[論文レビュー] A reference model for interaction semantics

Johannes Reich, Tizian Schröder|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2017

Service-Oriented Architecture and Web Services参考文献 23被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、離散的システムにおける相互作用の意味論の基準モデルを提案し、情報フロー（単方向／双方向）および処理特性（状態有無、決定的／非決定的、同期性）によって相互作用を分類する。水平的（対称的）および垂直的（非対称的）な双方向相互作用を区別し、水平的相互作用が本質的に状態あり、非同期的、非決定的であり、プロトコルによって支配されることを示している。一方、垂直的相互作用は上位から下位への使用または下位から上位への観察というパターンに従い、システム工学および標準化開発における相互運用性の形式的基盤を提供する。

ABSTRACT

In this article, we introduce a reference model for interaction semantics among communicating discrete systems to guide the discourse on interoperability. The necessary set of unifying concepts is small and comprises essentially the notion of discrete systems interacting by exchanging information. It is based on a simple, but nevertheless complete classification of system interactions with respect to information transport and processing. Information transport can only be uni- or bidirectional and information processing is subclassified along the binary dimensions of state, determinism and synchronicity. For interactions with bidirectional information flow we are able to define a criterion for a layered structure of systems: we name a bidirectional interaction "horizontal" if all interacting systems behave the same with respect to state, determinism and synchronicity and we name it "vertical" --- providing a semantic direction --- if there is a behavioral asymmetry between the interacting systems with respect to these properties. It is shown that horizontal interactions are essentially stateful, asynchronous and nondeterministic and are described by protocols. Vertical interactions are essentially top-down-usage, described by object models or operations, and bottom-up-observation, described by anonymous events. The reference model thereby helps us to understand the significant relationships that are created between interacting discrete systems by their interactions and guides us on how to talk about discrete system interoperability. To show its conceptual power, we apply the reference model to assess several other architectural models, communication technologies and so called software design or architectural styles like SOA and REST.

研究の動機と目的

• 離散的システム間の相互作用意味論を理解するための統一的コンセプトフレームワークを確立し、相互運用性に関する議論を改善すること。
• 既存のアーキテクチャモデルに一貫性があり検証可能な階層構造が欠如している問題に対処し、システム相互作用の形式的分類を導入すること。
• 特に双方向フローによって生じる根本的な差異を含め、単方向と双方向の相互作用の意味論的差異を明確にすること。
• システムレイヤーの階層化および相互作用タイプの明確な基準を定義することで、標準化および産業的ガイドラインの基盤を提供すること。
• 本モデルの実用性を示すために、既存のアーキテクチャモデル、通信技術、およびSOAやRESTのような設計スタイルを分析・批判すること。

提案手法

• 時間依存信号（入力、出力、内部）を用いた離散的システムの形式的定義と、入力および内部状態から出力および次状態へのシステム関数の定義。
• 明示的な時間依存性を排除し、プロトコルに基づく行動モデリングを可能にするI/O遷移系の抽象化の導入。
• 情報フロー（単方向対双方向）、状態（状態あり対状態なし）、決定性（決定的対非決定的）、同期性（同期対非同期）の3つの二値次元に沿ったシステム相互作用の分類。
• 水平的相互作用を、システム間で同一の状態、決定性、同期性を有する対称的行動として定義し、垂直的相互作用を非対称的とし、意味論的方向性を導入する。
• LCIM、RAMI4.0、IICコネクティビティフレームワークなどの既存フレームワークを本モデルを用いて分析・批判し、それらが検証可能なレイヤー順序基準を提供していないことを暴露する。
• 内部イベントメカニズムの必要性（循環的依存を回避するため）や、変換的行動と合成的行動の区別といった形式的帰結を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 離散的システム間の相互作用を形式的に記述・分類するために必要な最小限の統一的概念は何か？
• RQ2 双方向のシステム相互作用は単方向のものとどのように意味論的に区別できるのか？また、システム設計にどのような影響を及えるか？
• RQ3 システム相互作用における有効な階層構造の基準は何か？多くの既存のアーキテクチャモデルがなぜそれらを満たさないのか？
• RQ4 水平的（対称的）相互作用と垂直的（非対称的）相互作用は、処理の意味論および実装要件においてどのように異なるか？
• RQ5 この基準モデルは、既存のソフトウェアアーキテクチャ、通信プロトコル、およびSOAやRESTのような設計スタイルの評価や改善に、どの程度活用可能か？

主な発見

• 水平的相互作用は本質的に状態あり、非同期的、非決定的であり、形式的プロトコルによって記述されなければならない。
• 垂直的相互作用は、上位から下位への使用（例：オブジェクトモデルや操作）と、下位から上位への観察（例：匿名イベント）のパターンを特徴とし、意味論的方向性を反映している。
• 双方向相互作用は単に二つの単方向フローの合成ではなく、新たな意味論的制約と行動を導入する。
• 多くの既存のアーキテクチャモデル（例：LCIM、RAMI4.0、IIC）は、レイヤーの検証可能な順序付け基準を提供しておらず、要素を混在させているにすぎない。
• オブジェクトモデルを通じてリモート機能を公開する技術では、水平的相互作用を実装するには不十分であり、プロトコルに基づく状態管理が必要である。
• 本モデルは、システム（変換的行動）とコンポーネント（合成的行動）の区別を形式的に可能にし、コンポーネント指向設計における曖昧さを解消する基盤を提供する。