Die Telekommunikation und die ihr zuliefernde Industrie stellen einen softwareintensiven Bereich dar - der durch einen sehr hohen Anteil von Eigenentwicklungen gekennzeichnet ist. Eine wesentliche Ursache dafür sind spezielle Anforderungen an Telekommunikationssoftwaresysteme, die i.allg. nicht durch Standardsoftwareprodukte sichergestellt werden können. Diese Anforderungen ergeben sich aus den besonderen Eigenschaften solcher Softwaresysteme wie die Verteilung der Komponenten von Softwaresystemen sowie die Verteilung der Entwicklung dieser Komponenten, die Heterogenität der Entwicklungs- und Einsatzumgebungen für diese Komponenten und die Komplexität der entwickelten Softwaresysteme hinsichtlich nichtfunktionaler Charakteristika. Die industrielle Entwicklung von Telekommunikationssoftwaresystemen ist ein schwieriger und bisher nicht zufriedenstellend gelöster Prozeß. Aktuelle Forschungsarbeiten thematisieren Softwareentwicklungsprozesse und -techniken sowie unterstützende Werkzeuge zur Erstellung und Integration wiederverwendbarer Softwarekomponenten ("Componentware"). Das Ziel dieser Dissertation besteht in der Unterstützung der industriellen Entwicklung offener, verteilter Telekommunikationssoftwaresysteme. Dazu wird die Entwicklungstechnik Objektorientierte Modellierung mit dem Einsatz von Komponentenarchitekturen durch die automatische Ableitung von Softwarekomponenten aus Modellen zusammengeführt. Die zentrale Idee ist dabei eine präzise Definition der zur Entwicklung von verteilten Softwaresystemen einsetzbaren Modellierungskonzepte in Form eines Metamodells. Von diesem Metamodell ausgehend werden dann zur Konstruktion und Darstellung objektorientierter Entwurfsmodelle eine graphische und eine textuelle Notation definiert. Da die Notationen die Konzepte des Meta- Modells visualisieren, haben sie diesem gegenüber einen sekundären Charakter. Für die Transformation von Entwurfsmodellen in ausführbare Applikationen wurde auf der Grundlage von CORBA eine Komponentenplattform realisiert, die zusätzlich zu Interaktionen zwischen verteilten Softwarekomponenten auch Entwicklungs-, Deployment- und Ausführungsaspekte unterstützt. Wiederum ausgehend vom Metamodell wird durch die Anwendung wohldefinierter Ableitungsregeln die automatische Überführung von Entwurfsmodellen in Softwarekomponenten des zu entwickelnden Systems ermöglicht. Die von den Autoren erarbeiteten Konzeptionen und Vorgehensweisen wurden praktisch in eine Werkzeugumgebung umgesetzt, die sich bereits erfolgreich in verschiedenen Softwareentwicklungsprojekten bewährt hat. / The telecommunication industry and their suppliers form a software intensive domain. In addition, a high percentage of the software is developed by the telecommunication enterprises themselves. A main contributing factor for this situation are specific requirements to telecommunication software systems which cannot be fulfilled by standard off-the-shelf products. These requirements result from particular properties of those software systems, e.g. distributed development and execution of their components, heterogeneity of execution and development environments and complex non-functional characteristics like scalability, reliability, security and manageability. The development of telecommunication software systems is a complex process and currently not satisfactory realized. Actual research topics in this arena are software development processes and development techniques as well as tools which support the creation and integration of reusable software components (component ware). The goal of this thesis work is the support of the industrial development and manufacturing of open distributed telecommunication software systems. For that purpose, the development technique object oriented modelling and the implementation technique usage of component architectures are combined. The available modelling concepts are precisely defined as a metamodel. Based on that metamodel, graphical and textual notations for the presentation of models are developed. To enable a smooth transition from object oriented models into executable components a component architecture based on CORBA was also developed as part of the thesis. This component architecture covers besides the interaction support for distributed components deployment and execution aspects. Again on the basis of the metamodel code generation rules are defined which allow to automate the transition from models to components. The development techniques described in this thesis have been implemented as a tool chain. This tool chain has been successfully used in several software development projects.

