Modularization Approaches in the Context of Monolithic Simulations

Qualitätsmerkmale eines Software-Systems wie Zuverlässigkeit oder Performanz können über dessen Erfolg oder Scheitern entscheiden. Diese Qualitätsmerkmale können im klassischen Software-Ingenieurswesen erst bestimmt werden, wenn der Entwurfsprozess bereits vollendet ist und Teile des Software-Systems implementiert sind. Computer-Simulationen erlauben es jedoch Schätzungen dieser Werte schon während des Software-Entwurfs zu bestimmen. Simulationen werden erstellt um bestimmte Aspekte eines Systems zu analysieren. Die Repräsentation des Systems ist auf diese Analyse spezialisiert. ... mehrDiese Spezialisierung resultiert oft in einer monolithischen Struktur der Simulation. Solch eine Struktur kann jedoch die Wartbarkeit der Simulation negativ beeinflussen und das Verständnis und die Wiederverwendbarkeit der Repräsentation des Systems verschlechtern. Die Nachteile einer monolithischen Struktur können durch das Konzept der Modularisierung reduziert werden. In diesem Ansatz wird ein Problem in kleinere Teilprobleme zerlegt. Diese Zerlegung ermöglicht ein besseres Veständnis und eine bessere Handhabung der Teilprobleme.

In dieser Arbeit wird ein Ansatz präsentiert, um die Kopplung von neu entwickelten oder bereits existierenden Simulationen zu einer modularen Simulation zu beschreiben. Dieser Ansatz besteht aus einer Domänenspezifischen Sprache (DSL), die mit modellgetriebenen Technologien entwickelt wird. Die DSL wird in einer Fallstudie angewendet, um die Kopplung von zwei Simulationen zu beschreiben. Weiterhin wird die Kopplung dieser Simulationen mit einem existierenden Kopplungsansatz gemäß der erzeugten Beschreibung manuell implementiert. In dieser Fallstudie wird die Vollständigkeit der Fähigkeit der DSL untersucht, die Kopplung von mehreren Simulation zu einer modularen Simulation zu beschreiben. Weiterhin wird die Genauigkeit des Modularisierungsansatzes bezüglich der Verhaltensbewahrung der modularen Simulation gegenüber der monolithischen Version evaluiert. Hierfür werden die Resultate der modularen Simulation mit denen der monolithischen Version verglichen. Zudem wird die Skalierbarkeit des Ansatzes durch die Betrachtung der Ausführungszeiten untersucht, wenn mehrere Simulationen gekoppelt werden. Außerdem wird der Effekt der Modularisierung auf die Ausführungszeit in Relation zur monolithischen Simulation betrachtet.

Die erhaltenen Resultate zeigen, dass die Kopplung der beiden Simulationen der Fallstudie, mit der DSL beschrieben werden kann. Die Resultate bezüglich der Evaluation der Genauigkeit weisen Probleme bei der Interaktion der Simulationen mit dem Kopplungsansatz auf. Nichts desto trotz bleibt das Verhalten der monolithischen Simulation in der modularen Version insgesamt erhalten. Die Evaluation zeigt, dass die modulare Simulation eine Erhöhung der Ausführungszeit im Vergleich zur monolithischen Version erfährt. Zudem deutet die Analyse der Skalierbarkeit darauf hin, dass die Ausführungszeit der modularen Simulation nicht exponentiell mit der Anzahl der gekoppelten Simulationen wächst.

Quality characteristics of a software system such as performance or reliability can determine its success or failure. In traditional software engineering, these characteristics can only be determined when parts of the system are already implemented and past the design process. Computer simulations allow to determine estimations of quality characteristics of software systems already during the design process. Simulations are build to analyse certain aspects of systems. The representation of the system is specialised for the specific analysis. This specialisation often results in a monolithic design of the simulation.
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Monolithic structures, however, can induce reduced maintainability of the simulation and decreased understandability and reusability of the representations of the system. The drawbacks of monolithic structures can be encountered by the concept of modularisation, where one problem is divided into several smaller sub-problems. This approach allows an easier understanding and handling of the sub-problems.

In this thesis an approach is provided to describe the coupling of newly developed and already existing simulations to a modular simulation. This approach consists of a Domain-Specific Language (DSL) developed with model-driven technologies. The DSL is applied in a case-study to describe the coupling of two simulations. The coupling of these simulations with an existing coupling approach is implemented according to the created description. An evaluation of the DSL is conducted regarding its completeness to describe the coupling of several simulations to a modular simulation. Additionally, the modular simulation is examined regarding the accuracy of preserving the behaviour of the monolithic simulation. The results of the modular simulation and the monolithic version are compared for this purpose. The created modular simulation is additionally evaluated in regard to its scalability by analysis of the execution times when multiple simulations are coupled. Furthermore, the effect of the modularisation on the simulation execution times is evaluated.

The obtained evaluation results show that the DSL can describe the coupling of the two simulations used in the case-study. Furthermore, the results of the accuracy evaluation suggest that problems in the interaction of the simulations with the coupling approach exist. However, the results also show that the overall behaviour of the monolithic simulation is preserved in its modular version. The analysis of the execution times suggest, that the modular simulation experiences an increase in execution time compared to the monolithic version. Also, the results regarding the scalability show that the execution time of the modular simulation does not rise exponentially with the number of coupled simulations.