Metaheuristic models for decision support in the software construction process

En la actualidad, los ingenieros software no solo tienen la responsabilidad de construir sistemas que desempe~nen una determinada funcionalidad, sino que cada vez es más importante que dichos sistemas también cumplan con requisitos no funcionales como alta disponibilidad, efciencia o seguridad, entre otros. Para lograrlo, los ingenieros se enfrentan a un proceso continuo de decisión, pues deben estudiar las necesidades del sistema a desarrollar y las alternativas tecnológicas existentes para implementarlo. Todo este proceso debe estar encaminado a la obtención de sistemas software de gran calidad, reutilizables y que faciliten su mantenimiento y modificación en un escenario tan exigente y competitivo. La ingeniería del software, como método sistemático para la construcción de software, ha aportado una serie de pautas y tareas que, realizadas de forma disciplinada y adaptadas al contexto de desarrollo, posibilitan la obtención de software de calidad. En concreto, el proceso de análisis y diseño del software ha adquirido una gran importancia, pues en ella se concibe la estructura del sistema, en términos de sus bloques funcionales y las interacciones entre ellos. Es en este momento cuando se toman las decisiones acerca de la arquitectura, incluyendo los componentes que la conforman, que mejor se adapta a los requisitos, tanto funcionales como no funcionales, que presenta el sistema y que claramente repercuten en su posterior desarrollo. Por tanto, es necesario que el ingeniero analice rigurosamente las alternativas existentes, sus implicaciones en los criterios de calidad impuestos y la necesidad de establecer compromisos entre ellos. En este contexto, los ingenieros se guían principalmente por sus habilidades y experiencia, por lo que dotarles de métodos de apoyo a la decisión representaría un avance significativo en el área. La aplicación de técnicas de inteligencia artificial en este ámbito ha despertado un gran interés en los últimos años. En particular, la inteligencia artificial ha encontrado en la ingeniería del software un ámbito de aplicación complejo, donde diferentes técnicas pueden ayudar a conseguir la semi-automatización de tareas tradicionalmente realizadas de forma manual. De la unión de ambas áreas surge la denominada ingeniería del software basada en búsqueda, que propone la reformulación de las actividades propias de la ingeniería del software como problemas de optimización. A continuación, estos problemas podrían ser resueltos mediante técnicas de búsqueda como las metaheurísticas. Este tipo de técnicas se caracterizan por explorar el espacio de posibles soluciones de una manera \inteligente", a menudo simulando procesos naturales como es el caso de los algoritmos evolutivos. A pesar de ser un campo de investigación muy reciente, es posible encontrar propuestas para automatizar una gran variedad de tareas dentro del ciclo de vida del software, como son la priorización de requisitos, la planifcación de recursos, la refactorización del código fuente o la generación de casos de prueba. En el ámbito del análisis y diseño de software, cuyas tareas requieren de creatividad y experiencia, conseguir una automatización completa resulta poco realista. Es por ello por lo que la resolución de sus tareas mediante enfoques de búsqueda debe ser tratada desde la perspectiva del ingeniero, promoviendo incluso la interacción con ellos. Además, el alto grado de abstracción de algunas de sus tareas y la dificultad de evaluar cuantitativamente la calidad de un diseño software, suponen grandes retos en la aplicación de técnicas de búsqueda durante las fases tempranas del proceso de construcción de software. Esta tesis doctoral busca realizar aportaciones significativas al campo de la ingeniería del software basada en búsqueda y, más concretamente, al área de la optimización de arquitecturas software. Aunque se están realizando importantes avances en este área, la mayoría de propuestas se centran en la obtención de arquitecturas de bajo nivel o en la selección y despliegue de artefactos software ya desarrollados. Por tanto, no existen propuestas que aborden el modelado arquitectónico a un nivel de abstracción elevado, donde aún no existe un conocimiento profundo sobre cómo será el sistema y, por tanto, es más difícil asistir al ingeniero. Como problema de estudio, se ha abordado principalmente la tarea del descubrimiento de arquitecturas software basadas en componentes. El objetivo de este problema consiste en abstraer los bloques arquitectónicos que mejor definen la estructura actual del software, así como sus interacciones, con el fin de facilitar al ingeniero su posterior análisis y mejora. Durante el desarrollo de esta tesis doctoral se ha explorado el uso de una gran variedad de técnicas de búsqueda, estudiando su idoneidad y realizando las adaptaciones necesarias para hacer frente a los retos mencionados anteriormente. La primera propuesta se ha centrado en la formulación del descubrimiento de arquitecturas como problema de optimización, abordando la representación computacional de los artefactos software que deben ser modelados y definiendo medidas software para evaluar su calidad durante el proceso de búsqueda. Además, se ha desarrollado un primer modelo basado en algoritmos evolutivos mono-objetivo para su resolución, el cual ha sido validado experimentalmente con sistemas software reales. Dicho modelo se caracteriza por ser comprensible y exible, pues sus componentes han sido diseñados considerando estándares y herramientas del ámbito de la ingeniería del software, siendo además