[論文レビュー] McFSM: globally taming complex systems

Florian Murr, Wolfgang Mauerer|arXiv (Cornell University)|May 20, 2017

Formal Methods in Verification参考文献 10被引用数 2

ひとこと要約

McFSM は、サイバー物理的システム、リアルタイムシステム、セーフティクリティカルシステムにおける複雑な相互依存関係を形式的に管理するためのモデル駆動型アプローチを導入する。これは、システム動作のグローバルで一貫性があり、解析可能な記述を提供し、複数のプログラミング言語における効率的なコード生成とコンパイル時検証を可能にする。

ABSTRACT

Industrial computing devices, in particular cyber-physical, real-time and safety-critical systems, focus on reacting to external events and the need to cooperate with other devices to create a functional system. They are often implemented with languages that focus on a simple, local description of how a component reacts to external input data and stimuli. Despite the trend in modern software architectures to structure systems into largely independent components, the remaining interdependencies still create rich behavioural dynamics even for small systems. Standard and industrial programming approaches do usually not model or extensively describe the global properties of an entire system. Although a large number of approaches to solve this dilemma have been suggested, it remains a hard and error-prone task to implement systems with complex interdependencies correctly.We introduce multiple coupled finite state machines (McFSMs), a novel mechanism that allows us to model and manage such interdependencies. It is based on a consistent, well-structured and simple global description. A sound theoretical foundation is provided, and associated tools allow us to generate efficient low-level code in various programming languages using model-driven techniques. We also present a domain specific language to express McFSMs and their connections to other systems, to model their dynamic behaviour, and to investigate their efficiency and correctness at compile-time.

研究の動機と目的

• 産業的サイバー物理的およびリアルタイムシステムにおける複雑な相互依存関係を管理する課題に対処すること。
• コンポonent間の相互作用を捉えた、システム動作のグローバルで形式的な記述を提供すること。
• モデル駆動技術を用いて、効率的かつ正しい低レベルコード生成を可能にすること。
• ドメイン固有言語を通じて、コンパイル時における正しさと効率の分析を支援すること。
• 一貫性のあるグローバルモデルを用いて複雑なダイナミクスを構造化することで、セーフティクリティカルシステムの誤りを低減すること。

提案手法

• コンポonentの相互作用とグローバル動作を表現するために、複数の結合された有限状態機械（McFSM）としてシステムをモデル化すること。
• McFSMの動作とシステム接続を表現するためのドメイン固有言語（DSL）を定義すること。
• グローバルシステムモデルの整合性と正しさを保証するための健全な理論的基盤を提供すること。
• モデル駆動開発技術を活用し、さまざまなターゲット言語で効率的な低レベルコードを自動生成すること。
• DSL と McFSM モデルを用いて、コンパイル時に効率性と正しさの静的解析を可能にすること。
• グローバルに一貫性を保ちつつ、コンポonentレベルのモジュラリティを維持するようにシステム記述を構造化すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リアルタイムおよびセーフティクリティカルシステムにおける複雑な相互依存関係を、グローバルレベルで形式的にどのようにモデル化できるか。
• RQ2 コンポonent相互作用の整合的でスケーラブルかつ解析可能なモデル化を可能にするメカニズムは何か。
• RQ3 ドメイン固有言語が、McFSM の動作を効果的に表現し、コンパイル時検証を支援できるか。
• RQ4 McFSM モデルが複数のプログラミング言語にわたり、どの程度効率的に低レベルコードにコンパイルできるか。
• RQ5 McFSM アプローチが、豊富な動作ダイナミクスを有するシステムにおいて、誤りをどの程度低減できるか。

主な発見

• McFSM アプローチは、複雑な相互依存関係を有するシステムに対して一貫性があり、体系的なグローバルモデルを提供する。
• 理論的基盤により、グローバルシステム記述の正しさと健全性が保証される。
• ドメイン固有言語により、McFSM の動作とシステム接続の正確な仕様が可能になる。
• モデル駆動コード生成により、複数のプログラミング言語で効率的な低レベル実装が生成される。
• コンパイル時解析により、効率性と正しさの検証が可能となり、ランタイムエラーが低減される。
• この手法は、小規模から中規模の産業的システムにおいて、豊富な動作ダイナミクスを高い信頼性で効果的に管理できる。