Die steigende Nachfrage an immer komplexeren Systemen in verschiedensten wirtschaftlichen Bereichen, erfordert Strategien, die Wartbarkeit und Wiederverwendbarkeit unterstützen. An diesem Punkt setzen service-orientierte Architekturen (SOAn) an. Dieses Paradigma fordert die Aufspaltung von Funktionalität in Services, die komponiert werden können, um eine gewünschte, komplexe Funktionalität zu erreichen. Besonders in sicherheitskritischen Bereichen, kann eine fehlerbehaftete Komposition jedoch zu hohen finanziellen Einbußen oder sogar zu lebensbedrohlichen Situationen führen. Um die Korrektheit sicherzustellen, müssen Kompositionsmethoden im Vorfeld definierte Eigenschaften garantieren und die, durch die unabhängige Entwicklung auftretenden, Interface-Inkompatibilitäten behandeln. Existierende Ansätze zur automatisierten Service-Komposition durch Controller-Synthese beinhalten jedoch keine formale Datenbehandlung und können daher nicht mit datenabhängigem Verhalten umgehen. In der vorliegenden Arbeit, löse ich dieses Problem durch die Bereitstellung eines Ansatzes zur automatisierten Synthese datenabhängiger, korrekter Service-Controller. Dabei wird ein Controller direkt aus den spezifizierten Anforderungen und dem Verhalten der Services erzeugt. Basierend auf den Annahmen, dass die Anforderungen in RCTL, einer Untermenge der Computational Tree Logic (CTL), spezifiziert und die Services als Algebraische Petrinetze (APNe) gegeben sind, vereinigt mein neuartiger Ansatz die beiden Formalismen und unterstützt eine zuverlässige Extraktion des Controller-Verhaltens. Durch die Nutzung der APNe, erlaubt der Ansatz eine formale Datenbehandlung und somit eine Betrachtung datenabhängigen Verhaltens. Die Anwendbarkeit meines Ansatzes habe ich an drei Fallstudien aus dem medizinischen Bereich gezeigt, wo Geräte sicher miteinander kommunizieren müssen. / The continuously increasing demand for more complex systems in various economical domains requires a strategy that supports maintainability and reusability. This is addressed by the service-oriented architecture (SOA)}-paradigm that encourages the encapsulation of functionality into services. To achieve a specific functionality, services can be composed. Especially in safety-critical systems, an incorrect composition of various components can lead to high financial losses or even life threatening situations. To ensure the correctness, composition methods must particularly be able to guarantee pre-specified requirements and to overcome interface incompatibilities, which result from the independent development of the single services. However, current approaches for automated service composition via controller synthesis do not support a formal data-treatment and do not cope with data-dependent behavior. In this thesis, we overcome this problem by providing an approach for the automated synthesis of data-dependent service controllers that are correct-by-construction. The core idea is to synthesize such a controller directly from given requirements and the behavior of the services. Based on the assumptions that the requirements are specified using a subset of Computational Tree Logic (CTL), called RCTL, and that the services are given as algebraic Petri Nets (APNs), our novel synthesis process unifies the two formalisms and enables a reliable extraction of the controller behavior. Especially due to the use of APNs, our approach supports a formal data-treatment and enables a consideration of data-dependent behavior. With our synthesis process, which is based on a successive combination of requirements and services, we provide a practical applicable approach that works fully automatically. We show the applicability of our approach using three case studies in which medical devices interact with each other.

