Achieving Autonomic Computing through the Use of Variability Models at Run-time

Increasingly, software needs to dynamically adapt its behavior at run-time in response to changing conditions in the supporting computing infrastructure and in the surrounding physical environment. Adaptability is emerging as a necessary underlying capability, particularly for highly dynamic systems such as context-aware or ubiquitous systems. By automating tasks such as installation, adaptation, or healing, Autonomic Computing envisions computing environments that evolve without the need for human intervention. Even though there is a fair amount of work on architectures and their theoretical design, Autonomic Computing was criticised as being a \hype topic" because very little of it has been implemented fully. Furthermore, given that the autonomic system must change states at runtime and that some of those states may emerge and are much less deterministic, there is a great challenge to provide new guidelines, techniques and tools to help autonomic system development. This thesis shows that building up on the central ideas of Model Driven Development (Models as rst-order citizens) and Software Product Lines (Variability Management) can play a signi cant role as we move towards implementing the key self-management properties associated with autonomic computing. The presented approach encompass systems that are capable of modifying their own behavior with respect to changes in their operating environment, by using variability models as if they were the policies that drive the system's autonomic recon guration at runtime. Under a set of recon guration commands, the components that make up the architecture dynamically cooperate to change the con guration of the architecture to a new con guration. This work also provides the implementation of a Model-Based Recon guration Engine (MoRE) to blend the above ideas. Given a context event, MoRE queries the variability models to determine how the system should evolve, and then it provides the mechanisms for modifying the system.Cetina Englada, C. (2010). Achieving Autonomic Computing through the Use of Variability Models at Run-time [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/7484Palanci

