Modellgetriebene Entwicklung adaptiver, komponentenbasierter Mashup-Anwendungen

287 Pages·2012·13.39 MB·German

by  Stefan Pietschmann

Modellgetriebene Entwicklung adaptiver,
komponentenbasierter Mashup-Anwendungen
Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktoringenieur (Dr.-Ing.)
vorgelegt an der
Technischen Universität Dresden
Fakultät Informatik
eingereicht von
Dipl.-Medieninf. Stefan Pietschmann
geboren am 03. Oktober 1980 in Dresden
Gutachter:
• Prof. Dr.-Ing. Klaus Meißner (Technische Universität Dresden)
• Prof. Dr.-Ing. Martin Gaedke (Technische Universität Chemnitz)
Tag der Verteidigung: 13.12.2012
Dresden im Juli 2012

Zusammenfassung
Mit dem Wandel des Internets zu einer universellen Softwareplattform sind die Mög-
lichkeiten und Fähigkeiten von Webanwendungen zwar rasant gestiegen. Gleichzeitig
gestaltet sich ihre Entwicklung jedoch zunehmend aufwändig und komplex, was
dem Wunsch nach immer kürzeren Entwicklungszyklen für möglichst situative,
bedarfsgerechte Lösungen entgegensteht. Bestehende Ansätze aus Forschung und
Technik,insbesondereimUmfeldderserviceorientiertenArchitekturenundMashups,
werden diesen Problemen bislang nicht ausreichend gerecht.
Deshalb werden in dieser Dissertation neue Konzepte für die modellgetriebene
Entwicklung und Bereitstellung von Webanwendungen vorgestellt. Die zugrunde
liegende Idee besteht darin, das Paradigma der Serviceorientierung auf die Präsen-
tationsebene zu erweitern. So sollen erstmals – neben Daten- und Geschäftslogik –
auch Teile der Anwendungsoberfläche in Form wiederverwendbarer Komponenten
über Dienste bereitgestellt werden. Anwendungen sollen somit über alle Anwen-
dungsebenen hinweg nach einheitlichen Prinzipien „komponiert“ werden können.
Den ersten Schwerpunkt der Arbeit bilden die entsprechenden universellen Mo-
dellierungskonzepte für Komponenten und Kompositionen. Sie erlauben u.a. die
plattformunabhängige Beschreibung von Anwendungen als Komposition der o.g.
Komponenten. Durch die Abstraktion und entsprechende Autorenwerkzeuge wird
die Entwicklung so auch für Domänenexperten bzw. Nicht-Programmierer möglich.
Der zweite Schwerpunkt liegt auf dem kontextadaptiven Integrationsprozess von
Komponenten und der zugehörigen, serviceorientierten Referenzarchitektur. Sie
ermöglichen die dynamische Suche, Bindung und Konfiguration von Komponenten,
d.h. auf Basis der o.g. Abstraktionen können genau die Anwendungskomponenten
geladen und ausgeführt werden, die für den vorliegenden Nutzer-, Nutzungs- und
Endgerätekontext am geeignetsten sind. Der dritte Schwerpunkt adressiert die
Kontextadaptivität der kompositen Anwendungen in Form von Konzepten zur aspek-
torientierten Definition von adaptivem Verhalten im Modell und dessen Umsetzung
zur Laufzeit. In Abhängigkeit von Kontextänderungen können so Rekonfigurationen
von Komponenten, ihr Austausch oder Veränderungen an der Komposition, z.B. am
Layout oder dem Datenfluss, automatisch durchgesetzt werden.
AllevorgestelltenKonzeptewurdendurchprototypischeImplementierungenpraktisch
untermauert. Anhand diverser Anwendungsbeispiele konnten ihre Validität und
Praktikabilität – von der Modellierung im Autorenwerkzeug bis zur Ausführung und
dynamischen Anpassung – nachgewiesen werden.
DievorliegendeDissertationliefertfolglicheineAntwortaufdieFrage,wiezukünftige
Web- bzw. Mashup-Anwendungen zeit- und kostengünstig entwickelt sowie zuverläs-
sig und performant ausgeführt werden können. Die geschaffenen Konzepte bilden
gleichermaßen die Grundlage für eine Vielzahl an Folgearbeiten.

