A model driven approach for the development and verification of service-oriented applications

par Fadwa Rekik

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Sébastien Gérard.

  • Titre traduit

    Approche dirigée par les modèles pour le développement et la vérification des applications orientées-services


  • Résumé

    L’omniprésence des systèmes logiciels et le rôle important qu’ils jouent dans la vie quotidienne rendent les utilisateurs de plus en plus exigeants. Entre autre, ils demandent plus de fiabilité et des systèmes qui peuvent s’adapter à leur contexte d’utilisation. Afin de satisfaire ces demandes, les cadres techniques et les méthodes de conception sous-jacents au développement des systèmes doivent être modulaires, flexibles et consistants. L’architecture orientée service (SOA) est un paradigme qui offre des mécanismes permettant une grande flexibilité des architectures des systèmes logiciels tout en réduisant leurs coûts de développement puisqu’elle se base sur des entités modulaires et réutilisables appelées services. Ces services peuvent être réutilisés dans le cadre d’une composition ou d’une chorégraphie de services pour la construction de nouveaux processus métiers transverses. SOA promet aussi d’augmenter la fiabilité des systèmes au travers de la notion de contrat de services. De son côté, le paradigme de l’Ingénierie des modèles (IDM) offre au travers de ses deux principes fondateurs, l’abstraction et l’automatisation, deux moyens puissants de gestion de la complexité des systèmes. Malgré les progrès des deux paradigmes, IDM et SOA, il y a encore des défis à résoudre. Notamment, on peut citer : (1) La vérification rigoureuse des spécifications des systèmes conformes aux principes de SOA. Ce point constitue un défi car pour modéliser ces systèmes, les concepteurs ont besoin de plus d'un point de vue représentant chacun une préoccupation spécifique du système et bien sûr ces points de vue doivent être sémantiquement cohérents. Ce problème est appelé la vérification de la consistance horizontale, une tâche manuellement difficile qui constitue une étape importante pour réduire les incohérences dans les modèles des applications SOA avant de les transformer en d'autres formes (du code, des cas de tests, etc.). (2) La transformation des spécifications des systèmes en artefacts exécutables. Malgré la maturité de l’architecture SOA, la transformation des spécifications des systèmes SOA en artefacts exécutables s'avère encore une étape fastidieuse et est généralement effectué manuellement. En particulier, la transformation des chorégraphies de services en orchestrations exécutables reste un problème en raison de la nécessité de prendre en compte les aspects complexes des systèmes distribués, tels que l’asynchronisme et la concurrence. (3) La vérification de l’exécution. Au moment de la spécification, des comportements inattendus peuvent encore apparaitre lors de l’exécution. Pour cette raison, il est nécessaire de pouvoir vérifier la conformité de l'exécution d’un système par rapport à sa spécification. Ce problème est appelé la vérification de la consistance verticale. Ce travail de thèse propose ainsi une approche de type SOA dirigée par les modèles résolvant les défis mentionnés précédemment. Cette approche comprend une méthodologie en deux étapes pour la vérification de la consistance horizontale et verticale des systèmes SOA spécifiés en utilisant la norme SoaML de l’OMG. Le problème de vérification de la consistance horizontale est résolu au moyen de l'analyse statique de la spécification des systèmes. Le deuxième défi est résolu en spécifiant les règles de transformation d'un modèle de spécification de chorégraphie de services en une orchestration exécutable qui implémente la logique de la chorégraphie tout en prenant en compte la nature asynchrone des communications entre les services distribués. Le problème de vérification de la consistance verticale est résolu par notre approche par l'analyse hors ligne des traces d’exécution d’un système. L’ensemble de la proposition méthodologique a été implanté sous la forme d’une extension à l’outil de modélisation UML open-source Papyrus.


  • Résumé

    As software systems are pervasive and play an important role in everyday life, the users are becoming more and more demanding. They mainly require more reliable systems that automatically adapt to different use cases. To satisfy these requirements, technical frameworks and design methods, upon which the systems development is based, must meet specific objectives mainly modularity, flexibility, and consistency. Service-Oriented Architecture (SOA) is a paradigm that offers mechanisms to increase the software flexibility and reduce development costs by enabling service orchestration and choreography. SOA promises also reliability through the use of services contracts as an agreement between the service provider and consumer. Model-driven SOA is a novel and promising approach that strengthens SOA with Model-Driven Engineering (MDE) technics that ease the specification, development, and verification of Service-Oriented Applications by applying abstraction and automation principles. Despite the progress to integrate MDE to SOA, there are still some challenging problems to be solved: (1) Rigorous verification of SOA system specifications. This is a challenging problem because to model SOA systems designers need more than one viewpoint, each of which captures a specific concern of the system. These viewpoints are meant to be semantically consistent with each other. This problem is called horizontal consistency checking and it is an important step to reduce inconsistencies in SOA models before transforming them into other forms (code generation, test cases derivation, etc.). (2) Transformation of systems specifications into executable artifacts. Despite the maturity of SOA, the transformation of system specifications into executable artifacts is usually manual, fastidious and error-prone. The transformation of services choreographies into executable orchestrations particularly remains a problem because of the necessity to take into account critical aspects of distributed systems such as asynchrony and concurrency when executing centralized orchestrations. (3) Runtime verification. Even after verifying Horizontal consistency at design time, there could be unexpected and unspecified data interactions that are unknown during design-time. For this reason, we still need consistency verification at runtime to handle such unforeseen events. This problem is called Vertical consistency checking. This thesis work proposes a Model-driven SOA approach to address the above-mentioned challenges. This approach includes a two-step model-driven methodology to horizontally and vertically verify the consistency of SOA systems specifications described using the SoaML standard from the Object Management Group (OMG). The horizontal consistency checking problem, which is the first challenge, is solved by means of static analysis of the system specification at the design level. The second challenge is solved by specifying the transformation from a choreography specification model to an executable orchestration implementing the choreography logic. Our transformation takes into consideration the asynchronous nature of the communications between distributed services. The vertical consistency checking problem, which is the third challenge, is solved by our approach thanks to offline analysis that allows consistency verification between both design and runtime levels. The entire methodological proposal was implemented as an extension to the open source UML modeling tool Papyrus.


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