Die erweiterte CSP-CASL Syntax wird dazu verwendet, sowohl positive als auch negative Testfälle zu generieren. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass erwartetes und unerwünschtes Verhalten in den Testfäallen enthalten ist. Ferner werden Testterminologien für die CSP-CASL Spezifikation beschrieben, welche Softwareverfeinerungen und Erweiterungen untersuchen. Anschliessend wird die formale Definition von Softwareeigenschaften verwendet, um die Wiederverwendbarkeit von Testbestandteilen zu überprüfen. Diese Definitionen beschreiben die grundlegenden Eigenschaften im vorgeschlagenen Produkt und Prozessqualitäts- Framework. Ferner wird die Möglichkeit untersucht, die vorgeschlagenen Formalismus für die Entwicklung eines CMMI Prozesskonformen Frameworks zu verwenden. Dabei werden die Kernaspekte des CMMI Prozessmodells berücksichtigt. Das CMMI Compliance Bewertungssystem wurde entwickelt, um den Grad der Konformit ät der eingesetzten Softwareentwicklungsmethoden mit formalen Methoden zu bewerten. Ein generischer Algorithmus wird vorgeschlagen, um das Compliance Level der CMMI Prozessfelder und ihrer Komponenten zu ermitteln. Das Framework wird durch ein Tool unterstützt. Dieses Tool erlaubt es, die theoretischen Aspekte der vorgeschlagenen Theoreme praktisch zu unterstützen. Die Verwendbarkeit des vorgeschlagenen Frameworks wird an einem Anwendungsbeispiel aus der Medizintechnik gezeigt. Im Rahmen dieser Arbeit wird das Verständnis der Anwendung von formalen Methoden auf das Organisatorische Prozessmodell CMMI erweitert. Das komplette Framework wird repräsentiert durch die formale Spezifikationssprache CSP- CASL sowie der Prozessmodell CMMI. Ähnliche Ergebnisse können auch mit anderen formalen Methoden und Prozessverbesserungsmodellen erzielt werden. Diese Forschungsarbeit dagegen bildet einen Startpunkt für eine Prozessmodellkonformit ät mit einen auf formalen Methoden basierenden Softwaresystems sowie deren Entwicklung und Wartung. / The proposed formalisms and the other properties of formal methods are used to propose a framework of CMMI process model compliance. The core aspects of the CMMI process model are the process areas. A process area is a collection of best practices in a selected area. The CMMI compliance grading scheme is developed to evaluate the level of compliance with formal method based software development. A compliance algorithm is proposed to evaluate the process model through the evaluation of its components. The CMMI process areas are evaluated with a proposed algorithm. The compliance evaluation result is presented in the thesis. The complete framework is supported with a developed tool. This tool allows us to practically support our theoretical concepts. As a proof of concept, we explore our proposed framework for a medical instrument development and maintenance. In this thesis, the understanding of formal methods applicability is extended to the organizational process model, CMMI. The complete framework is presented for a formal specification language, CSP-CASL and process model, CMMI. However, similar result can be achieved with other formal methods for the compliance of other process models. This research is a starting point of process model compliance with formal methods. This has significant potential to automate the achievement of process and product quality goals of software systems.

Die Menge an in Computernetzwerken verarbeiteten Daten steigt stetig, was Netzwerkgeräte wie Switches, Bridges, Router und Firewalls vor Herausfordungen stellt. Die Performance der verbreiteten, CPU/softwarebasierten Ansätze für die Implementierung dieser Aufgaben ist durch den inhärenten Overhead in der sequentiellen Datenverarbeitung limitiert, weshalb solche Funktionalitäten vermehrt auf dedizierten Hardwarebausteinen realisiert werden. Diese bieten eine schnelle, parallele Verarbeitung mit niedriger Latenz, sind allerdings aufwendiger in der Entwicklung und weniger flexibel. Nicht jede Anwendung kann zudem für parallele Verarbeitung optimiert werden. Diese Arbeit befasst sich mit hybriden Ansätzen, um eine bessere Ausnutzung der jeweiligen Stärken von Soft- und Hardwaresystemen zu ermöglichen, mit Schwerpunkt auf der Paketklassifikation. Es wird eine Firewall realisiert, die sowohl Flexibilität und Analysetiefe einer Software-Firewall als auch Durchsatz und Latenz einer Hardware-Firewall erreicht. Der Ansatz wird auf einem Standard-Rechnersystem, welches für die Hardware-Klassifikation mit einem rekonfigurierbaren Logikbaustein (FPGA) ergänzt wird, evaluiert. Eine wesentliche Herausforderung einer hybriden Firewall ist die Identifikation von Abhängigkeiten im Regelsatz. Es werden Ansätze vorgestellt, welche den redundanten Klassifikationsaufwand auf ein Minimum reduzieren, wie etwa die Wiederverwendung von Teilergebnissen der hybriden Klassifikatoren oder eine exakte Abhängigkeitsanalyse mittels Header Space Analysis. Für weitere Problemstellungen im Bereich der hardwarebasierten Paketklassifikation, wie dynamisch konfigurierbare Filterungsschaltkreise und schnelle, sichere Hashfunktionen für Lookups, werden Machbarkeit und Optimierungen evaluiert. Der hybride Ansatz wird im Weiteren auf ein System mit einer SDN-Komponente statt einer FPGA-Erweiterung übertragen. Auch hiermit können signifikante Performancegewinne erreicht werden. / Network devices like switches, bridges, routers, and firewalls are subject to a continuous development to keep up with ever-rising requirements. As the overhead of software network processing already became the performance-limiting factor for a variety of applications, also former software functions are shifted towards dedicated network processing hardware. Although such application-specific circuits allow fast, parallel, and low latency processing, they require expensive and time-consuming development with minimal possibilities for adaptions. Security can also be a major concern, as these circuits are virtually a black box for the user. Moreover, the highly parallel processing capabilities of specialized hardware are not necessarily an advantage for all kinds of tasks in network processing, where sometimes a classical CPU is better suited. This work introduces and evaluates concepts for building hybrid hardware-software-systems that exploit the advantages of both hardware and software approaches in order to achieve performant, flexible, and versatile network processing and packet classification systems. The approaches are evaluated on standard software systems, extended by a programmable hardware circuit (FPGA) to provide full control and flexibility. One key achievement of this work is the identification and mitigation of challenges inherent when a hybrid combination of multiple packet classification circuits with different characteristics is used. We introduce approaches to reduce redundant classification effort to a minimum, like re-usage of intermediate classification results and determination of dependencies by header space analysis. In addition, for some further challenges in hardware based packet classification like filtering circuits with dynamic updates and fast hash functions for lookups, we describe feasibility and optimizations. At last, the hybrid approach is evaluated using a standard SDN switch instead of the FPGA accelerator to prove portability.

