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==Konsistenzprüfung von Architekturbeschreibungen mit Anforderungen mittels linguistischer Analyse==
https://ceur-ws.org/Vol-1337/paper17.pdf
Konsistenzprüfung von Architekturbeschreibungen mit
Anforderungen mittels linguistischer Analyse
Kai Niklas1,2 , Stefan Gärtner2 , und Kurt Schneider2
Talanx Systeme AG, Hannover, Germany
1
kai.niklas@talanx.com
2
Leibniz Universität, Software Engineering Group, Hannover, Germany
{kai.niklas,stefan.gaertner,kurt.schneider}@inf.uni-hannover.de
Zusammenfassung
Zur Qualitätssicherung von Architekturbeschreibungen, z.B. Komponenten-
oder Schnittstellenbeschreibungen, ist eine Konsistenzprüfung gegen die ge-
gebenen Anforderungen sinnvoll. Gerade wenn neue oder geänderte Anforde-
rungen die Änderung bestehender Architekturbeschreibungen zur Folge ha-
ben, sollte die Konsistenz zu den Anforderungen bewahrt bleiben. Wir prä-
sentieren eine Methode, basierend auf linguistischer Analyse, um eine solche
Konsistenzprüfung zu unterstützen. Wir demonstrieren unsere Methode an-
hand eines industriellen Fallbeispiels.
1 Inkonsistenz zwischen Anforderungen und Architekturbeschreibungen durch Evolution
Die begriffliche Konsistenz zwischen Anforderungen und Architekturbeschreibungen hilft Entwicklern und Architekten
komplexe Systeme besser zu verstehen. Der Grund ist die vereinfachte Zuordnung von Begriffen aus den Anforderungen
zu den dazu passenden Ausschnitten der Architekturbeschreibung. Dadurch kann der Wartungsaufwand reduziert und die
Produktivität gesteigert werden [SZ01]. Inkonsistenzen können entstehen, wenn Anforderungen hinzugefügt oder geändert
werden. Wird beispielsweise ein bestehender Begriff in den Anforderungen ersetzt, so muss die Architekturbeschreibung
entsprechend angepasst werden. Andernfalls geht die meist implizite Zuordnung zu den Anforderungen verloren. Aus den
gleichen Gründen kann es aber auch, durch Änderung der Architekturbeschreibung, zu Inkonsistenzen mit bestehenden
Anforderungen kommen.
Der Aufwand zur manuellen Prüfung von Konsistenz ist bei komplexen Softwaresystemen mit umfangreichen Anforde-
rungen sehr hoch. Daher ist eine automatische Überprüfung und Korrekturunterstützung sinnvoll. Ein wesentliches Problem
ist, dass Anforderungen in der Praxis überwiegend in natürlicher Sprache vorliegen und meist schwach strukturiert sind.
Existierende Ansätze erfordern jedoch formale Notationen [CG01, Kim08] oder besondere Formen von Anforderungen,
z.B. Szenarien [KZ02]. Eine Überführung von natürlichsprachlichen Anforderungen in formale Beschreibungen, durch die
Entwickler, ist jedoch, gerade im Kontext von Evolution, zeitaufwändig und arbeitsintensiv. Das hat zur Folge, dass beste-
hende Ansätze zur Konsistenzprüfung nicht skalieren und für viele oder komplexe Artefakte ungeeignet sind [PSM+ 09].
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2 Automatische Konsistenzprüfung durch linguistische Analyse
Mit Hilfe von linguistischen Methoden haben wir einen Ansatz zur automatischen Konsistenzprüfung zwischen natür-
lichsprachlichen Anforderungen und Architekturbeschreibungen entwickelt. Der Ansatz besteht im Wesentlichen aus zwei
Schritten.
Schritt 1) Extraktion von Begriffen aus Anforderungen und Architekturbeschreibungen: Die wesentlichen Begriffe wer-
den aus den jeweiligen Artefakten mit Hilfe von linguistischen Methoden extrahiert. Hierzu werden NLP-Tools für Part-
of-Speech Tagging und Lemmatisierung benutzt [Sch94]. Die extrahierten Begriffe stehen in einer Beziehung zueinander,
wenn sie innerhalb eines Artefakts gemeinsam genutzt werden. Bei natürlichsprachlichen Anforderungen wird hierzu die
lexikalische Struktur des Textes mit einbezogen. Zum Beispiel stehen zwei Begriffe in Beziehung zueinander, wenn sie in-
nerhalb einer Aufzählung gemeinsam verwendet werden. Bei Architekturbeschreibungen, z.B. in einem UML Diagramm,
entstehen Beziehungen durch Hierarchie- und Geschwisterbeziehungen der Klassen und Attribute.
Domänenspezifische Begriffe, die untereinander in Beziehung stehen, bilden sogenannte Konzeptgraphen [Sow76].
Hierbei werden Begriffe als Knoten, und Beziehungen zwischen Begriffen als Kanten abgebildet.