Danksagung
Diese Dissertation ist das Resultat vieler Jahre Arbeit und sie wäre nicht möglich
gewesen ohne die Unterstützung einer Vielzahl von Menschen, denen ich an dieser
Stelle herzlich danken möchte.
Zunächst geht mein Dank an Prof. Dr.-Ing. Klaus Meißner für die Betreuung der
Arbeit und die Chance, mit einigem Gestaltungsspielraum in diesem interessanten
und bewegten Themengebiet arbeiten zu können. Sein kritisches Hinterfragen und
seine Anregungen haben maßgeblich zur Reifung der Ergebnisse beigetragen. Prof.
Dr.-Ing. Martin Gaedke gilt mein herzlicher Dank für die Bereitschaft, diese Arbeit
zu begutachten und für seine Hinweise und hilfreichen Kommentare, insbesondere
in der Strukturierungsphase.
Natürlich möchte ich mich auch bei all den Kollegen bedanken, die mich in den
zurückliegenden Jahren am Lehrstuhl begleitet haben, und die mir sowohl inhaltlich
als auch freundschaftlich eine Stütze waren. Der erste Dank gebührt Michael
Hinz, der mich als studentische Hilfskraft, Beleg- und Diplomstudenten an das
wissenschaftliche Arbeiten heranführte und in den Anfangsjahren als Mitarbeiter
begleitet hat. Weiterhin danke ich all den Kollegen, die selbst aktiv zum Erfolg der
Arbeit und dem angeschlossenen Forschungsprojekt beigetragen haben, oder die auf
die hier vorgestellten Ergebnisse aufbauen. Namentlich möchte ich an dieser Stelle
Martin Voigt hervorheben, der das Forschungsthema von Anfang an – zunächst als
Student und später als Mitarbeiter – begleitet und auch inhaltlich vorangetrieben
hat. Er fand stets die Zeit für konstruktive Kritik und Gespräche. Gleichermaßen
gilt mein Dank Annett Mitschick für die zahlreichen wissenschaftlichen und nicht-
wissenschaftlichen Diskussionen und Hinweise. Beide haben diese Arbeit unter viel
Zeitaufwand Korrektur gelesen und mich auf die Schwachpunkte hingewiesen - ihr
wart mir eine große Hilfe.
Neben der fachlichen Unterstützung weiß ich auch das kollegiale, freundschaftliche
Umfeld am Lehrstuhl zu schätzen. In diesem Zusammenhang möchte ich speziell
Ramona Behling und Udo Wähner für ihre „Rückendeckung“ auf organisatorischer
und auf menschlicher Ebene danken.
Nicht zuletzt gebührt mein großer Dank all den Studenten, die sich mit mir den
wissenschaftlichen Herausforderungen gewidmet haben und die – sei es durch
Beleg- und Diplomarbeiten, in Seminaren oder Komplexpraktika – tatkräftig zu den
vorgestellten Konzepten beitragen konnten. Stellvertretend möchte ich mich bei
Carsten Radeck und Johannes Waltsgott, die mich später als Kollegen begleitet
haben, sowie bei Jan Reimann und Robert Wende bedanken.
MeinabschließenderDankgiltmeinenEltern,aufderenfortwährendeUnterstützung
in jeglicher Beziehung ich mich über die Jahre des Studiums und der Promotion
stets verlassen konnte.

