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Model-driven development, deployment, and analysis of Internet of Things applications
2023
Dissertation, RWTH Aachen University, 2022
Abweichender Titel auf dem Buchrücken
Genehmigende Fakultät
Fak01
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-11-11
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Internet of Things (frei) ; IoT (frei) ; cyber-physical systems (frei) ; digital twins (frei) ; domain-specific languages (frei) ; model-driven software engineering (frei) ; software architectures (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 004
Kurzfassung
Das Internet der Dinge (IoT) beschreibt die Idee, mit Sensoren und Aktuatoren ausgestattete Gegenstände untereinander und mit dem Internet zu verbinden. Die Entwicklung von IoT-Anwendungen ist aus verschiedenen Gründen komplex. Dazu gehören die Heterogenität der IoT-Geräte, die Tatsache, dass es sich bei IoT-Anwendungen normalerweise um verteilte Anwendungen handelt, und die Fehleranfälligkeit der Hardware und der Netzwerkverbindung. Modellgetriebene Methoden versprechen, die komplexe Entwicklung von IoT-Anwendungen durch die Anhebung des Abstraktionsniveaus handhabbar zu machen. In verwandten Arbeiten wurde eine Vielzahl von Komponenten-und-Konnektor (C&C) Architekturbeschreibungssprachen (ADLs) zur Entwicklung von IoT-Anwendungen vorgestellt. Diese konzentrieren sich jedoch hauptsächlich auf die frühen Entwicklungsphasen und vernachlässigen weitgehend Zuverlässigkeitsaspekte. Dementsprechend konzentriert sich diese Arbeit auf die modellgetriebene Entwicklung von IoT-Anwendungen über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg. Wir stellen MontiThings vor, ein Ökosystem zur modellgetriebenen Entwicklung von IoT-Anwendungen. Basierend auf bestehenden Ansätzen spezifiziert das MontiThings-Ökosystem eine IoT-fokussierte C&C ADL unter Verwendung der MontiCore Language Workbench. MontiThings zielt darauf ab, ein Ökosystem anzubieten, das den Lebenszyklus von IoT-Anwendungen abdeckt, angefangen bei den ersten Architekturkonzepten bis hin zur Bereitstellung der Anwendung und der Analyse der Anwendung während der Laufzeit. In allen Phasen dieses Prozesses bietet MontiThings dabei Zuverlässigkeitsmechanismen, die den Entwicklern helfen können, robuste Anwendungen zu spezifizieren.Für Designaktivitäten bietet MontiThings eine C&C-Sprache, die das internationale Einheitensystem (SI) und die Object Constraint Language (OCL) integriert, um Ausnahmesituationen zur Laufzeit zu erkennen. Außerdem bietet MontiThings eine Integrationsmethode für Hardwaretreiber, die eine klare Trennung von Zuständigkeiten und somit die Wiederverwendung und das Testen von Komponenten unabhängig von ihrer Hardwareintegration ermöglicht. Ein Generator übersetzt die C&C-Architekturmodelle in C++-Code. Basierend auf einer Tagging-Sprache können die IoT-Komponenten mit synthetisierten digitalen Zwillingen integriert werden. Beim Deployment von Anwendungen ist die anforderungsbasierte Deployment-Methode von MontiThings in der Lage, nicht nur eine Verteilung der Komponenten auf die IoT-Geräte zu berechnen, sondern dem Nutzer auch aktiv Änderungen vorzuschlagen, sollten seine Anforderungen nicht erfüllbar sein. Fallen Geräte zur Laufzeit aus, kann MontiThings das Deployment automatisch an die geänderte Situation anpassen (sofern es im Rahmen der Anforderungen möglich ist) und den vorherigen Softwarestand der ausgefallenen Geräte wiederherstellen. Zum Verständnis unvorhergesehener Situationen zur Laufzeit stellt MontiThings Entwicklern modellgestriebene Analysedienste zur Verfügung. Insgesamt demonstriert MontiThings eine durchgängig modellgetriebene Methode zur Entwicklung von IoT-Anwendungen.The Internet of Things (IoT) describes the idea of connecting objects equipped with sensors and actuators to each other and to the Internet. IoT applications are complex to develop for a variety of reasons, including the heterogeneity of the IoT devices, diverse software stacks, the fact that IoT applications are usually distributed applications, and the fragility of the hardware and network connection. Model-driven methods promise to make the complex development of IoT applications manageable by raising the level of abstraction. Related work has proposed a variety of component and connector (C&C) architecture description languages (ADLs) for developing IoT applications. However, these mainly focus on the early development phases and largely neglect reliability aspects. Accordingly, this work focuses on the model-driven engineering of IoT applications throughout their lifecycle. We present MontiThings, an ecosystem for model-driven IoT applications. Based on existing approaches, the MontiThings ecosystem specifies an IoT-focused C&C ADL using the MontiCore language workbench. MontiThings aims at offering an ecosystem that covers the lifecycle of IoT applications starting from the first architecture concepts up to the eventual deployment of the application and its analysis during runtime. At all stages of this process, MontiThings offers reliability mechanisms that can help developers to specify resilient applications.For design activities, MontiThings provides a C&C language integrated with international system of units (SI) units and the object constraint language (OCL) usable to detect exceptional situations at operating time. Furthermore, MontiThings offers an integration method for hardware drivers that provides a clear separation of concerns and, thus, enables components to be reused and tested independently of their hardware integration. A generator translates the C&C architecture models to C++ code. Based on a tagging language, the IoT components can be integrated with synthesized digital twins. When deploying applications, MontiThings’ requirements-based deployment method is able to not only calculate a distribution of components to IoT devices but can also actively propose changes to the user should their requirements be unfulfillable. If devices fail at runtime, MontiThings can automatically adapt the deployment to the changed situation (if possible within the requirements) and restore the previous software state of failed devices. To understand unforeseen situations that may arise at runtime, MontiThings provides developers with model-driven analysis services. Overall, MontiThings demonstrates an end-to-end model-driven approach for designing IoT applications.
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
print
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT021744781
Interne Identnummern
RWTH-2023-01838
Datensatz-ID: 951031
Beteiligte Länder
Germany
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