Schritt 2) Vergleich der extrahierten Begriffe: Im Rahmen unserer Arbeit sind zwei Artefakte zueinander konsistent,
wenn sie Begriffe in gleicher Art und Weise verwenden. Das bedeutet, dass verwendete Begriffe, und deren Beziehungen
zueinander, aus den Anforderungen mit den Begriffen, und deren Beziehungen zueinander, aus der Architekturbeschrei-
bung übereinstimmen müssen. Es wird nicht geprüft, ob alle Begriffe und Beziehungen aus den Anforderungen auch
tatsächlich verwendet werden. Zur Prüfung der Konsistenz werden hierzu die aus den Anforderungen und der Architektur-
beschreibung erstellten Konzeptgraphen automatisch miteinander verglichen [Bun00]. Passen die Begriffe in den Knoten,
unter Einbeziehung der Struktur des Graphen, semantisch nicht zueinander oder sind die Knoten unterschiedlich mitein-
ander verbunden, so liegt eine Inkonsistenz vor. Das heißt, dass die verwendeten Begriffswelten voneinander abweichen.
Aus dem Ergebnis des Vergleichs können somit Rückschlüsse auf die Konsistenz der jeweiligen Artefakte gezogen und
Empfehlungen zur Korrektur abgeleitet werden.
Der Ansatz kann zur Entwicklungszeit zwischen der Anforderungs- und Entwurfsphase angewendet werden. Er eignet
sich insbesondere für die Wartung langlebiger Systeme, da geänderte Anforderungen kontinuierlich gegen die Architektur-
beschreibungen geprüft werden können.
Durch die Verwendung linguistischer Methoden kann unserer Ansatz auf schwach strukturierte Anforderungen in na-
türlicher Sprache, ohne manuelle Vorverarbeitung, automatisiert angewendet werden. Vorteile sind somit die Ausnutzung
bestehender Anforderungen im industriellen Umfeld und die Unterstützung verschiedener Projektgrößen. Die Methode
wird nur durch die Qualität der Artefakte und Leistungsfähigkeit verwendeter linguistischer Methoden beschränkt. Zum
Beispiel wird die sinnvolle Anwendung des Ansatzes erschwert, wenn innerhalb der Anforderungen Begriffe nicht einheit-
lich verwendet werden.
3 Industrielles Fallbeispiel
Das folgende Beispiel demonstriert den Einsatz der vorgeschlagenen Methode anhand eines industriellen Fallbeispiels. Im
Kontext einer serviceorientierten Architektur (SOA) soll die Konsistenz einer Service-Schnittstellenbeschreibung gegen
die zugrundeliegenden Anforderungen geprüft werden. Services werden zur Integration von Anwendungen und (Teil-)
Systemen genutzt. Sie werden mit Hilfe einer unternehmensinternen, domänenspezifischen Sprache beschrieben und sind
zentrale, langlebige Architekturbeschreibungen. Aus den formalen Beschreibungen werden später Code und Dokumen-
tation zur Umsetzung von Services generiert. Die natürlichsprachlichen Anforderungen liegen als schwach strukturiertes
Fachkonzept vor, welches zwischen Fachbereich und IT abgestimmt wurde. Es beinhaltet keine spezifische Servicebe-
schreibung, sondern beschreibt nur Funktionalitäten aus fachlicher Sicht.
In Abbildung 1 sind Ausschnitte der extrahierten Konzeptgraphen dargestellt: Ga (Anforderungen) und Gb (Schnittstel-
lenbeschreibung). Zu erkennen ist die Übereinstimmung der markierten Knoten und Kanten in Ga und Gb . Der verwendete
Begriff „Produktkategorie“ aus Gb ist jedoch nicht in Ga vorhanden und wird somit auch nicht als Begriff in den Anfor-
derungen verwendet. Dies stellt eine Inkonsistenz zu Ga dar. In Ga finden wir jedoch andere Begriffe an entsprechender
Stelle im Graphen, z.B. „Zuordnung“ oder „Spezifizierung“. Zur Herstellung der Konsistenz zwischen Anforderung und
Schnittstellenbeschreibung können dem Entwickler diese Alternativen vorgeschlagen werden. Dieser kann dann einen zum
Kontext passenden Begriff für die Schnittstellenbeschreibung auswählen.
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Abbildung 1: Ausschnitte aus Konzeptgraphen von Anforderungen und Schnittstellenbeschreibung
Literatur
[Bun00] Horst Bunke. Graph Matching: Theoretical Foundations, Algorithms, and Applications. In International Conference on
Vision Interface, Seiten 82–84, Mai 2000.
[CG01] Marsha Chechik und John Gannon. Automatic analysis of consistency between requirements and designs. IEEE Transacti-
ons on Software Engineering, 27(7):651–672, 2001.
[Kim08] Do Hyung Kim. Method and Implementation for Consistency Verification of DEVS Model against User Requirement.
Proceedings of the 10th International Conference on Advanced Communication Technology, Seiten 400–404, 2008.
[KZ02] A. Kozlenkov und A. Zisman. Are their design specifications consistent with our requirements? Proceedings of the IEEE
Joint International Conference on Requirements Engineering, Seiten 145–154, 2002.
[PSM+ 09] Hendrik Post, Carsten Sinz, Florian Merz, Thomas Gorges und Thomas Kropf. Linking Functional Requirements and
Software Verification. Proceedings of the 17th IEEE International Requirements Engineering Conference, Seiten 295–302,
2009.
[Sch94] Helmut Schmid. Probabilistic part-of-speech tagging using decision trees. In Proceedings of the international conference
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[Sow76] John F. Sowa. Conceptual graphs for a data base interface. IBM Journal of Research and Development, 20(4):336–357,
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[SZ01] George Spanoudakis und Andrea Zisman. Inconsistency management in software engineering: Survey and open research
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