configurable en función de las necesidades del ingeniero. A continuación, el descubrimiento de arquitecturas ha sido tratado desde una perspectiva multiobjetivo, donde varias medidas software, a menudo en con icto, deben ser simultáneamente optimizadas. En este caso, la resolución del problema se ha llevado a cabo mediante ocho algoritmos del estado del arte, incluyendo propuestas recientes del ámbito de la optimización de muchos objetivos. Tras ser adaptados al problema, estos algoritmos han sido comparados mediante un extenso estudio experimental con el objetivo de analizar la ifnuencia que tiene el número y la elección de las métricas a la hora de guiar el proceso de búsqueda. Además de realizar una validación del rendimiento de estos algoritmos siguiendo las prácticas habituales del área, este estudio aporta un análisis detallado de las implicaciones que supone la optimización de múltiples objetivos en la obtención de modelos de soporte a la decisión. La última propuesta en el contexto del descubrimiento de arquitecturas software se centra en la incorporación de la opinión del ingeniero al proceso de búsqueda. Para ello se ha diseñado un mecanismo de interacción que permite al ingeniero indicar tanto las características deseables en las soluciones arquitectónicas (preferencias positivas) como aquellos aspectos que deben evitarse (preferencias negativas). Esta información es combinada con las medidas software utilizadas hasta el momento, permitiendo al algoritmo evolutivo adaptar la búsqueda conforme el ingeniero interactúe. Dadas las características del modelo, su validación se ha realizado con la participación de ingenieros con distinta experiencia en desarrollo software, a fin de demostrar la idoneidad y utilidad de la propuesta. En el transcurso de la tesis doctoral, los conocimientos adquiridos y las técnicas desarrolladas también han sido extrapolados a otros ámbitos de la ingeniería del software basada en búsqueda mediante colaboraciones con investigadores del área. Cabe destacar especialmente la formalización de una nueva disciplina transversal, denominada ingeniería del software basada en búsqueda interactiva, cuyo fin es promover la participación activa del ingeniero durante el proceso de búsqueda. Además, se ha explorado la aplicación de algoritmos de muchos objetivos a un problema clásico de la computación orientada a servicios, como es la composición de servicios web.Nowadays, software engineers have not only the responsibility of building systems that provide a particular functionality, but they also have to guarantee that these systems ful l demanding non-functional requirements like high availability, e ciency or security. To achieve this, software engineers face a continuous decision process, as they have to evaluate system needs and existing technological alternatives to implement it. All this process should be oriented towards obtaining high-quality and reusable systems, also making future modi cations and maintenance easier in such a competitive scenario. Software engineering, as a systematic method to build software, has provided a number of guidelines and tasks that, when done in a disciplinarily manner and properly adapted to the development context, allow the creation of high-quality software. More speci cally, software analysis and design has acquired great relevance, being the phase in which the software structure is conceived in terms of its functional blocks and their interactions. In this phase, engineers have to make decisions about the most suitable architecture, including its constituent components. Such decisions are made according to the system requirements, either functional or non-functional, and will have a great impact on its future development. Therefore, the engineer has to rigorously analyse existing alternatives, their implications on the imposed quality criteria and the need of establishing trade-o s among them. In this context, engineers are mostly guided by their own capabilities and experience, so providing them with decision support methods would represent a signi cant contribution. The application of arti cial intelligent techniques in this area has experienced a growing interest in the last years. Particularly, software engineering represents a complex application domain to arti cial intelligence, whose diverse techniques can help in the semi-automation of tasks traditionally performed manually. The union of both elds has led to the appearance of search-based software engineering, which proposes reformulating software engineering activities as optimisation problems. For their resolution, search techniques like metaheuristics can be then applied. This type of technique performs an \intelligent" exploration of the space of candidate solutions, often inspired by natural processes as happens with evolutionary algorithms. Despite the novelty of this research eld, there are proposals to automate a great variety of tasks within the software lifecycle, such as requirement prioritisation, resource planning, code refactoring or test case generation. Focusing on analysis and design, whose tasks require creativity and experience, trying to achieve full automation is not realistic. Therefore, solving design tasks by means of search approaches should be oriented towards the engineer's perspective, even promoting their interaction. Furthermore, design tasks are also characterised by a high level of abstraction and the di culty of quantitatively evaluating design quality. All these aspects represent key challenges for the application of search techniques in early phases of the software construction process. The aim of this Ph.D. Thesis