Serviceevolution erlaubt es, einen Service durch einen anderen Service zu verfeinern oder zu ersetzen. Der Austausch durch einen anderen Service sollte garantieren, dass alle oder ausgewählte Partner des Originalservices erhalten bleiben. In dieser Arbeit entwickeln wir einen Ansatz welcher einem Serviceentwickler helfen soll, Analyse- und Syntheseaufgaben für den Serviceaustausch so durchzuführen, dass jeder Partner eines gegebenen Services beim Austausch erhalten bleibt. Wir modellieren einen Kontrollfluss eines Services als Beschreibung der Reihenfolge von asynchron kommunizierenden Ereignissen mittels eines impliziten ungeordneten Nachrichtenspeichers. Weiterhin studieren wir den Verhaltensaspekt von korrekter Interaktion zwischen Services und konzentrieren uns auf zwei Varianten von Verklemmungsfreiheit als Korrektheitskriterien von Serviceersetzung. Der wichtigste Beitrag ist ein Ansatz zur Charakterisierung jedes möglichen Austausches eines gegebenen Services. Die zentrale Idee dieses Ansatzes ist eine systematische Untersuchung der Verbindung zwischen einem Service und all seiner Partner bzgl. eines gegebenen Korrektheitskriteriums. Wir nutzen diese Verbindung um von einem gegebenen Service einen kanonischen Partner und einen kanonischen Austausch bzgl. aller Partner zu synthetisieren. Ein Service welcher den kanonischen Austausch eines gegebenen Services verfeinert wird als Austausch des gegebenen Services angesehen, wenn die Menge all seiner Partner jeden Partner des gegebenen Services enthält. Mit dem kanonischen Austausch eines gegebenen Services identifizieren wir die Menge der möglichen austauschenden Services eines gegebenen Services bei der jeder exakt die gleichen Partner wie der gegebene Service hat. Einige Ergebnisse dieser Arbeit fundieren auf früheren Arbeiten zu Austausch und Korrektheit von Services und können daher mit diesen verbunden werden um schwierigere Analyse- und Syntheseaufgaben für den Serviceaustausch durchzuführen. / Service evolution allows one service to be refined into or substituted by another service. Substituting one service by another service should guarantee to preserve all or selected partners of the original service. In this thesis, we develop an approach that shall assist a service designer, such as a domain expert, to perform analysis and synthesis tasks on service substitution. We model a control flow of services that describes the ordering of asynchronously communicating events over an implicit unordered message buffer. We study the behavioral aspect of correct interaction between services and concentrate on two variants of deadlock freedom as correctness criteria of service substitution. The major contribution of this thesis is an approach for characterizing the set of all substitutes for a given service. We systematically investigate the relationship between a service and all its partners under a given correctness criterion and employ this relationship to synthesize from a given service its canonical partner and its canonical substitute with respect to all partners. A service that refines the canonical substitute for a given service is regarded as a substitute for the given service if the set of all its partners includes every partner of the given service. With the canonical substitute of a given service, we identify a specific subset of the set of all substitutes for the given service, each of which has exactly the same set of partners as that of the given service. Parts of the results in this thesis have been established upon previous works on service substitution and correctness of services. Consequently, we can also combine our results with the related existing techniques to perform more sophisticated analysis and synthesis tasks on service substitution.