Software engineering perspectives on physiological computing

Physiological computing is an interesting and promising concept to widen the communication channel between the (human) users and computers, thus allowing an increase of software systems' contextual awareness and rendering software systems smarter than they are today. Using physiological inputs in pervasive computing systems allows re-balancing the information asymmetry between the human user and the computer system: while pervasive computing systems are well able to flood the user with information and sensory input (such as sounds, lights, and visual animations), users only have a very narrow input channel to computing systems; most of the time, restricted to keyboards, mouse, touchscreens, accelerometers and GPS receivers (through smartphone usage, e.g.). Interestingly, this information asymmetry often forces the user to subdue to the quirks of the computing system to achieve his goals -- for example, users may have to provide information the software system demands through a narrow, time-consuming input mode that the system could sense implicitly from the human body. Physiological computing is a way to circumvent these limitations; however, systematic means for developing and moulding physiological computing applications into software are still unknown. This thesis proposes a methodological approach to the creation of physiological computing applications that makes use of component-based software engineering. Components help imposing a clear structure on software systems in general, and can thus be used for physiological computing systems as well. As an additional bonus, using components allow physiological computing systems to leverage reconfigurations as a means to control and adapt their own behaviours. This adaptation can be used to adjust the behaviour both to the human and to the available computing environment in terms of resources and available devices - an activity that is crucial for complex physiological computing systems. With the help of components and reconfigurations, it is possible to structure the functionality of physiological computing applications in a way that makes them manageable and extensible, thus allowing a stepwise and systematic extension of a system's intelligence. Using reconfigurations entails a larger issue, however. Understanding and fully capturing the behaviour of a system under reconfiguration is challenging, as the system may change its structure in ways that are difficult to fully predict. Therefore, this thesis also introduces a means for formal verification of reconfigurations based on assume-guarantee contracts. With the proposed assume-guarantee contract framework, it is possible to prove that a given system design (including component behaviours and reconfiguration specifications) is satisfying real-time properties expressed as assume-guarantee contracts using a variant of real-time linear temporal logic introduced in this thesis - metric interval temporal logic for reconfigurable systems. Finally, this thesis embeds both the practical approach to the realisation of physiological computing systems and formal verification of reconfigurations into Scrum, a modern and agile software development methodology. The surrounding methodological approach is intended to provide a frame for the systematic development of physiological computing systems from first psychological findings to a working software system with both satisfactory functionality and software quality aspects. By integrating practical and theoretical aspects of software engineering into a self-contained development methodology, this thesis proposes a roadmap and guidelines for the creation of new physiological computing applications.Physiologisches Rechnen ist ein interessantes und vielversprechendes Konzept zur Erweiterung des Kommunikationskanals zwischen (menschlichen) Nutzern und Rechnern, und dadurch die Berücksichtigung des Nutzerkontexts in Software-Systemen zu verbessern und damit Software-Systeme intelligenter zu gestalten, als sie es heute sind. Physiologische Eingangssignale in ubiquitären Rechensystemen zu verwenden, ermöglicht eine Neujustierung der Informationsasymmetrie, die heute zwischen Menschen und Rechensystemen existiert: Während ubiquitäre Rechensysteme sehr wohl in der Lage sind, den Menschen mit Informationen und sensorischen Reizen zu überfluten (z.B. durch Töne, Licht und visuelle Animationen), hat der Mensch nur sehr begrenzte Einflussmöglichkeiten zu Rechensystemen. Meistens stehen nur Tastaturen, die Maus, berührungsempfindliche Bildschirme, Beschleunigungsmesser und GPS-Empfänger (zum Beispiel durch Mobiltelefone oder digitale Assistenten) zur Verfügung. Diese Informationsasymmetrie zwingt die Benutzer zur Unterwerfung unter die Usancen der Rechensysteme, um ihre Ziele zu erreichen - zum Beispiel müssen Nutzer Daten manuell eingeben, die auch aus Sensordaten des menschlichen Körpers auf unauffällige weise erhoben werden können. Physiologisches Rechnen ist eine Möglichkeit, diese Beschränkung zu umgehen. Allerdings fehlt eine systematische Methodik für die Entwicklung physiologischer Rechensysteme bis zu fertiger Software. Diese Dissertation präsentiert einen methodischen Ansatz zur Entwicklung physiologischer Rechenanwendungen, der auf der komponentenbasierten Softwareentwicklung aufbaut. Der komponentenbasierte Ansatz hilft im Allgemeinen dabei, eine klare Architektur des Software-Systems zu definieren, und kann deshalb auch für physiologische Rechensysteme angewendet werden. Als zusätzlichen Vorteil erlaubt die Komponentenorientierung in physiologischen Rechensystemen, Rekonfigurationen als Mittel zur Kontrolle und Anpassung des Verhaltens von physiologischen Rechensystemen zu verwenden. Diese Adaptionstechnik kann genutzt werden um das Verhalten von physiologischen Rechensystemen an den Benutzer anzupassen, sowie an die verfügbare Recheninfrastruktur im Sinne von Systemressourcen und Geräten - eine Maßnahme, die in komplexen physiologischen Rechensystemen entscheidend ist. Mit Hilfe der Komponentenorientierung und von Rekonfigurationen wird es möglich, die Funktionalität von physiologischen Rechensystemen so zu strukturieren, dass das System wartbar und erweiterbar bleibt. Dadurch wird eine schrittweise und systematische Erweiterung der Funktionalität des Systems möglich. Die Verwendung von Rekonfigurationen birgt allerdings Probleme. Das Systemverhalten eines Software-Systems, das Rekonfigurationen unterworfen ist zu verstehen und vollständig einzufangen ist herausfordernd, da das System seine Struktur auf schwer vorhersehbare Weise verändern kann. Aus diesem Grund führt diese Arbeit eine Methode zur formalen Verifikation von Rekonfigurationen auf Grundlage von Annahme-Zusicherungs-Verträgen ein. Mit dem vorgeschlagenen Annahme-Zusicherungs-Vertragssystem ist es möglich zu beweisen, dass ein gegebener Systementwurf (mitsamt Komponentenverhalten und Spezifikation des Rekonfigurationsverhaltens) eine als Annahme-Zusicherungs-Vertrag spezifizierte Echtzeiteigenschaft erfüllt. Für die Spezifikation von Echtzeiteigenschaften kann eine Variante von linearer Temporallogik für Echtzeit verwendet werden, die in dieser Arbeit eingeführt wird: Die metrische Intervall-Temporallogik für rekonfigurierbare Systeme. Schließlich wird in dieser Arbeit sowohl ein praktischer Ansatz zur Realisierung von physiologischen Rechensystemen als auch die formale Verifikation von Rekonfigurationen in Scrum eingebettet, einer modernen und agilen Softwareentwicklungsmethodik. Der methodische Ansatz bietet einen Rahmen für die systematische Entwicklung physiologischer Rechensysteme von Erkenntnissen zur menschlichen Physiologie hin zu funktionierenden physiologischen Softwaresystemen mit zufriedenstellenden funktionalen und qualitativen Eigenschaften. Durch die Integration sowohl von praktischen wie auch theoretischen Aspekten der Softwaretechnik in eine vollständige Entwicklungsmethodik bietet diese Arbeit einen Fahrplan und Richtlinien für die Erstellung neuer physiologischer Rechenanwendungen