is to make signi cant contributions in search-based software engineering and, specially, in the area of software architecture optimisation. Although it is an area in which signi cant progress is being done, most of the current proposals are focused on generating low-level architectures or selecting and deploying already developed artefacts. Therefore, there is a lack of proposals dealing with architectural modelling at a high level of abstraction. At this level, engineers do not have a deep understanding of the system yet, meaning that assisting them is even more di cult. As case study, the discovery of component-based software architectures has been primary addressed. The objective for this problem consists in the abstraction of the architectural blocks, and their interactions, that best de ne the current structure of a software system. This can be viewed as the rst step an engineer would perform in order to further analyse and improve the system architecture. In this Ph.D. Thesis, the use of a great variety of search techniques has been explored. The suitability of these techniques has been studied, also making the necessary adaptations to cope with the aforementioned challenges. A rst proposal has been focused on the formulation of software architecture discovery as an optimisation problem, which consists in the computational representation of its software artefacts and the de nition of software metrics to evaluate their quality during the search process. Moreover, a single-objective evolutionary algorithm has been designed for its resolution, which has been validated using real software systems. The resulting model is comprehensible and exible, since its components have been designed under software engineering standards and tools and are also con gurable according to engineer's needs. Next, the discovery of software architectures has been tackled from a multi-objective perspective, in which several software metrics, often in con ict, have to be simultaneously optimised. In this case, the problem is solved by applying eight state-of-theart algorithms, including some recent many-objective approaches. These algorithms have been adapted to the problem and compared in an extensive experimental study, whose purpose is to analyse the in uence of the number and combination of metrics when guiding the search process. Apart from the performance validation following usual practices within the eld, this study provides a detailed analysis of the practical implications behind the optimisation of multiple objectives in the context of decision support. The last proposal is focused on interactively including the engineer's opinion in the search-based architecture discovery process. To do this, an interaction mechanism has been designed, which allows the engineer to express desired characteristics for the solutions (positive preferences), as well as those aspects that should be avoided (negative preferences). The gathered information is combined with the software metrics used until the moment, thus making possible to adapt the search as the engineer interacts. Due to the characteristics of the proposed model, engineers of di erent expertise in software development have participated in its validation with the aim of showing the suitability and utility of the approach. The knowledge acquired along the development of the Thesis, as well as the proposed approaches, have also been transferred to other search-based software engineering areas as a result of research collaborations. In this sense, it is worth noting the formalisation of interactive search-based software engineering as a cross-cutting discipline, which aims at promoting the active participation of the engineer during the search process. Furthermore, the use of many-objective algorithms has been explored in the context of service-oriented computing to address the so-called web service composition problem

Energy efficiency in wireless communications for mobile user devices

Mención Internacional en el título de doctorMobile user devices’ market has experi-enced an exponential growth worldwide over the last decade, and wireless communications are the main driver for the next generation of 5G networks. The ubiquity of battery-powered connected devices makes energy efficiency a major research issue. While most studies assumed that network interfaces dominate the energy consumption of wireless communications, a recent work unveils that the frame processing carried out by the device could drain as much energy as the interface itself for many devices. This discovery poses doubts on prior energy models for wireless communications and forces us to reconsider existing energy-saving schemes. From this standpoint, this thesis is de-voted to the study of the energy efficiency of mobile user devices at multiple layers. To that end, we assemble a comprehensive en-ergy measurement framework, and a robust methodology, to be able to characterise a wide range of mobile devices, as well as individual parts of such devices. Building on this, we first delve into the en-ergy consumption of frame processing within the devices’ protocol stack. Our results identify the CPU as the leading cause of this energy consumption. Moreover, we discover that the characterisation of the energy toll ascribed to the device is much more complex than the previous work showed. Devices with complex CPUs (several frequencies and sleep states) require novel methodologies and models to successfully characterise their consumption. We then turn our attention to lower levels of the communication stack by investigating the behaviour of idle WiFi interfaces. Due to the design