Modeling telecommunication systems [Elektronische Ressource] : from standards to system architectures / vorgelegt von Dominikus Herzberg

Dominikus Herzberg

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2003
• Nombre de lectures: 8
• Langue: English
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Extrait

Modeling Telecommunication Systems:
From Standards to System Architectures
Von der Fakultat¨ fur¨ Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften der
¨Rheinisch Westfalischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des
akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften genehmigte
Dissertation
vorgelegt von
Dipl. Ing., Dipl. Wirt. Ing.
Dominikus Herzberg
aus Bonn
Berichter: Univ. Prof. Dr. Ing. Manfred Nagl
Univ Dr. rer. nat. Broy, TU Munchen¨
Tag der mundlichen¨ Prufung:¨ 17. September 2003
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der
Hochschulbibliothek online verfugbar¨ .Abstract
The architecture of a technical system reflects significant design decisions about
the system’s organization and typically documents a description of key system
elements (be they hardware or software), their composition, functioning, and in
terrelation. The process of creating a description of an architecture is called ar-
chitecture modeling. In the telecommunication domain, the level has
always played an important role in the design and evolution of communication
systems and networks.
However, the way how engineers describe their architec
tures is surprisingly rudimentary: They use natural languages and conceptual draw
ings, as a look into “old” as well as recent standards unveils. Even in the transition
phase from standards to the early design phases of systems development, system
designers do not go much beyond that level of informality. Therefore, as practice
shows, in telecommunications, architecture modeling but not the understanding of
architecture as such lacks (i) a suitable, consistent and formal modeling language,
which is adapted to the needs of systems designers, and (ii) a methodology to
support the modeling process. This work addresses these deficiencies.
In this thesis, a systematic approach is presented for modeling architectures of
virtually any telecommunication system. This includes a methodology, a modeling
language, and a prototype implementation of the language. A major contribution
of this work is the statement that such an approach can be based upon as few
as three basic cornerstones for a networked system: the types of communication
and the design principles of distribution and layering. The investigation distills
fundamental insights for the design and construction of modern
systems.
The outcome can be summarized as follows: The aspect of control leads to the
distinction of three elementary types of communication (control oriented, data
oriented, and protocol oriented communication) and provides the rational for grey
box architecture descriptions. The aspect of distribution can be manifested by the
notion of a complex connector, which is the key concept to model connection
oriented, connectionless and even space based communication networks includ
ing quality of service. Layering in telecommunication systems is different fromii
the ordinary understanding of the term. Layers in a distributed communication
system follow a generic form of refinement, namely communication refinement.
Communication refinement constitutes a true abstraction hierarchy, which can be
interpreted from two perspectives: from a node centric and from a network centric
viewpoint. The viewpoint chosen has an important impact on the systems under-
standing.
The foundation of this work is mathematical, its application is practical. The
mathematics help giving precise definitions on the notions of distribution and lay
ering; the resulting implications shape the methodology and the language. The
language developed is based on ROOM (Real Time Object Oriented Modeling),
an object oriented but also component based language. Key language features of
ROOM will be integrated in the forthcoming 2.0 release of the Unified Modeling
Language, UML. The extensions proposed to ROOM led to a careful redesign of
the language and a prototype implementation. The accompanying methodology
is organized in method blocks, each block being a self contained methodological
unit encompassing heuristics and architectural solution patterns.
The thesis statement is supported by a real life case study on the SIGTRAN
(SIGnaling TRANsport) architecture. In the case study, first the understanding of
architecture models as imposed by standards is presented. At the end of this work,
it is shown that systematic architecture modeling is relatively easy and comes