Contributions to the safe execution of dynamic component-based real-time systems

Traditionally, real-time systems have based their design and execution on barely dynamic models to ensure, since design time, the temporal guarantees in the execution of their functionality. Great effort is being applied nowadays to progressively develop more dynamic systems, with the target of changing during their execution and to adapt themselves to their environment. The capability to change and to reconfigure themselves represents remarkable advantages as the capability to fix errors and to add new functionality with on-line updates. This means to be able to be updated without needing to stop the service, that may imply monetary losses in many cases. Design and development techniques based on components have become popular due to the use of components, which allows simplifying the system design, code reusability and updates through the substitution of components. The target of this thesis work is to provide certain degree of dynamism to real-time systems allowing them to replace components, incorporating new functionality of fixing existing bugs. On that purpose, a component-based framework is proposed, as well as the corresponding task in charge of providing dynamism to the system. The main contribution is to provide a framework to allow safe component replacements. Safe meaning that incorrect executions of tasks are avoided even y multiple tasks are executing concurrently and making use of the same data. Also that temporal guarantees are provided for every task. This framework incorporates a generic component model with real-time threads, a components replacement model with execution times that are known and bounded, and different strategies to apply such component replacement model. Some mechanisms to maintain a seamless and safe execution, regarding concurrency, before, during, and after applying the processes in charge of replacing running components are also described. Seamless execution means that components themselves do not perform the replacements, and safe means that temporal guarantees are provided and components are not affected in their execution. Part of these mechanisms are the system schedulability analysis and the framework tasks as well as reserving the needed resources for such scheduling to be correct. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Los sistemas de tiempo real han basado tradicionalmente su desarrollo en modelos altamente predecibles ya que estos requieren garantías temporales en su ejecución. A lo largo de los años, la technología de tiempo real ha ido penetrando en diferentes campos de aplicación y ajustándose a paradigmas de desarrollo software más novedosos. Esto ha presentado y presenta en la actualidad un tremendo reto ya que estas aplicaciones suelen tener un alto grado de dinamismo, lo que entra en conflicto con la predictibilidad temporal y, en general la ejecución segura de los mismos. Hoy en dia se esta realizando un gran esfuerzo en el desarrollo de sistemas cada vez más dinamicos que permitan adaptar su estructura en tiempo de ejecución para adaptarse a entornos que presentan condiciones cambiantes. La capacidad de soportar este tipo de dinamismo presenta ventajas descatables como permitir corregir fallos y anadir funcionalidad mediante actualizaciones en caliente, es decir, poder actualizarse sin necesidad de realizar paradas en su servicio, lo que podria implicar costes monetarios en muchos casos o perdidas temporales de servicio. Por otro lado, las técnicas de diseño y desarrollo basadas en componentes se han hecho muy populares y su aplicación a los sistemas de tiempo real gana terreno día a día. Uno de los principales motivos de ellos es que el uso de componentes permite simplificar el diseño del sistema, la reutilizacion de codigo e incluso la actualizacion del mismo mediante la substitucion de componentes. En esta tesis se aborda el objetivo de proveer a los sistemas de tiempo real de cierto grado de dinamismo para poder reemplazar componentes de forma segura, que permita incorporar nuevas funcionalidades o corregir errores existentes. Para ello, en esta tesis se ha elaborado de un marco de trabajo para dar soporte a reemplazos de componentes de forma segura, entendiendo como tal que el hecho de que no se produzcan ejecuciones incorrectas debido a la ejecución concurrente de multiples tareas, asi como el garantizar los tiempos de ejecucion de cada tarea y acotar la duración temporal de los reemplazos. El marco de trabajo propuesto está basado, pues, en componentes de tiempo real, que tiene en cuenta los requisitos temporales en la ejecución de los componentes del sistema y de las tareas propias del marco que dan soporte a estos mecanismos de reemplazo. Este marco de trabajo incorpora un modelo generico de componente con tareas de tiempo real, un modelo de reemplazo de componentes cuyos tiempos de ejecucion son conocidos y limitados en tiempo y diferentes estrategias de aplicacion de dicho modelo de reemplazo de componente. Las contribuciones propuestas integran el analisis de la planificabilidad de los componentes del sistema y de las tareas del marco de componentes para permitir establecer los parámetros de reserva de los recursos necesarios para las tareas del marco. Por último, se realiza una validación empírica en la que se comprueba experimentalmente la validez del modelo tanto de forma genérica como en un escenario específico y determinando también los recursos necesarios para su implementación

