch"Applied Software
Architecture" [Hofin2000] beschrieben.DietheoretischeFundierung
der Darstellung der Architekturelemente wird in einer Kooperation
mit Prof. Broy, Institut fUr Informatik der Technischen Universitat
Munchen, weiterentwickelt. Nicht betrachtet werden die speziellen
Designaspekte der Implementierung selbst, da diese schon ausfiihr
lich in Buchem wie "Entwicklung von Software-Systemen"
[Balz1982] dargestelltsind.
Zielgruppe
Angesprochen werden sollen Studenten der Software-Technik und
Software-Entwickler, die an Aufgabenstellungen mitobigerCharak
teristik arbeiten. Die praxisgerechte Darstellung der relevanten Zu
sarnmenhange zwischen den verschiedenen Reprasentationen eines
Software-Systems soli ihnen bei der Strukturierung ihrer Aufgaben
helfen. Dartiber hinaus fmden Software-Manager, die sich mit dem
Einsatz neuer Technologien in der Software-Entwicklung beschafti
gen, Hinweise, mitwelchen Mitteln eineIntegration in die Entwick
lungsprojekte moglich wird. Nicht zuletzt soli das Werk neuen
Mitarbeitem und werdenden Software-Entwicklem, die noch nicht
mit derPraxis und den Prinzipien derEntwicklunggroBerSoftware
Systemevertrautsind, denZugangzuihrenAufgabenerleichtem.
Vorwort -- VII
-
Inhaltsverzeichnis
Einleitung 1
1 DasWesen vonSoftware 5
1.1 PrinzipderSpeicherprogrammierbarkeitoderdieschnelle
AnderbarkeitaufgrunddesBaumaterials 6
1.2 KomplexeAufgabenstellungenoderVerlustder
Anschaulichkeit 8
1.3 Fazit 9
2 Dynamikin derSoftware-Entwicklung ll
2.1 Leistungsdynamik 11
2.2 Technologiedynamik 12
2.3 Teamdynamik 12
2.4 Anforderungsdynamik 13
2.5 Fazit 15
3 Software-Architektur 17
3.1 BedeutungvonArchitekturinderSoftware-Entwicklung.17
3.2 Architekturals BrtickezwischenSystemund
Computerprogramm .21
3.3 Hardware-Konfiguration 25
3.4 Fazit 27
4 BeispieleinerSoftware-Architektonik 29
4.1 Aufgabenstellung 29
4.2 EntwurfeinerSoftware-ArchitektonikfurPINT-Services.31
4.2.1 Basisaufbau 32
Inhaltsverzeichnis -- IX
-
4.2.2 Einschub: ArchitekturelementeinderNotationCOSPEL.35
4.2.3 ReaktionszeitundDurchsatz 37
4.2.4 Standardschnittstellen 46
4.2.5 OffeneSchnittstellen 48
4.2.6 Verfugbarkeit. 51
4.2.7 Versionsentwicklung 55
4.2.8 PrototypderSoftware-ArchitektonikfurPINT-Services 58
4.2.9 BewertungderSoftware-ArchitektonikdesPINT-
Gateways 60
4.3 Fazit 61
5 Zeit-undKostenschatzungen 65
5.1 GrundsatzlicheszurZeit-undKostenschatzung 65
5.2 ProduktivitatinderSoftware-Entwicklung 66
5.3 DasmodifizierteAron-Modellunddas Cocomo-Modell..68
5.4 VergleichmitEinzelangabenaus derLiteratur 74
5.5 FunctionPoints 75
5.6 AktivitatsorientierteAufwandsschatzung 75
5.7 Fazit 76
6 Architekturfaktoren,Prozedurzur
Entscheidungsfindung 79
6.1 Checkliste 80
6.2 Bewertungsmatrix 84
6.3 Fazit 85
7 WechselwirkungzwischenArchitekturelementenund
Implementierung 87
7.1 StrukturierungssichtenfureinSoftware-System 87
7.2 AuswirkungderStrukturaufdasLaufzeitverhalten 89
7.3 DurchstichzurBetriebsmittelabschatzung 91
7.4 Fazit 92
8 Vonden KomponentenzurSchicht 93
8.1 OrdnungaufKomponenten 93
8.2 KonstruktionvonSchichten 97
8.3 SchichtenmodellfurInternetSupplementaryServices 99
8.4 Architekturregeln 100
8.5 EWSD-Serviceschichtung 101
8.6 Fazit 103
x •
Inha/tsverzeichnis
•
•
9 AufteilungdesSoftware-Systemsaufeinverteiltes
Computersystem 105
9.1 Betriebsmittelzuordnung 105
9.2 GraphentheoretischerLosungsansatz 107
9.3 Fazit 110
10 Ausfiihrenvon Programmen 111
10.1 ProgrammeundihreRealisierungdurch
Programmiersprachen .111
10.2 ProzessealskonkurrierendeAusfuhrungseinheiten l13
10.3 Synchronitat,Asynchronitatund ihrZusammenwirken...116
10.4 ProzeBkonzeptinCHILL 119
10.5 AbhangigkeitzwischenProgrammierspracheund
Betriebssystem 122
10.6 AuswahlkriterienfureineProgrammiersprache 123
10.7 Fazit 125
11 FormaleGrundlagederArchitekturelemente 127
11.1 SemantikderSignalmodelle 127
11.2 SemantikderKomponentenmodelle 132
11.2.1 SemantikdesProtokollautomaten 136
11.2.2 Semantikdes asynchronenInterfaces 138
11.2.3 SemantikdessynchronenInterfaces 138
11.2.4 Semantikdes Service 138
11.3 EinfuhrunginCOSPEL 139
11.3.1 BegriindungundPrinzipien 139
11.3.2 Service 140
11.3.3 Komponente 142
11.3.4 Applikation 143
11.4 SprachbeschreibungCOSPEL 145
11.4.1 HinweisezurMetasprache 145
11.4.2 COSPEL-Spezifikation 146
11.4.3 Applikation 146
11.4.4 Komponente 149
11.4.5 Service 152
11.4.6 SynchroneundasynchroneInterfaces 155
11.4.7 Protokollautomat 158
11.4.8 Channel 160
11.4.9 Signaturen(FormaleParameter) 161
11.5 BeispielmitsynchronenundasynchronenSchnittstellen.161
11.6 Click-to-Dial-BeispielinCOSPEL. 164
11.7 Fazit 173
Inhaltsverzeichnis • XI
•
•