Die Verwendung von Architectural Frameworks als Vorgehensmodell für die System-of-Systems-Entwicklung

Ein System of Systems ist ein komplexer Verbundzusammenschluss von bis dahin einzelnen Systemen. Probleme bei der Integration von eigenständigen Systemen treten vor allem im Bereich der Interoperabilität, also bei der Gestaltung der Schnittstellen, den auszutauschenden Informationen und bei der Unterstützung der Benutzer auf. Architectural Frameworks sollen die Entwicklung solcher komplexen Systeme leiten. Dazu werden sowohl Vorgaben zur SoftwareArchitektur gemacht, als auch ein Phasenmodell des Entwurfsprozesses vorgegeben. Im Bereich der Entwicklung von vernetzten Systemen für die Bundeswehr wird das NATO Architectural Framework (NAF) verwendet. Es enthält keine explizite Beschreibung des Entwicklungsprozesses. Implizit gibt es eine Reihenfolge von Aktivitäten vor. In diesem Beitrag wird die Reihenfolge explizit dargestellt. Eine Integration als Projektdurchführungsstrategie in das VModell® XT wird als Ausblick erörtert. 1 Entwicklung von Systems of Systems Es gibt in der Luftfahrttechnik und bei der wehrtechnischen Industrie den Trend zur Herstellung von Verbünden von Einzelsystemen. Ein Beispiel für solch einen Verbund ist der Sensorverbund GSSW [SM+04]. Hier wurden bestehende Mittel der Fernerkundung und Aufklärung in einer agentenbasierten Softwarearchitektur miteinander verbunden. Die einzelnen Systeme funktionieren weiter in ihrer ursprünglichen Funktionalität. Zusätzlich können sie zusammen genutzt werden, um komplexere Aufgaben zu lösen. Dazu wird ein Plan generiert, welche Teilfähigkeiten der im Verbund integrierten Mittel in welcher Sequenz genutzt werden müssen. Die dabei entstehenden Teilergebnisse werden zwischen den Systemen ausgetauscht. Die Entwicklung von solchen hochkomplexen Systems-of-Systems (SoS) geschieht durch die Kopplung existierender – bereits in sich komplexer – Systeme. Bei den Verbünden handelt es sich aus unterschiedlichen Gründen um lose gekoppelte Systeme. Folgende fünf Merkmale kennzeichnen solche Systeme: Operationelle und administrative Unabhängigkeit untereinander, räumliche Verteilung, emergentes Verhalten und evolutionäre Entwicklung [SC01]. Im Gegensatz dazu wird das Konzept Family-of-Systems unterschieden. Hier werden durch den Zusammenschluss keine über die einzelnen Teilfunktionalitäten der verbundenen Systeme hinausgehenden Fähigkeiten (emergentes Verhalten) erzeugt. Die Entwicklung von SoS muss planerisch, organisatorisch und technisch die Integration von Teilfähigkeiten zu einem emergenten Verbundkomplex verwirklichen. Dazu müssen die Teilfähigkeiten identifiziert, analysiert und interoperabel gemacht werden. Das kann sich sowohl auf verteilte Datenbestände, die in einem einheitlichen Informationsraum zusammengefasst werden müssen, als auch auf algorithmische Funktionalitäten und durch Menschen erbrachte Dienstleistungen, die allen Teilsystemen zur Verfügung gestellt werden müssen, beziehen. Um diesen Ansatz umzusetzen, ist technisch eine lose koppelnde verteilte Architektur erforderlich. Sie kann z.B. durch eine service-orientierte oder eine agentenbasierte Infrastruktur realisiert werden. Um emergentes Verhalten zu erzeugen, müssen die zu koppelnden Systeme miteinander interagieren. Eine Voraussetzung dazu ist, dass die Systeme Nachrichten austauschen und dadurch zusammenarbeiten können. Im Bereich der SoS-Integration wird diese Fähigkeit Interoperabilität genannt. Interoperabilität kann auf technischer Ebene, syntaktischer, semantischer und pragmatischer Ebene hergestellt werden: • Auf technischer Ebene geht es um die Voraussetzung, Daten austauschen zu können (Bsp.: Systeme sind mit serviceorientierter Architektur gekoppelt). • Auf syntaktischer Ebene sind gemeinsam benutzte Datenformate (Bsp.: XML) vorzusehen. • Auf semantischer Ebene werden Voraussetzungen für eine systemübergreifende Interpretation von Nachrichten und gemeinsam verwendeten Begriffen geschaffen (Bsp.: ontologiebasierte Integrationsfunktion). • Auf pragmatischer Ebene wird dann eine einheitliche Beurteilung der Information geschaffen (Bsp.: Ableitung erforderlicher Handlungen). Diese vier Ebenen bauen aufeinander auf, d.h. Voraussetzung für syntaktische Interoperabilität ist technische Interoperabilität etc. 2 Architekturgeleitete Entwicklung Die grundlegende Organisation von Softwaresystemen wiederholt sich immer wieder [Has06]. Wurde eine konkrete Organisation mehrfach erfolgreich angewendet hat sie den Status einer Software-Architektur, die den Entwurf neuer Systeme leiten sollte. Die Architektur lässt sich durch die Beschreibung der verwendeten Komponenten sowie deren Beziehungen zueinander und zur Umgebung beschreiben. Ebenso sind die Prinzipien, die den Entwurf und die Evolution des Systems bestimmen, Teil der Architektur. In der NATO herrscht Übereinstimmung, dass ein Schlüsselfaktor für die Sicherstellung interoperabler und kosteneffektiver militärischer Systeme die Unterstützung durch Architekturvorgaben ist. Ein Weg dies zu erreichen sind Architectural Frameworks (AF). Ein AF besteht aus der Dokumentation einer Software-Architektur und aus Vorgaben, die die Entwicklung leiten. Viele AF werden durch Entwicklungswerkzeuge unterstützt. Für einige Anwendungsbereiche wurden bereits von unterschiedlichen Anbietern AFs entwickelt: Für den Bereich der Unternehmensanwendungen das „Zachman AF“, das “The Open Group Architecture Framework“ (TOGAF) sowie das „IT City Planning“ AF. Für die US Finanzbehörden ist das “Treasury Enterprise Architecture Framework“ (TEAF) entwickelt worden, für andere US Bundesbehörden das „Federal Enterprise Architecture Framework“ (FEAF). 3 NATO Architectural Framework Im Bereich der Entwicklung von SoS im militärischen Bereich wurde im Rahmen der NATO das NATO Architectural Framework (NAF) entwickelt [Nat04]. Die Verwendung dieses AF ist eine verbindliche Vorgabe der technischen Architektur der Bundeswehr (TABw), die Standards für IT-Systeme der Bundeswehr definiert. Die Vorgabe eines AF für die NATO hat zum Ziel, die Produktqualität von SoS zu verbessern, indem Anforderungen in strukturierter Weise dokumentiert werden, und die Komplexität der Entwicklung durch erprobte Sichten und Modellierungsschritte beherrschbar zu machen. Das Herstellen von Interoperabilität zwischen zu vernetzenden Systemen von Bündnispartnern soll vereinfacht werden, indem eine einheitliche Entwicklungsdokumentationsvorgaben geschaffen wird, durch die ein gemeinsames Verständnis der jeweiligen Operationsprinzipien und Schnittstellen erreicht werden kann. Für das NAF wurde eine grundlegende Trennung in die drei Sichten operationelle Architektur, Systemarchitektur und technische Architektur eingeführt. Alle Sichten beschreiben Produkte, die im Entwicklungsprozess zu erstellen sind. Die Produkte bauen untereinander auf, so dass Abhängigkeiten zwischen allen Sichten bestehen (s. Abbildung 1). Die operationelle Sicht beschreibt Produkte, die die Sicht der Nutzer wiedergeben. Es geht hier um operationelle Anforderungen und die Nachrichtenflüsse zwischen militärischen Organisationseinheiten. Die Systemsicht wird aus der operationellen Sicht abgeleitet und enthält einen konkreten Entwurf der technischen Komponenten, die die operationelle Sicht umsetzen. Die Fähigkeiten werden mit den operationellen Anforderungen in Beziehung gesetzt. Die technische Sicht schließlich beinhaltet Produkte des Entwicklungsprozesses, die die Komponenten der Implementierungsplattform festlegen und beschreiben. Es werden technische Standards und Konventionen ausgewählt und festgelegt.