Integrating IoT and IoS with a Component-Based approach

International audienceThere is a growing interest in leveraging Service Oriented Architectures (SOA) in domains such as home automation, automotive, mobile phones or e-Health. With the basic idea (supported in e.g. OSGi) that components provide services, it makes it possible to smoothly integrate the Internet of Things (IoT) with the Internet of Services (IoS). The paradigm of the IoS indeed offers interesting capabilities in terms of dynamicity and interoperability. However in domains that involve ``things'' (e.g. appliances), there is still a strong need for loose coupling and a proper separation between types and instances that are well-known in Component-Based approaches but that typical SOA fail to provide. This paper presents how we can still get the best of both worlds by augmenting SOA with a Component-Based approach. We illustrate our approach with a case study from the domain of home automation

Un meta-modèle de composants pour la réalisation d'applications temps-réel flexibles et modulaires

The increase of software complexity along the years has led researchers in the software engineering field to look for approaches for conceiving and designing new systems. For instance, the service-oriented architectures approach is considered nowadays as the most advanced way to develop and integrate fastly modular and flexible applications. One of the software engineering solutions principles is re-usability, and consequently generality, which complicates its appilication in systems where optimizations are often used, like real-time systems. Thus, create real-time systems is expensive, because they must be conceived from scratch. In addition, most real-time systems do not beneficiate of the advantages which comes with software engineering approches, such as modularity and flexibility. This thesis aim to take real time aspects into account on popular and standard SOA solutions, in order to ease the design and development of modular and flexible applications. This will be done by means of a component-based real-time application model, which allows the dynamic reconfiguration of the application architecture. The component model will be an extension to the SCA standard, which integrates quality of service attributs onto the service consumer and provider in order to stablish a real-time specific service level agreement. This model will be executed on the top of a OSGi service platform, the standard de facto for development of modular applications in Java.La croissante complexité du logiciel a mené les chercheurs en génie logiciel à chercher des approcher pour concevoir et projéter des nouveaux systèmes. Par exemple, l'approche des architectures orientées services (SOA) est considérée actuellement comme le moyen le plus avancé pour réaliser et intégrer rapidement des applications modulaires et flexibles. Une des principales préocuppations des solutions en génie logiciel et la réutilisation, et par conséquent, la généralité de la solution, ce qui peut empêcher son application dans des systèmes où des optimisation sont souvent utilisées, tels que les systèmes temps réels. Ainsi, créer un système temps réel est devenu très couteux. De plus, la plupart des systèmes temps réel ne beneficient pas des facilités apportées par le genie logiciel, tels que la modularité et la flexibilité. Le but de cette thèse c'est de prendre en compte ces aspects temps réel dans des solutions populaires et standards SOA pour faciliter la conception et le développement d'applications temps réel flexibles et modulaires. Cela sera fait à l'aide d'un modèle d'applications temps réel orienté composant autorisant des modifications dynamiques dans l'architecture de l'application. Le modèle de composant sera une extension au standard SCA qui intègre des attributs de qualité de service sur le consomateur et le fournisseur de services pour l'établissement d'un accord de niveau de service spécifique au temps réel. Ce modèle sera executé sur une plateforme de services OSGi, le standard de facto pour le developpement d'applications modulaires en Java

