Synthèse d’architectures logicielles pour systèmes-de-systèmes : une méthode automatisée par résolution de contraintes

Systems-of-Systems (SoS) encompass diverse and independent systems that must cooperate with each other for performing a combined action that is greater than their individual capabilities. In parallel, architecture descriptions, which are the main artifact expressing software architectures, play an important role in fostering interoperability among constituents by facilitating the communication among stakeholders and supporting the inspection and analysis of the SoS from an early stage of its life cycle. The main problem addressed in this thesis is the lack of adequate architectural descriptions for SoS that are often built without an adequate care to their software architecture. Since constituent systems are, in general, not known at design-time due to the evolving nature of SoS, the architecture description must specify at design-time which coalitions among constituent systems are feasible at run-time. Moreover, as many SoS are being developed for safety-critical domains, additional measures must be placed to ensure the correctness and completeness of architecture descriptions. To address this problem, this doctoral project employs SoSADL, a formal language tailored for the description of SoS that enables one to express software architectures as dynamic associations between independent constituent systems whose interactions are mediated for accomplishing a combined action. To synthesize concrete architectures that adhere to one such description, this thesis develops a formal method, named Ark, that systematizes the steps for producing such artifacts. The method creates an intermediate formal model, named TASoS, which expresses the SoS architecture in terms of a constraint satisfaction problem that can be automatically analyzed for an initial set of properties. The feedback obtained in this analysis can be used for subsequent refinements or revisions of the architecture description. A software tool named SoSy was also developed to support the Ark method as it automates the generation of intermediate models and concrete architectures, thus concealing the use of constraint solvers during SoS design and development. The method and its accompanying tool were applied to model a SoS for urban river monitoring in which the feasibility of candidate abstract architectures is investigated. By formalizing and automating the required steps for SoS architectural synthesis, Ark contributes for adopting formal methods in the design of SoS architectures, which is a necessary step for obtaining higher reliability levels.Les systèmes-de-systèmes (Systems-of-Systems, SoS) interconnectent plusieurs systèmes indépendants qui travaillent ensemble pour exécuter une action conjointe dépassant leurs compétences individuelles. Par ailleurs, les descriptions architecturales sont des artefacts qui décrivent des architectures logicielles jouant dans le contexte SoS un rôle important dans la promotion de l’interaction des éléments constituants tout en favorisant la communication parmi les intéressés et en soutenant les activités d’inspection et d’analyse dès le début de leur cycle de vie. Le principal problème traité dans cette thèse est le manque de descriptions architecturales adéquates pour les SoS qui sont développés sans l’attention nécessaire à leur architecture logicielle. Puisque les systèmes constituants ne sont pas forcément connus pendant la conception du projet à cause du développement évolutionnaire des SoS, la description architecturale doit définir à la conception même du projet quelles coalitions entre les systèmes constituants seront possibles pendant son exécution. En outre, comme plusieurs de ces systèmes sont développés pour le domaine critique de sécurité, des mesures supplémentaires doivent être mises en place pour garantir l’exactitude et la complétude de la description architecturale. Afin de résoudre ce problème, nous nous servons du SosADL, un langage formel créé spécialement pour le domaine SoS et qui permet de décrire les architectures logicielles comme des associations dynamiques entre systèmes indépendants où les interactions doivent être coordonnées pour réaliser une action combinée. Notamment, une nouvelle méthode formelle, nommée Ark, est proposée pour systématiser les étapes nécessaires dans la synthèse d’architectures concrètes obéissant à cette description. Dans ce dessein, cette méthode crée un modèle formel intermédiaire, nommé TASoS, qui décrit l’architecture du SoS en tant que problème de satisfaisabilité de restrictions, rendant ainsi possible la vérification automatique d’un ensemble initial de propriétés. Le résultat obtenu par cette analyse peut s’utiliser en raffinements et révisions ultérieurs de la description architecturale. Un outil logiciel nommé SoSy a été aussi développé pour automatiser la génération de modèles intermédiaires et d’architectures concrètes, en cachant l’utilisation de solveurs de contraintes dans le projet de SoS. Particulièrement, cet outil intègre un environnement de développement plus important et complet pour le projet de SoS. Cette méthode et son outil ont été appliqués dans un modèle de SoS de surveillance de rivières urbaines où la faisabilité d’architectures abstraites a été étudiée. En formalisant et en automatisant les étapes requises pour la synthèse architecturale de SoS, Ark contribue à l’adoption de méthodes formelles dans le projet d’architectures SoS, ce qui est nécessaire pour atteindre des niveaux plus élevés de fiabilité