Formal modeling of autonomous dynamical systems: graph rewriting and grammar
Modélisation formelle de systèmes dynamiques autonomes : graphe, réécriture et grammaire
Résumé
Modern, large-scale systems are deployed in changing environments. They must dynamically adapt to context changes. In this scope, autonomic computing aims at reducing (or even suppress) slow and costly human interventions, by making systems achieve self-management. Self-adaptability of a system is primarily based on a suitable description of its components, their interactions and the various states it can adopt. Various mod! eling approaches have been elaborated, notably based on architecture description languages (ADLs) or generic models (e.g., UML, graphs). These representations usually focus on some aspects or properties of dynamic systems and do not tackle each of self-management's requirements. This manuscript deals with graph-based representations of dynamic systems and their suitability for the implementation of autonomic computing's four fundamental properties : self-optimization, self-protection, self-healing and self-configuring. This thesis offers four principal theoretical and applied contributions The first one is a methodology for the construction and generative characterization of transformations correct by construction whose application necessarily preserves a system's correctness. An application can therefore efficiently remains in an acceptable state while evolving. The second one consists in an extension of graph rewriting systems allowing to easily and efficiently represent, update, evaluate and configure a system's characteristics. These claims are supported by concrete example relying on DIET, a distributed and hierarchical load balancer. An experimental study reveals a significant efficiency gain with regard to classical methods, in particular those integrated to AGG and GMTE. The third contribution is articulated around the design of an end-to-end manager for complex events processing requests. It demonstrates the interest of graphs as an abstract, high-level, representation in an applicative context comprising numerous fragmented technical solutions. The fourth and last one relies on the design of an autonomic manager for any Machine-to-Machine system complying to the ETSI M2M2 standard. It illustrates the methodology for correct transformations, but also the integration of the proposed representation within a multi-model approach including internal consistency concerns. The approach's feasibility is experimentally demonstrated using a smart metering application.
Les systèmes distribués modernes à large-échelle évoluent dans des contextes variables soumis à de nombreux aléas auxquels ils doivent s'adapter dynamiquement. Dans ce cadre, l'informatique autonome se propose de réduire (voire supprimer) les interventions humaines lentes et coûteuse, en leur préférant l'auto-gestion. L'adaptabilité autonome d'un système repose avant tout sur une description adéquate de ses composants, de leurs interactions et des différents aspects ou topologies qu’il peut adopter. Diverses approches de modélisation ont étés proposées dans la littérature, basées notamment sur des langages de descriptions spécifiques (e.g., les ADLs) ou des modèles génériques plus ou moins formels (e.g., profils UML, graphes). Ces représentations se concentrent en général sur certains aspects ou propriétés du système dynamique et ne permettent ainsi pas de répondre à chacune des problématiques inhérentes à l'auto-gestion. Cette thèse traite de la modélisation basée graphes des systèmes dynamiques et de son adéquation pour la mise en œuvre des quatre propriétés fondamentales de l'informatique autonome : l'auto-optimisation, l'auto-protection, l'auto-guérison et l'auto-configuration. Cette thèse propose quatre principales contributions théoriques et appliquées. La première est une méthodologie pour la construction et la caractérisation générative de transformations correctes par construction dont l'application préserve nécessairement la correction du système. Le maintien d'une application dans un état acceptable peut ainsi être efficacement garanti lors de son adaptation. La seconde contribution consiste en une extension des systèmes de réécriture de graphe permettant de représenter, mettre à jour, évaluer et paramétrer les caractéristiques d'un système aisément et efficacement. Ces affirmations sont soutenues par des exemples illustratifs concrets reposant sur DIET, un répartiteur de charge distribué. Une étude expérimentale extensive révèle un net gain d'efficacité vis à vis de méthodes classiques, en particulier celles intégrées nativement aux outils AGG et GMTE. La troisième contribution s'articule autour de l'élaboration d'un module de gestion de bout en bout pour des requêtes de traitement d'événements complexes. Elle démontre l'intérêt des graphes en tant que représentation abstraite et haut niveau dans un contexte applicatif comprenant de multiples solutions fragmentées. La quatrième et dernière contribution réside dans le design d'un gestionnaire autonome apte à régenter tout système Machine-à-Machine se conformant au standard ETSI M2M. Elle illustre la méthodologie relative à la correction par construction, mais également l'intégration de la représentation proposée à des approches multi-modèles incluant des problématiques de cohérence interne. La faisabilité de l'approche est démontrée expérimentalement en s'appuyant sur une application de compteur intelligent pour la domotique.
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