Environnement logiciel pour l assistance à l autonomie à domicile (gestion de la dynamique et de l incertitude pour la fourniture sémantique en temps réel de services d assistance)

L hétérogénéité des environnements ainsi que la diversité des profils et des besoins des patients représentent des contraintes majeures qui remettent en question l utilisation à grande échelle des systèmes d assistance à l autonomie à domicile (AAL). En effet, afin de répondre à l évolution de l état des patients et de leurs besoins humains, les environnements AAL sont en évolution continue par l introduction ou la disparition de capteurs, de dispositifs d interaction et de services d assistance. Par conséquent, une plateforme générique et dynamique capable de s adapter à différents environnements et d intégrer de nouveaux capteurs, dispositifs d interaction et services d assistance est requise. La mise en œuvre d un tel aspect dynamique peut produire une situation d incertitude dérivée des problèmes techniques liés à la fiabilité des capteurs ou à des problèmes de réseau. Par conséquent, la notion d incertitude doit être introduite dans la représentation de contexte et la prise de décision afin de faire face à ce problème. Au cours de cette thèse, j ai développé une plateforme dynamique et extensible capable de s adapter à différents environnements et aux besoins des patients. Ceci a été réalisé sur la base de l approche Plug&Play sémantique que j ai proposé. Afin de traiter le problème d incertitude de l information lié à des problèmes techniques, j ai proposé une approche de mesure d incertitude en utilisant les caractéristiques intrinsèques des capteurs et leurs comportements fonctionnels. J ai aussi fourni un modèle de représentation sémantique et de raisonnement avec incertitude associé avec la théorie de Dempster-Shafer (DST) pour la prise de décisionThe heterogeneity of the environments as well as the diversity of patients needs and profiles are major constraints that challenge the spread of ambient assistive living (AAL) systems. AAL environments are usually evolving by the introduction or the disappearance of sensors, devices and assistive services to respond to the evolution of patients conditions and human needs. Therefore, a generic framework that is able to adapt to such dynamic environments and to integrate new sensors, devices and assistive services at runtime is required. Implementing such a dynamic aspect may produce an uncertainty derived from technical problems related to sensors reliability or network problems. Therefore, a notion of uncertain should be introduced in context representation and decision making in order to deal with this problem. During this thesis, I have developed a dynamic and extendible framework able to adapt to different environments and patients needs. This was achieved based on my proposed approach of semantic Plug&Play mechanism. In order to handle the problem of uncertain information related to technical problems, I have proposed an approach for uncertainty measurement based on intrinsic characteristics of the sensors and their functional behaviors, then I have provided a model of semantic representation and reasoning under uncertainty coupled with the Dempster-Shafer Theory of evidence (DST) for decision makingEVRY-INT (912282302) / SudocSudocFranceF

