Extra Functional Properties Evaluation of Self-managed Software Systems with Formal Methods

Multitud de aplicaciones software actuales están abocadas a operar en contextos dinámicos. Estos pueden manifestarse en términos de cambios en el entorno de ejecución de la aplicación, cambios en los requisitos de la aplicación, cambios en la carga de trabajo recibida por la aplicación, o cambios en cualquiera de los elementos que la aplicación software pueda percibir y verse afectada. Además, estos contextos dinámicos no están restringidos a un dominio particular de aplicaciones sino que se pueden encontrar en múltiples dominios, tales como: sistemas empotrados, arquitecturas orientadas a servicios, clusters para computación de altas prestaciones, dispositivos móviles o software para el funcionamiento de la red. La existencia de estas características disuade a los ingenieros de desarrollar software que no sea capaz de cambiar de modo alguno su ejecución para acomodarla al contexto en el que se está ejecutando el software en cada momento. Por lo tanto, con el objetivo de que el software pueda satisfacer sus requisitos en todo momento, este debe incluir mecanismos para poder cambiar su configuración de ejecución. Además, debido a que los cambios de contexto son frecuentes y afectan a múltiples dispositivos de la aplicación, la intervención humana que cambie manualmente la configuración del software no es una solución factible. Para enfrentarse a estos desafíos, la comunidad de Ingeniería del Software ha propuesto nuevos paradigmas que posibilitan el desarrollo de software que se enfrenta a contextos cambiantes de un modo automático; por ejemplo las propuestas Autonomic Computing y Self-* Software. En tales propuestas es el propio software quien gestiona sus mecanismos para cambiar la configuración de ejecución, sin requerir por lo tanto intervención humana alguna. Un aspecto esencial del software auto-adaptativo (Self-adaptive Software es uno de los términos más generales para referirse a Self-* Software) es el de planear sus cambios o adaptaciones. Los planes de adaptación determinan tanto el modo en el que se adaptará el software como los momentos oportunos para ejecutar tales adaptaciones. Hay un gran conjunto de situaciones para las cuales la propiedad de auto- adaptación es una solución. Una de esas situaciones es la de mantener al sistema satisfaciendo sus requisitos extra funcionales, tales como la calidad de servicio (Quality of Service, QoS) y su consumo de energía. Esta tesis ha investigado esa situación mediante el uso de métodos formales. Una de las contribuciones de esta tesis es la propuesta para asentar en una arquitectura software los sistemas que son auto-adaptativos respecto a su QoS y su consumo de energía. Con este objetivo, esta parte de la investigación la guía una arquitectura de tres capas de referencia para sistemas auto-adaptativos. La bondad del uso de una arquitectura de referencia es que muestra fácilmente los nuevos desafíos en el diseño de este tipo de sistemas. Naturalmente, la planificación de la adaptación es una de las actividades consideradas en la arquitectura. Otra de las contribuciones de la tesis es la propuesta de métodos para la creación de planes de adaptación. Los métodos formales juegan un rol esencial en esta actividad, ya que posibilitan el estudio de las propiedades extra funcionales de los sistemas en diferentes configuraciones. El método formal utilizado para estos análisis es el de las redes de Petri markovianas. Una vez que se ha creado el plan de adaptación, hemos investigado la utilización de los métodos formales para la evaluación de QoS y consumo de energía de los sistemas auto-adaptativos. Por lo tanto, se ha contribuido a la comunidad de análisis de QoS con el análisis de un nuevo y particularmente complejo tipo de sistemas software. Para llevar a cabo este análisis se requiere el modelado de los cambios din·micos del contexto de ejecución, para lo que se han utilizado una variedad de métodos formales, como los Markov modulated Poisson processes para estimar los parámetros de las variaciones en la carga de trabajo recibida por la aplicación, o los hidden Markov models para predecir el estado del entorno de ejecución. Estos modelos han sido usados junto a las redes de Petri para evaluar sistemas auto-adaptativos y obtener resultados sobre su QoS y consumo de energía. El trabajo de investigación anterior sacó a la luz el hecho de que la adaptabilidad de un sistema no es una propiedad tan fácilmente cuantificable como las propiedades de QoS -por ejemplo, el tiempo de respuesta- o el consumo de energÌa. En consecuencia, se ha investigado en esa dirección y, como resultado, otra de las contribuciones de esta tesis es la propuesta de un conjunto de métricas para la cuantificación de la propiedad de adaptabilidad de sistemas basados en servicios. Para conseguir las anteriores contribuciones se realiza un uso intensivo de modelos y transformaciones de modelos; tarea para la que se han seguido las mejores prácticas en el campo de investigación de la Ingeniería orientada a modelos (Model-driven Engineering, MDE). El trabajo de investigación de esta tesis en el campo MDE ha contribuido con: el aumento de la potencia de modelado de un lenguaje de modelado de software propuesto anteriormente y métodos de transformación desde dos lenguajes de modelado de software a redes de Petri estocasticas