of the 802.11 protocol, together with the growing trend of network densification, WiFi devices spend a long time receiving frames addressed to other devices when they might be dormant. In order to mitigate this issue, we study the timing constraints of a commercial WiFi card, which is developed into a standard-compliant algorithm that saves energy during such transmissions. At a higher level, rate adaptation and power control techniques adapt data rate and output power to the channel conditions. However, these have been typically studied with other metrics rather than energy efficiency in mind (i.e., performance figures such as throughput and capacity). In fact, our analyses and sim-ulations unveil an inherent trade-off between throughput and energy efficiency maximisa-tion in 802.11. We show that rate adaptation and power control techniques may incur inef-ficiencies at mode transitions, and we provide energy-aware heuristics to make such decisions following a conservative approach. Finally, our research experience on simula-tion methods pointed us towards the need for new simulation tools commited to the middle-way approach: less specificity than complex network simulators in exchange for easier and faster prototyping. As a result, we developed a process-oriented and trajectory-based discrete-event simulation package for the R language, which is designed as a easy-to-use yet pow-erful framework with automatic monitoring capabilities. The use of this simulator in net-working is demonstrated through the energy modelling of an Internet-of-Things scenario with thousands of metering devices in just a few lines of code.El mercado de los dispositivos de usuario móviles ha experimentado un crecimiento exponencial a nivel mundial en la última década, y las comunicaciones inalámbricas son el principal motor de la siguiente generación de redes 5G. La ubicuidad de estos dispos-itivos alimentados por baterías hace de la eficiencia energética un importante tema de investigación. Mientras muchos estudios asumían que la interfaz de red domina el consumo energético de las comuni-caciones inalámbricas, un trabajo reciente revela que el procesado de tramas que se lleva a cabo en el disposi-tivo podría gastar tanta energía como la propia interfaz para muchos dispositivos. Este descubrimiento plantea dudas sobre los anteriores modelos energéticos para comunicaciones inalámbricas y nos obliga a reconsid-erar los esquemas de ahorro energético existentes. Desde este punto de vista, esta tesis está dedicada al estudio de la eficiencia energética de dispositivos de usuario móviles en múltiples capas. Para ello, se construye un completo sistema de medida de energía, y una metodología robusta, capaz de caracterizar un amplio rango de dispositivos móviles, así como partes individuales de tales dispositivos. A partir de esto, en primer lugar se profundiza en el consumo energético del procesamiento de tramas en la pila de protocolos de los dispositivos. Nuestros resul-tados identifican a la CPU como principal causa de tal consumo. Además, se descubre que la caracterización de la cuota energética adscrita al dispositivo es mucho más compleja que lo mostrado por el trabajo ante-rior. Los dispositivos con CPU complejas (múltiples frecuencias y modos de apagado) requieren nuevas metodologías y modelos para caracterizar su consumo de manera existosa. En este punto, volvemos nuestra atención hacia niveles más bajos de la pila de comunicaciones para investigar el comportamiento de las interfaces WiFi en estado inactivo. Debido al diseño del protocolo 802.11, junto con la tendencia creciente hacia la densifi-cación de las redes, los dispositivos WiFi pasan mucho tiempo recibiendo tramas destinadas a otros dispos-itivos cuando podrían estar apagados. Para mitigar este problema, se estudian las limitaciones temporales de una tarjeta WiFi comercial, lo que posteriormente se utiliza para desarrollar un algoritmo conforme con el estándar que es capaz de ahorrar energía durante dichas transmisiones. A un nivel más alto, las técnicas de adaptación de tasa y control de potencia adaptan la tasa de datos y la potencia de salida a las condiciones del canal. No obstante, estas técnicas han sido típicamente es-tudiadas con otras métricas en mente (i.e., figuras de rendimiento como la tasa total y la capacidad). De hecho, nuestros análisis y simulaciones desvelan un conflicto entre la maximización de la tasa total y la efi-ciencia energética en 802.11. Se muestra que las técni-cas de adaptación de tasa y control de potencia pueden incurrir en ineficiencias en los cambios de modo, y se proporcionan heurísticos para tomar tales decisiones de un modo conservador y eficiente energéticamente. Finalmente, nuestra experiencia investigadora en métodos de simulación nos hizo conscientes de la necesidad de nuevas herramientas de simulación comprometidas con un enfoque intermedio: menos especificidad que los complejos simuladores de re-des a cambio de facilidad y rapidez en el prototipado. Como resultado, se desarrolló un paquete de simu-lación por eventos discretos para el lenguaje R orien-tado a procesos y basado en trayectorias, el cual está diseñado como una herramienta fácil de utilizar a la par que potente con capacidad de monitorización au-tomática integrada. El uso de este simulador en redes se demuestra mediante el modelado en energía de un escenario de la Internet de las Cosas con miles de dis-positivos de medida en tan solo unas pocas líneas de código.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería TelemáticaPresidente: Juan Manuel López Soler.- Secretario: Francisco Valera Pintor.- Vocal: Paul Horatiu Patra