Ontology-driven metamodeling towards hypervisor design automation: semantically-enriched DSL infrastructure

Abstract

Software complexity is an unavoidable problem in the modern era of embedded systems. Working with multiple teams with heterogeneous backgrounds requires the definition of a common ground and considerable synchronization efforts. The differences among developers go beyond their level of expertise and include diverseness in domain specialization, stage of development and adopted standards. In addition to integration issues, there is a constant demand for intelligent software, capable of detecting human errors and automating system design without compromising the integrity and feasibility of the generated system. Providing a formal knowledge description language enables the automation of validation procedures. However, the key challenge consists in incorporating this language in an intelligent development infrastructure, capable of addressing the integration issues, and flexible enough to cope with the growing complexity of embedded systems’ projects. There is not a leading solution for every scenario. Current approaches include the development of ontology-querying execution engines, domain-specific languages, metamodel integration techniques, and frameworks that combine these technologies with existing general-purpose languages. Numerous approaches promote interoperability and preserve the separation of concerns by following a model-driven engineering methodology, creating several abstraction layers to address different development stages. However, some solutions only partially address the presented challenge, and the ones which cover most of it, usually lack some key characteristic, such as extendibility, flexibility, viewpoint integration or simplicity. This dissertation presents a semantically-enriched DSL infrastructure, capable of combining the knowledge of domain experts with implementation artifacts of system developers, to offer the user a complete and intelligent solution for system design. It leverages the formal knowledge description and reasoning power of ontologies to enrich the syntax and semantics of a dynamic DSL, which adapts itself to be synchronized with viewpoint updates and new artifact releases. To this end, the benefits and weaknesses of current approaches were analyzed. The infrastructure was developed and tested in cooperation with a group of students which focuses on the design of an hypervisor kernel framework, thus contributing to a larger common goal. Rigorous design principles and methodologies of ontology and DSL development were established to create and iteratively refine the infrastructure through individual testing and systematic collaboration meetings. The final product of this dissertation was successfully used by the other participating elements to create system metamodels which actively contribute to hypervisor design automation.

Atualmente, a complexidade de projetos informáticos é um problema inevitável na área de sistemas embebidos. Trabalhar com várias equipas multidisciplinares requer a identificação de pontos comuns e um esforço considerável de sincronização. As diferenças entre os vários elementos das equipas vão para além do seu nível de competência e incluem diversidade nas áreas de especialização, fases de desenvolvimento e metodologias adotadas. Além dos problemas de integração, há uma procura constante de soluções informáticas inteligentes, capazes de detetar erros humanos e automatizar a conceção do sistema sem comprometer a integridade e viabilidade do sistema gerado. Disponibilizar uma linguagem formal de descrição de conhecimento permite a automatização de técnicas de validação. No entanto, o principal desafio consiste em incorporar esta linguagem numa infraestrutura de desenvolvimento inteligente, capaz de abordar os problemas de integração e suficientemente flexível para lidar com a crescente complexidade dos projetos de sistemas embebidos. Não há uma solução ideal para todas as situações. As abordagens atuais incluem o desenvolvimento de mecanismos de execução de programas com acesso a ontologias, linguagens de domínio específico, técnicas de integração de metamodelos, e métodos que combinam estas tecnologias com linguagens de propósito geral existentes. Várias abordagens promovem a interoperabilidade e preservam a separação de ideias seguindo uma metodologia de engenharia orientada à modelação e criando várias camadas de abstração para abordar diferentes estágios de desenvolvimento. No entanto, algumas soluções apenas abordam parcialmente o desafio apresentado, e as que cobrem a maior parte, geralmente carecem de algumas características-chave, como extensibilidade, flexibilidade, integração de diferentes perspetivas ou simplicidade. Esta dissertação apresenta uma infraestrutura composta por uma linguagem de domínio específico semanticamente enriquecida, capaz de combinar o conhecimento de especialistas da área com artefactos de implementação produzidos por programadores, oferecendo ao usuário uma solução completa e inteligente para a conceção de sistemas. A infraestrutura usufrui da descrição formal do conhecimento e do poder dedutivo das ontologias para enriquecer a sintaxe e a semântica de uma linguagem dinâmica, que se adapta sempre que é necessário lidar com alterações de perspetivas e novas versões de artefactos. Para este fim, analisaram-se as virtudes e fraquezas das abordagens atuais. A infraestrutura foi desenvolvida e testada em cooperação com um grupo de estudantes que se concentra na conceção da estrutura do kernel de um hipervisor, contribuindo assim para um objetivo comum de maior escala. Foram criados princípios e metodologias de desenvolvimento rigorosos de ontologias e linguagens de domínio específico, no sentido de criar e aprimorar iterativamente a infraestrutura, através de testes individuais e reuniões de colaboração sistemáticas. O produto final desta dissertação foi usado com sucesso pelos outros elementos participantes para criar metamodelos de sistemas que contribuem ativamente para a automatização da conceção de um hipervisor.