Software Perfomance Assessment at Architectural Level: A Methodology and its Application

Las arquitecturas software son una valiosa herramienta para la evaluación de las propiedades cualitativas y cuantitativas de los sistemas en sus primeras fases de desarrollo. Conseguir el diseño adecuado es crítico para asegurar la bondad de dichas propiedades. Tomar decisiones tempranas equivocadas puede implicar considerables y costosos cambios en un futuro. Dichas decisiones afectarían a muchas propiedades del sistema, tales como su rendimiento, seguridad, fiabilidad o facilidad de mantenimiento. Desde el punto de vista del rendimiento software, la ingeniería del rendimiento del software (SPE) es una disciplina de investigación madura y comúnmente aceptada que propone una evaluación basada en modelos en las primeras fases del ciclo de vida de desarrollo software. Un problema en este campo de investigación es que las metodologías hasta ahora propuestas no ofrecen una interpretación de los resultados obtenidos durante el análisis del rendimiento, ni utilizan dichos resultados para proponer alternativas para la mejora de la propia arquitectura software. Hasta la fecha, esta interpretación y mejora requiere de la experiencia y pericia de los ingenieros software, en especial de expertos en ingeniería de prestaciones. Además, a pesar del gran número de propuestas para evaluar el rendimiento de sistemas software, muy pocos de estos estudios teóricos son posteriormente aplicados a sistemas software reales. El objetivo de esta tesis es presentar una metodología para el asesoramiento de decisiones arquitecturales para la mejora, desde el punto de vista de las prestaciones, de las sistemas software. La metodología hace uso del Lenguaje Unificado de Modelado (UML) para representar las arquitecturas software y de métodos formales, concretamente redes de Petri, como modelo de prestaciones. El asesoramiento, basado en patrones y antipatrones, intenta detectar los principales problemas que afectan a las prestaciones del sistema y propone posibles mejoras para mejoras dichas prestaciones. Como primer paso, estudiamos y analizamos los resultados del rendimiento de diferentes estilos arquitectónicos. A continuación, sistematizamos los conocimientos previamente obtenidos para proponer una metodología y comprobamos su aplicabilidad asesorando un caso de estudio real, una arquitectura de interoperabilidad para adaptar interfaces a personas con discapacidad conforme a sus capacidades y preferencias. Finalmente, se presenta una herramienta para la evaluación del rendimiento como un producto derivado del propio ciclo de vida software

Quantitative Analysis of Apache Storm Applications: The NewsAsset Case Study

The development of Information Systems today faces the era of Big Data. Large volumes of information need to be processed in real-time, for example, for Facebook or Twitter analysis. This paper addresses the redesign of NewsAsset, a commercial product that helps journalists by providing services, which analyzes millions of media items from the social network in real-time. Technologies like Apache Storm can help enormously in this context. We have quantitatively analyzed the new design of NewsAsset to assess whether the introduction of Apache Storm can meet the demanding performance requirements of this media product. Our assessment approach, guided by the Unified Modeling Language (UML), takes advantage, for performance analysis, of the software designs already used for development. In addition, we converted UML into a domain-specific modeling language (DSML) for Apache Storm, thus creating a profile for Storm. Later, we transformed said DSML into an appropriate language for performance evaluation, specifically, stochastic Petri nets. The assessment ended with a successful software design that certainly met the scalability requirements of NewsAsset

Integrated Optimization of IT Service Performance and Availability Using Performability Prediction Models

