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Theses Year : 2017

Formalisation of asynchronous interactions

Formalisation des interactions asynchrones

Abstract

Large computing systems are generally built by connecting several distributed subsystems. The way these entities communicate is crucial to the proper functioning of the overall composed system. An in-depth study of these interactions makes sense in the context of the formal development and verification of such systems. The interactions fall in two categories: synchronous and asynchronous communication. In synchronous communication, the transmission of a piece of information - the message - is instantaneous. Asynchronous communication, on the other hand, splits the transmission in a send operation and a receive operation. This make the interleaving of other events possible and lead to new behaviours that may or may not be desirable. The asynchronous world is often viewed as a monolithic counterpart of the synchronous world. It actually comes in multiple models that provide a wide range of properties that can be studied and compared. This thesis focuses on communication models that order the delivery of messages: for instance, the "FIFO" models ensure that some messages are received in the order of their emission. We consider classic communication models from the literature as well as a few variations. We highlight the differences that are sometimes overlooked. First, we propose an abstract, logical, and homogeneous formalisation of the communication models and we establish a hierarchy that extends existing results. Second, we provide an operational approach with a tool that verifies the compatibility of compositions of peers. We mechanise this tool with the TLA+ specification language and its model checker TLC. The tool is designed in a modular fashion: the commmunicating peers, the temporal compatibility properties, and the communication models are specified independently. We rely on a set of uniform operational specifications of the communication models that are based on the concept of message history. We identify and prove the conditions under which they conform to the logical definitions and thus show the tool is trustworthy. Third, we consider concrete specifications of the communication models that are often found in the literature. Thus, the models are classified in terms of ordering properties and according to the level of abstraction of the different specifications. The concept of refinement covers these two aspects. Thus, we model asynchronous point-to-point communication along several levels of refinement and then, with the Event-B method, we establish and prove all the refinements between the communication models and the alternative specifications of each given model. This work results in a detailed map one can use to develop a new model or find the one that best fits given needs. Eventually we explore ways to extend our work to multicast communication that consists in sending messages to several recipients at once. In particular, we highlight the differences in the hierarchy of the models and how we modify our verification tool to handle this communication paradigm.
Les systèmes informatiques sont construits par composition de plusieurs sous-systèmes répartis. La manière dont communiquent ces entités, ou pairs, joue un rôle clé dans la bonne marche du système composé. L'étude détaillée de ces interactions est donc essentielle dans le cadre de la vérification et du développement formel de tels systèmes. Ces interactions se décomposent en deux catégories: la communication synchrone et la communication asynchrone. La communication synchrone admet une transmission instantanée de l'information, le message, entre deux entités. La communication asynchrone, en revanche, prend en compte le découplage de la transmission du message en une opération d'envoi puis de réception avec la possibilité que des événements s'intercalent entre les deux donnant ainsi lieu à des variations de comportement, désirables ou non, des systèmes. Souvent considérée comme une entité monolithique duale du monde synchrone, le monde asynchrone se décline en réalité en de multiples modèles qui peuvent induire sur la communication une grande variété de propriétés qu'il convient de caractériser et comparer. Cette thèse se focalise sur les modèles de communication qui orchestrent l'ordre de délivrance des messages : par exemple les modèles dits FIFO qui assurent que certains messages sont reçus dans l'ordre dans lequel ils ont été émis. Nous considérons des modèles de communication classiques de la littérature ainsi que des variations de ces modèles dont nous explicitons les différences parfois négligées. Dans un premier temps nous proposons une formalisation logique abstraite et homogène des modèles de communication considérés et nous les hiérarchisons en étendant des résultats existants. Nous proposons dans un second temps une approche opérationnelle sous forme d'un outil de vérification de compositions de pairs que nous mécanisons à l'aide du langage de spécification TLA+ et du vérificateur de modèles TLC. Cet outil permet de spécifier des pairs communicants et des propriétés temporelles à vérifier pour les différents modèles de communication de façon modulaire. Pour cela, nous apportons un ensemble de spécifications uniformes et opérationnelles des modèles de communication basé sur la notion d'histoires de messages. Nous identifions et prouvons les conditions de leur conformité aux définitions logiques et validons ainsi la pertinence de notre outil. Dans un troisième temps nous considérons des spécifications concrètes de nos modèles de communication, semblables à nombre de celles présentes dans la littérature. Nous disposons donc d'une hiérarchisation des modèles selon les propriétés d'ordre qu'ils garantissent mais également d'une autre hiérarchisation pour un modèle donné entre sa définition logique abstraite et ses implantations concrètes. Ces deux dimensions correspondent à deux dimensions du raffinement. Nous introduisons graduellement par raffinement la notion de communication asynchrone point à point et prouvons, grâce à la méthode Event-B, tous les liens de raffinement entre les différents modèles de communication et leurs déclinaisons. Nous offrons ainsi une cartographie détaillée des modèles pouvant être utilisée pour en développer de nouveaux ou identifier les modèles les plus adaptés à des besoins donnés. Enfin, nous proposons des pistes d'extension de nos travaux à la communication par diffusion où un message peut être envoyé simultanément à plusieurs destinataires. En particulier, nous montrons les différences induites dans la hiérarchie des modèles et les adaptations à effectuer sur notre outil de vérification pour prendre en compte ce mode de communication
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  • HAL Id : tel-04228520 , version 1

Cite

Florent Chevrou. Formalisation of asynchronous interactions. Other [cs.OH]. Institut National Polytechnique de Toulouse - INPT, 2017. English. ⟨NNT : 2017INPT0124⟩. ⟨tel-04228520⟩
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