Inhaltsverzeichnis
Verzeichnisse ix
Abbildungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
Verzeichnis der Codebeispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
Abkürzungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv
1 Einleitung 1
1.1 Problemdefinition, Thesen und Forschungsziele . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.1 Probleme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.2 Thesen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.3 Forschungsziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2 Abgrenzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 Aufbau der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2 Grundlagen, Szenarien und Herausforderungen 13
2.1 Grundlagen und Begriffsklärung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.1.1 Komposite und serviceorientierte Webanwendungen . . . . . . . 14
2.1.2 Mashups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.1.3 Modellgetriebene Software-Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.4 Kontext und kontextadaptive Webanwendungen . . . . . . . . . 19
2.2 Szenarien und Problemanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.1 Dienstkomposition zur Reiseplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.2 Interaktive Aktienverwaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.3 Adaptive Touristeninformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3 Anforderungen und Kriterien der Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.1 Anforderungen an Komponenten- und Kompositionsmodell . . . 26
2.3.2 Anforderungen an die Laufzeitumgebung . . . . . . . . . . . . . 28
3 Stand der Forschung und Technik 31
3.1 SOA und Dienstkomposition zur Interaktion mit Diensten . . . . . . . . . 32
3.1.1 Statische Dienstkomposition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1.2 Dynamische Dienstauswahl und -Komposition . . . . . . . . . . . 34
3.1.3 Adaptionskonzepte für Dienstkompositionen . . . . . . . . . . . . 46
3.1.4 Interaktions- und UI-Konzepte für Dienstkompositionen . . . . . . 49
3.2 Web Engineering - Entwicklung interaktiver adaptiver Webanwendungen 51
3.2.1 Entwicklung von Hypertext- und Hypermedia-Anwendungen . . 52
3.2.2 Entwicklung von Mashup-Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3 Zusammenfassung und Diskussion der Defizite existierender Ansätze . . 68
3.3.1 Probleme und Defizite aus dem Bereich der Dienstkomposition . 68
3.3.2 Probleme und Defizite beim Web- und Mashup-Engineering . . . 70
4 Universelle Komposition adaptiver Webanwendungen 75
4.1 Grundkonzept und Rollenmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.2 Modellgetriebene Entwicklung kompositer Mashups . . . . . . . . . . . 77
4.2.1 Universelles Komponentenmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.2.2 Belangorientiertes Kompositionsmodell . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.3 Dynamische Integration und Laufzeitumgebung . . . . . . . . . . . . . 80
4.3.1 Kontextsensitiver Integrationsprozess für Mashup-Komponenten . 81
4.3.2 Referenzarchitektur zur Komposition und Ausführung . . . . . . . 82
4.3.3 Unterstützung von adaptivem Laufzeitverhalten in Mashups . . . 83
5 Belangorientierte Modellierung adaptiver, kompositer Webanwendungen 85
5.1 Ein universelles Komponentenmodell für Mashup-Anwendungen . . . . 86
5.1.1 Grundlegende Eigenschaften und Prinzipien . . . . . . . . . . . . 86
5.1.2 Komponententypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.1.3 Beschreibung von Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.1.4 Nutzung der Konzepte zur Komponentenentwicklung . . . . . . . 101
5.2 Ein belangorientiertes Metamodell für interaktive Mashup-Anwendungen 102
5.2.1 Conceptual Model – Modellierung der Anwendungskonzepte . . 104
5.2.2 Communication Model – Spezifikation von Daten- und Kontrollfluss 109
5.2.3 Layout Model – Visuelle Anordnung von UI-Komponenten . . . . 116
5.2.4 Screenflow Model – Definition von Navigation und Sichten . . . . 117
5.3 Modellierung von adaptivem Verhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.3.1 Adaptionstechniken für komposite Webanwendungen . . . . . . 119
5.3.2 Adaptivity Model – Modellierung von Laufzeitadaptivität . . . . . 121
5.4 Ablauf und Unterstützung bei der Modellierung . . . . . . . . . . . . . . 128
5.5 Zusammenfassung und Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6 Kontextsensitiver Integrationsprozess und Kompositionsinfrastruktur 135
6.1 Ein kontextsensitiver Integrationsprozess zur dynamischen Bindung von
Mashup-Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
6.1.1 Modellinterpretation oder -transformation . . . . . . . . . . . . . . 137
6.1.2 Suche und Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
6.1.3 Rangfolgebildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.1.4 Auswahl und Integration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
6.2 Kompositionsinfrastruktur und Laufzeitumgebung . . . . . . . . . . . . . 149
6.2.1 Verwaltung von Komponenten und Domänenwissen . . . . . . . 149
6.2.2 Aufbau der Laufzeitumgebung (MRE) . . . . . . . . . . . . . . . . 151
6.2.3 Dynamische Integration und Verwaltung von Komponenten . . . 154
viii © TU Dresden, Stefan Pietschmann
Inhaltsverzeichnis
6.2.4 Kommunikationsinfrastruktur und Mediation . . . . . . . . . . . . . 158
6.3 Unterstützung von Adaption zur Laufzeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6.3.1 Kontexterfassung, -modellierung und -verwaltung . . . . . . . . . 166
6.3.2 Ablauf der dynamischen Adaption . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
6.3.3 Dynamischer Austausch von Komponenten . . . . . . . . . . . . 173
6.4 Zusammenfassung und Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
7 Umsetzung und Validierung der Konzepte 181
7.1 Realisierung der Modellierungsmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
7.1.1 Komponentenbeschreibung in XML und OWL . . . . . . . . . . . 182
7.1.2 EMF-basiertes Kompositionsmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
7.1.3 Modelltransformationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
7.1.4 Modellierungswerkzeug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
7.2 Realisierung der Kompositions- und Laufzeitumgebung . . . . . . . . . . 188
7.2.1 Semantische Verwaltung und Discovery . . . . . . . . . . . . . . 188
7.2.2 Kompositions- bzw. Laufzeitumgebungen . . . . . . . . . . . . . . 195
7.2.3 Kontextverwaltung und Adaptionsmechanismen . . . . . . . . . 204
7.3 Validierung und Diskussion anhand der Beispielszenarien . . . . . . . . . 213
7.3.1 Reiseplanung mit TravelMash . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
7.3.2 Aktienverwaltung mit StockMash . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
7.3.3 Adaptive Touristeninformation mit TravelGuide . . . . . . . . . . . 219
7.3.4 Weitere Prototypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
7.4 Zusammenfassung und Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
8 Zusammenfassung, Diskussion und Ausblick 229
8.1 Zusammenfassung der Kapitel und ihrer Beiträge . . . . . . . . . . . . . 230
8.2 Diskussion und Bewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
8.2.1 Wissenschaftliche Beiträge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
8.2.2 Einschränkungen und Grenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
8.3 Laufende und zukünftige Arbeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
Anhänge 245
A.1 Komponentenbeschreibung in SMCDL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
A.2 Komponentenmodell in Form der MCDO . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
A.3 Kompositionsmodell in EMF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
Verzeichnis eigener Publikationen 249
Webreferenzen 253
Literaturverzeichnis 257