Modeling telecommunication systems : from standards to system architectures

Herzberg, Dominikus; Nagl, Manfred

doi:25341

Modeling telecommunication systems : from standards to system architectures

Herzberg, Dominikus (Author)

2003

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dominikus Herzberg

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2003

UmfangXXII, 304 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2003

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Nagl, Manfred (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2003-09-17

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-6687
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/59063/files/Herzberg_Dominikus.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Telekommunikationsnetz (Genormte SW) ; OSI-Modell (Genormte SW) ; TCP/IP (Genormte SW) ; Modellierung (Genormte SW) ; Objektorientierte Programmiersprache (Genormte SW) ; Architektur <Informatik> (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; architecture modeling (frei) ; telecommunication systems (frei) ; ROOM (real-time object-oriented modeling) (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Architektur eines technischen Systems spiegelt bedeutsame Entwurfsentscheidungen über den Systemaufbau wider. Sie dokumentiert eine Beschreibung der Schlüsselelemente des Systems (Hardware und/oder Software), ihre Komposition, Funktionsweise und wechselseitigen Bezüge. Der Vorgang der Erstellung einer Architekturbeschreibung wird auch Architekturmodellierung genannt. In der Telekommunikation hat die Architekturebene stets eine wichtige Rolle im Entwurf und in der Weiterentwicklung von Kommunikationssystemen und -netzen gespielt. Jedoch ist die Art und Weise, wie Telekommunikationsingenieure ihre Architekturen beschreiben, erstaunlich rudimentär: Sie nutzen natürliche Sprache und Konzeptdiagramme, wie ein Blick in ältere als auch jüngere Standards offenbart. Selbst im Übergang von den Standards hin zu den frühen Entwurfsphasen in der Systementwicklung gehen die Systementwickler kaum über diesen informellen Grad der Darstellung hinaus. Wie sich in der Praxis zeigt, mangelt es bei der Architekturmodellierung -- nicht jedoch bei dem Verständnis von Architektur an sich -- (i) an einer geeigneten, konsistenten und formalen Modellierungssprache, die an die Bedürfnisse der Systementwickler angepasst ist und (ii) an einer Methodik, die den Modellierungsprozess unterstützt. Mit diesen Mängeln befasst sich die vorliegende Arbeit. In dieser Doktorarbeit wird ein systematischer Ansatz zur Architekturmodellierung von praktisch beliebigen Telekommunikationssystemen vorgestellt. Dies beinhaltet eine Methodik, eine Modellierungssprache und eine prototypische Implementierung dieser Sprache. Ein wesentlicher Beitrag dieser Arbeit ist die Behauptung, dass ein solcher Ansatz auf nur drei grundlegenden Eckpfeilern basiert: den Arten von Kommunikation und den Entwurfsprinzipien von Verteilung und Schichtung. Die Untersuchung liefert grundlegende Einsichten zum Design und Aufbau moderner Kommunikationssysteme. Das Ergebnis kann wie folgt zusammengefasst werden: Der Aspekt der Kontrolle führt zur Unterscheidung von drei elementaren Kommunikationsarten (kontroll-, daten- und protokoll-orientiert) und begründet "grey-box" Architekturbeschreibungen. Der Gesichtspunkt der Verteilung manifestiert sich im Begriff des komplexen Konnektors, der sich als Schlüsselkonzept zur Modellierung von verbindungslosen, verbindungsorientierten und sogar von "space-based" Kommunikationsnetzen inklusive ihrer Dienstqualitäten herausprägt. Der Begriff der Schichtung hat in Telekommunikationssystemen eine andere Bedeutung als sie sonst üblich ist. In einem verteilten System folgen die Schichten einer generischen Form der Verfeinerung, der Kommunikationsverfeinerung. Die Kommunikationsverfeinerung begründet eine echte Abstraktionshierarchie, die aus zwei Perspektiven interpretiert werden kann: aus einer knoten- und aus einer netzwerk-zentrischen Sicht. Die gewählte Sichtweise hat einen entscheidenden Einfluss auf das Systemverständnis. Diese Arbeit ist einerseits mathematisch fundiert, andererseits ist sie anwendungsorientiert. Mit Hilfe der Mathematik werden präzise Definitionen des Verständnisses von Verteilung und Schichtung gegeben; die sich ergebenden Implikationen prägen Methodik und Sprache. Die entwickelte Sprache basiert auf ROOM (Real-Time Object-Oriented Modeling), einer objekt-orientierten aber auch komponenten-orientierten Sprache. Wichtige Eigenschaften von ROOM werden in der bevorstehenden Version 2.0 der Unified Modeling Language, UML, integriert sein. Die vorgeschlagenen ROOM-Erweiterungen führen zu einer Neugestaltung der Sprache und einer Prototyp-Implementierung. Die begleitende Methodik ist in Methodenblöcken organisiert, wobei jeder Block eine abgeschlossene Einheit bildet und Heuristiken und Architektur-Lösungsmuster enthält. Die Aussagen dieser Arbeit werden durch eine Fallstudie aus der Praxis gestützt. In der Fallstudie zur SIGTRAN (SIGnaling TRANsport) Architektur wird zunächst dargestellt, welches Verständnis über Architekturmodelle den Standards zugrunde liegt. Es zeigt sich gegen Ende dieser Arbeit, dass ein systematischer Ansatz zur Architekturmodellierung relativ einfach und mit nur wenig Kosten verbunden ist -- die Zugewinne im Sinne von Klarheit, Genauigkeit und Ausdrucksstärke sind jedoch bemerkenswert.