Optimizing the performance and availability of an IT service in the design stage are typically considered as independent tasks. However, since both aspects are related to one another, these activities could be combined by applying performability models, in which both the performance and the availability of a service can be more accurately predicted. In this paper, a design optimization problem for IT services is defined and applied in two scenarios, one of which considers a mechanism in which redundant components can be used both for failover as well as handling overload situations. Results show that including such aspects affecting both availability and performance in prediction models can lead to more cost-effective service designs. Thus, performability prediction models are one opportunity to combine performance and availability management for IT services

A systematic approach for performance assessment using process mining. An industrial experience report

Software performance engineering is a mature field that offers methods to assess system performance. Process mining is a promising research field applied to gain insight on system processes. The interplay of these two fields opens promising applications in the industry. In this work, we report our experience applying a methodology, based on process mining techniques, for the performance assessment of a commercial data-intensive software application. The methodology has successfully assessed the scalability of future versions of this system. Moreover, it has identified bottlenecks components and replication needs for fulfilling business rules. The system, an integrated port operations management system, has been developed by Prodevelop, a medium-sized software enterprise with high expertise in geospatial technologies. The performance assessment has been carried out by a team composed by practitioners and researchers. Finally, the paper offers a deep discussion on the lessons learned during the experience, that will be useful for practitioners to adopt the methodology and for researcher to find new routes

Methodologies synthesis

This deliverable deals with the modelling and analysis of interdependencies between critical infrastructures, focussing attention on two interdependent infrastructures studied in the context of CRUTIAL: the electric power infrastructure and the information infrastructures supporting management, control and maintenance functionality. The main objectives are: 1) investigate the main challenges to be addressed for the analysis and modelling of interdependencies, 2) review the modelling methodologies and tools that can be used to address these challenges and support the evaluation of the impact of interdependencies on the dependability and resilience of the service delivered to the users, and 3) present the preliminary directions investigated so far by the CRUTIAL consortium for describing and modelling interdependencies

Towards the Performance Analysis of Apache Tez Applications

Apache Tez is an application framework for large data processing using interactive queries. When a Tez developer faces the ful llment of performance requirements s/he needs to con gure and optimize the Tez application to speci c execution contexts. However, these are not easy tasks, though the Apache Tez con guration will im- pact in the performance of the application signi cantly. Therefore, we propose some steps, towards the modeling and simulation of Apache Tez applications, that can help in the performance assessment of Tez designs. For the modeling, we propose a UML pro le for Apache Tez. For the simulation, we propose to transform the stereotypes of the pro le into stochastic Petri nets, which can be eventually used for computing performance metrics

Practical Use of High-level Petri Nets

This booklet contains the proceedings of the Workshop on Practical Use of High-level Petri Nets, June 27, 2000. The workshop is part of the 21st International Conference on Application and Theory of Petri Nets organised by the CPN group at the Department of Computer Science, University of Aarhus, Denmark. The workshop papers are available in electronic form via the web pages: http://www.daimi.au.dk/pn2000/proceeding

First IJCAI International Workshop on Graph Structures for Knowledge Representation and Reasoning (GKR@IJCAI'09)

International audienceThe development of effective techniques for knowledge representation and reasoning (KRR) is a crucial aspect of successful intelligent systems. Different representation paradigms, as well as their use in dedicated reasoning systems, have been extensively studied in the past. Nevertheless, new challenges, problems, and issues have emerged in the context of knowledge representation in Artificial Intelligence (AI), involving the logical manipulation of increasingly large information sets (see for example Semantic Web, BioInformatics and so on). Improvements in storage capacity and performance of computing infrastructure have also affected the nature of KRR systems, shifting their focus towards representational power and execution performance. Therefore, KRR research is faced with a challenge of developing knowledge representation structures optimized for large scale reasoning. This new generation of KRR systems includes graph-based knowledge representation formalisms such as Bayesian Networks (BNs), Semantic Networks (SNs), Conceptual Graphs (CGs), Formal Concept Analysis (FCA), CPnets, GAI-nets, all of which have been successfully used in a number of applications. The goal of this workshop is to bring together the researchers involved in the development and application of graph-based knowledge representation formalisms and reasoning techniques