Intergiciel d'intergiciels adaptable à base de Services, Composants et Aspects

Cette habilitation à diriger des recherches présente mes travaux sur le génie logiciel des intergiciels, domaine à la croisée de l’informatique répartie et du génie logiciel. L’intergiciel est la couche logicielle permettant de s’abstraire de l’hétérogénéité des technologies de l’informatique distribuée et de répondre aux besoins d’interopérabilité, de portabilité, d’adaptation et de séparation des préoccupations des applications réparties. Mes travaux ont été guidés par deux questions de recherche ouvertes : 1) quel est le paradigme de programmation le plus approprié pour les applications réparties ? 2) quelle est l’organisation la plus appropriée pour l’intergiciel ?La première partie présente une synthèse de mes travaux et contributions. Premièrement, mes travaux ont porté sur la transition des objets vers les composants CORBA donnant lieu à deux contributions majeures : le langage de script CorbaScript standardisé auprès de l’OMG et la plate-forme OpenCCM pour le développement, le déploiement, l’exécution et l’administration d’applications réparties à base de composants CORBA. Deuxièmement, je me suis intéressé à la conception de canevas intergiciels hautement adaptables. Ces travaux basés sur les composants réflexifs Fractal ont donné lieu à un cadre de programmation par attributs sur lequel trois canevas flexibles pour la gestion du transactionnel, le déploiement de systèmes distribués hétérogènes et les composants Java temps-réels ont été bâtis. Enfin, mes travaux ont porté sur la proposition du modèle Services Composants Aspects (SCA) et l’intergiciel d’intergiciels FraSCAti.La deuxième partie opère un zoom sur le projet FraSCAti. La contribution scientifique de ce projet est de proposer un intergiciel réflexif pour l’informatique orientée service combinant deux idées originales : la notion d’intergiciel d’intergiciels et le modèle Services Composants Aspects réflexif. Partant du constat qu’il n’existe pas d’intergiciel universel capable de couvrir l’ensemble des besoins de toutes les applications distribuées, le projet FraSCAti propose un canevas intergiciel extensible pour l’intégration et la composition élégante des intergiciels et technologies SOA existants, c’est-à-dire un intergiciel d’intergiciels. Le modèle SCA réflexif est quant à lui le mariage fécond du standard OASIS Service Component Architecture (SCA), du modèle de composants Fractal et de la programmation orientée aspects (AOP). Dans ce modèle, tout est composant réflexif permettant ainsi d’adapter dynamiquement aussi bien les applications métiers, l’intergiciel, les liaisons de communication réseau que les aspects non fonctionnels. Cette contribution a été appliquée sur l’orchestration de services à large échelle, la construction de systèmes de systèmes et une plate-forme distribuée multi-nuages. La dernière partie dresse un bilan des contributions et présente mes perspectives de recherche centrées sur le génie logiciel pour l’informatique en nuage (cloud computing)

Survey of context provisioning middleware

In the scope of ubiquitous computing, one of the key issues is the awareness of context, which includes diverse aspects of the user's situation including his activities, physical surroundings, location, emotions and social relations, device and network characteristics and their interaction with each other. This contextual knowledge is typically acquired from physical, virtual or logical sensors. To overcome problems of heterogeneity and hide complexity, a significant number of middleware approaches have been proposed for systematic and coherent access to manifold context parameters. These frameworks deal particularly with context representation, context management and reasoning, i.e. deriving abstract knowledge from raw sensor data. This article surveys not only related work in these three categories but also the required evaluation principles. © 2009-2012 IEEE

Meeting the challenges of decentralized embedded applications using multi-agent systems

International audienceToday embedded applications become large scale andstrongly constrained. They require a decentralized embedded intelligencegenerating challenges for embedded systems. A multi-agent approach iswell suited to model and design decentralized embedded applications.It is naturally able to take up some of these challenges. But somespecific points have to be introduced, enforced or improved in multiagentapproaches to reach all features and all requirements. In thisarticle, we present a study of specific activities that can complementmulti-agent paradigm in the ”embedded” context.We use our experiencewith the DIAMOND method to introduce and illustrate these featuresand activities