The architecture of a technical system reflects significant design decisions about the system's organization and typically documents a description of key system elements (be they hardware or software), their composition, functioning, and interrelation. The process of creating a description of an architecture is called architecture modeling. In the telecommunication domain, the architecture level has always played an important role in the design and evolution of communication systems and networks. However, the way how telecommunication engineers describe their architectures is surprisingly rudimentary: They use natural languages and conceptual drawings, as a look into "old" as well as recent standards unveils. Even in the transition phase from standards to the early design phases of systems development, system designers do not go much beyond that level of informality. Therefore, as practice shows, in telecommunications, architecture modeling but not the understanding of architecture as such lacks (i) a suitable, consistent and formal modeling language, which is adapted to the needs of systems designers, and (ii) a methodology to support the modeling process. This work addresses these deficiencies. In this thesis, a systematic approach is presented for modeling architectures of virtually any telecommunication system. This includes a methodology, a modeling language, and a prototype implementation of the language. A major contribution of this work is the statement that such an approach can be based upon as few as three basic cornerstones for a networked system: the types of communication and the design principles of distribution and layering. The investigation distills fundamental insights for the design and construction of modern communication systems. The outcome can be summarized as follows: The aspect of control leads to the distinction of three elementary types of communication (control-oriented, data-oriented, and protocol-oriented communication) and provides the rational for grey-box architecture descriptions. The aspect of distribution can be manifested by the notion of a complex connector, which is the key concept to model connection-oriented, connectionless and even space-based communication networks including quality of service. Layering in telecommunication systems is different from the ordinary understanding of the term. Layers in a distributed communication system follow a generic form of refinement, namely communication refinement. Communication refinement constitutes a true abstraction hierarchy, which can be interpreted from two perspectives: from a node-centric and from a network-centric viewpoint. The viewpoint chosen has an important impact on the systems understanding. The foundation of this work is mathematical, its application is practical. The mathematics help giving precise definitions on the notions of distribution and layering; the resulting implications shape the methodology and the language. The language developed is based on ROOM (Real-Time Object-Oriented Modeling), an object-oriented but also component-based language. Key language features of ROOM will be integrated in the forthcoming 2.0 release of the Unified Modeling Language, UML. The extensions proposed to ROOM led to a careful redesign of the language and a prototype implementation. The accompanying methodology is organized in method blocks, each block being a self-contained methodological unit encompassing heuristics and architectural solution patterns. The thesis statement is supported by a real-life case study on the SIGTRAN (SIGnaling TRANsport) architecture. In the case study, first the understanding of architecture models as imposed by standards is presented. At the end of this work, it is shown that systematic architecture modeling is relatively easy and comes at little cost -- the gains in terms of clarity, preciseness and expressiveness are remarkable.

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