[논문 리뷰] McFSM: globally taming complex systems

Florian Murr, Wolfgang Mauerer|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 20.

Formal Methods in Verification참고 문헌 10인용 수 2

한 줄 요약

McFSM는 사이버-물리계, 실시간, 안전이 핵심인 시스템의 복잡한 상호의존성을 공식적으로 관리하기 위해 다수의 결합된 유한 상태 기계를 사용하는 모델 기반 접근법을 제안한다. 이는 시스템 행동의 전역적이고 일관되며 분석 가능한 기술을 제공하며, 다양한 프로그래밍 언어에서 효율적인 코드 생성과 컴파일 타임 검증을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 산업용 사이버-물리계 및 실시간 시스템에서 복잡한 상호의존성을 관리하는 데 도전하는 문제를 해결하기 위해.
• 컴ponent 간 상호작용을 포괄하는 시스템 행동의 전역적이고 형식적인 기술을 제공하기 위해.
• 모델 기반 기법을 사용하여 효율적이고 정확한 저수준 코드 생성을 가능하게 하기 위해.
• 도메인 특화 언어를 통해 컴파일 타임에 정확성과 효율성 분석을 지원하기 위해.
• 복잡한 동역학을 갖는 안전이 핵심인 시스템에서 오류를 줄이기 위해 일관된 전역 모델로 시스템을 구조화하기 위해.

제안 방법

• 컴ponent 간 상호작용과 전역 행동을 표현하기 위해 다수의 결합된 유한 상태 기계(McFSMs)로 시스템을 모델링하기 위해.
• McFSM 행동과 시스템 연결을 기술하기 위해 도메인 특화 언어(DSL)를 정의하기 위해.
• 전역 시스템 모델의 일관성과 정확성을 보장하기 위해 체계적인 이론적 기반을 확립하기 위해.
• 다양한 대상 언어에서 효율적인 저수준 코드를 자동으로 생성하기 위해 모델 기반 소프트웨어 공학 기법을 적용하기 위해.
• DSL과 McFSM 모델을 활용하여 컴파일 중에 효율성과 정확성에 대한 정적 분석을 가능하게 하기 위해.
• 전역적으로 일관된 구조를 유지하면서도 컴ponent 수준의 모odularity를 보존하기 위해 시스템 기술을 구조화하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실시간 및 안전이 핵심인 시스템에서 복잡한 상호의존성을 전역 수준에서 형식적으로 모델링할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 컴ponent 상호작용의 일관성 있고 확장 가능하며 분석 가능한 모델링을 가능하게 하는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 도메인 특화 언어가 McFSM 행동을 효과적으로 기술하고 컴파일 타임 검증을 지원할 수 있는가?
• RQ4 다양한 프로그래밍 언어로 McFSM 모델을 저수준 코드로 컴파일할 때 얼마나 효율적인가?
• RQ5 McFSM 접근법이 풍부한 행동 역학을 갖는 시스템에서 오류를 어느 정도 줄이는가?

주요 결과

• McFSM 접근법은 복잡한 상호의존성을 갖는 시스템에 대해 일관되고 잘 구조화된 전역 모델을 제공한다.
• 이론적 기반은 전역 시스템 기술의 정확성과 타당성을 보장한다.
• 도메인 특화 언어를 통해 McFSM 행동과 시스템 연결을 정밀하게 기술할 수 있다.
• 모델 기반 코드 생성은 다양한 프로그래밍 언어에서 효율적인 저수준 구현을 생성한다.
• 컴파일 타임 분석을 통해 효율성과 정확성 검증을 지원하여 런타임 오류를 줄인다.
• 이 방법은 높은 신뢰도로 작은~중간 규모의 산업 시스템에서 풍부한 행동 역학을 효과적으로 관리한다.