at little cost – the gains in terms of clarity, preciseness and expressiveness are
remarkable.Zusammenfassung
Die Architektur eines technischen Systems spiegelt bedeutsame Entwurfsentschei
dungen uber¨ den Systemaufbau wider. Sie dokumentiert eine Beschreibung der
Schlusselelemente¨ des Systems (Hardware und/oder Software), ihre Kompositi
on, Funktionsweise und wechselseitigen Bezuge.¨ Der Vorgang der Erstellung ei
ner Architekturbeschreibung wird auch Architekturmodellierung genannt. In der
Telekommunikation hat die Architekturebene stets eine wichtige Rolle im Ent
wurf und in der Weiterentwicklung von Kommunikationssystemen und netzen
gespielt.
Jedoch ist die Art und Weise, wie Telekommunikationsingenieure ihre Archi
¨ ¨tekturen beschreiben, erstaunlich rudimentar: Sie nutzen naturliche Sprache und
Konzeptdiagramme, wie ein Blick in altere¨ als auch jungere¨ Standards offenbart.
¨Selbst im Ubergang von den Standards hin zu den fruhen¨ Entwurfsphasen in der
Systementwicklung gehen die Systementwickler kaum uber¨ diesen informellen
Grad der Darstellung hinaus. Wie sich in der Praxis zeigt, mangelt es bei der
Architekturmodellierung – nicht jedoch bei dem Verstandnis¨ von Architektur an
sich – (i) an einer geeigneten, konsistenten und formalen Modellierungssprache,
die an die Bedurfnisse¨ der Systementwickler angepasst ist und (ii) an einer Me
thodik, die den Modellierungsprozess unterstutzt.¨ Mit diesen Mangeln¨ befasst sich
die vorliegende Arbeit.
In dieser Doktorarbeit wird ein systematischer Ansatz zur Architekturmodel
lierung von praktisch beliebigen Telekommunikationssystemen vorgestellt. Dies
beinhaltet eine Methodik, eine Modellierungssprache und eine prototypische Im
plementierung dieser Sprache. Ein wesentlicher Beitrag dieser Arbeit ist die Be
hauptung, dass ein solcher Ansatz auf nur drei grundlegenden Eckpfeilern basiert:
den Arten von Kommunikation und den Entwurfsprinzipien von Verteilung und
Schichtung. Die Untersuchung liefert grundlegende Einsichten zum Design und
Aufbau moderner Kommunikationssysteme.
Das Ergebnis kann wie folgt zusammengefasst werden: Der Aspekt der Kon
trolle fuhrt¨ zur Unterscheidung von drei elementaren Kommunikationsarten (kon
troll , daten und protokoll orientiert) und begrundet¨ ,,grey box” Architekturbe
schreibungen. Der Gesichtspunkt der Verteilung manifestiert sich im Begriff desiv
komplexen Konnektors, der sich als Schlusselk¨ onzept zur Modellierung von ver-
bindungslosen, verbindungsorientierten und sogar von ,,space based” Kommuni
kationsnetzen inklusive ihrer Dienstqualitaten¨ herauspragt.¨ Der Begriff der Schich
tung hat in Telekommunikationssystemen eine andere Bedeutung als sie sonst
ublich¨ ist. In einem verteilten System folgen die Schichten einer generischen Form
der Verfeinerung, der Kommunikationsverfeinerung. Die Kommunikationsverfei
nerung begrundet¨ eine echte Abstraktionshierarchie, die aus zwei Perspektiven
interpretiert werden kann: aus einer knoten und aus einer netzwerk zentrischen
Sicht. Die gewahlte¨ Sichtweise hat einen entscheidenden Einfluss auf das System
verstandnis.¨
Diese Arbeit ist einerseits mathematisch fundiert, andererseits ist sie anwen
dungsorientiert. Mit Hilfe der Mathematik werden prazise¨ Definitionen des Ver
standnisses¨ von Verteilung und Schichtung gegeben; die sich ergebenden Implika
tionen pragen¨ Methodik und Sprache. Die entwickelte Sprache basiert auf ROOM
(Real Time Object Oriented Modeling), einer objekt orientierten aber auch kom
ponenten orientierten Sprache. Wichtige Eigenschaften von ROOM werden in
der bevorstehenden Version 2.0 der Unified Modeling Language, UML, integriert
sein. Die vorgeschlagenen ROOM Erweiterungen fuhren¨ zu einer Neugestaltung
der Sprache und einer Prototyp Implementierung. Die begleitende Methodik ist
in Methodenbloc¨ ken organisiert, wobei jeder Block eine abgeschlossene Einheit
bildet und Heuristiken und Architektur Losungsmuster¨ enthalt.¨
Die Aussagen dieser Arbeit werden durch eine Fallstudie aus der Praxis ge
stutzt.¨ In der Fallstudie zur SIGTRAN (SIGnaling TRANsport) Architektur wird
zunachst¨ dargestellt, welches Verstandnis¨ uber¨ Architekturmodelle den Standards
zugrunde liegt. Es zeigt sich gegen Ende dieser Arbeit, dass ein systematischer
Ansatz zur Architekturmodellierung relativ einfach und mit nur wenig Kosten
verbunden ist – die Zugewinne im Sinne von Klarheit, Genauigkeit und Aus
drucksstark¨ e sind jedoch bemerkenswert.Contents
1 Introduction 1
1.1 Problem Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Thesis Statement and Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.1 Thesis Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.2 Approach . . . . . . . . . .