On Consistency of Operational Transformation Approach

The Operational Transformation (OT) approach, used in many collaborative editors, allows a group of users to concurrently update replicas of a shared object and exchange their updates in any order. The basic idea of this approach is to transform any received update operation before its execution on a replica of the object. This transformation aims to ensure the convergence of the different replicas of the object, even though the operations are executed in different orders. However, designing transformation functions for achieving convergence is a critical and challenging issue. Indeed, the transformation functions proposed in the literature are all revealed incorrect. In this paper, we investigate the existence of transformation functions for a shared string altered by insert and delete operations. From the theoretical point of view, two properties - named TP1 and TP2 - are necessary and sufficient to ensure convergence. Using controller synthesis technique, we show that there are some transformation functions which satisfy only TP1 for the basic signatures of insert and delete operations. As a matter of fact, it is impossible to meet both properties TP1 and TP2 with these simple signatures.Comment: In Proceedings Infinity 2012, arXiv:1302.310

Convergence et sécurité d'accès dans les systèmes d'édition collaborative massivement répartis

RÉSUMÉ Parmi les défis des systèmes d'édition collaborative figure la cohérence des objets partagés. Dans la perspective d'une édition cohérente, le système doit garantir la convergence. Pour assurer la cohérence des objets partagés, la littérature propose plusieurs solutions. Les différentes approches majeures proposées sont : l'approche des types de données commutatives répliquées (CRDT) et l'approche de la transformée opérationnelle (OT). L'approche CRDT considère des opérations commutatives qui peuvent être exécutées dans un ordre différent. L'une des difficultés auxquelles CRDT se bute réside en la commutativité des opérations. Toutes les opérations d'édition doivent être commutatives afin d'être exécutées dans un ordre quelconque. L'approche de la transformée opérationnelle quant à elle propose une transformation des opérations distantes reçues par rapport aux opérations qui lui sont concurrentes ; même si elles sont déjà exécutées. Pour effectuer les transformations, l'approche OT utilise un algorithme de transformation inclusive (IT). Dans la littérature, plusieurs travaux ont prouvé que les principaux algorithmes de transformation inclusive proposés ne satisfont pas le critère de convergence. Outre la cohérence, la sécurisation des interactions est un autre défi des systèmes d'édition collaborative. Le contrôle d'accès est l'un des modèles de politiques de sécurité applicable dans ce cadre. Il s'agit d'autoriser ou d'interdire l'édition à certains utilisateurs. Le contrôle d'accès doit être uniformément déployé pour éviter de compromettre la cohérence des opérations d'édition. Une opération d'édition valide sur un site doit l'être partout. Une opération refusée sur un site doit être refusée partout. Dans le contexte étudié, le protocole de sécurité est fiable s'il préserve la cohérence du système. Fournir cette preuve de fiabilité est une tâche ardue. Le nombre de cas à examiner est infini. De plus, pour une vérification automatique, le défaut de ressources survient si des techniques appropriées ne sont pas exploitées. Dans cette thèse, nous nous intéressons aux défis que constituent la convergence et le contrôle d'accès dans les systèmes d'édition collaborative répartis. Nous considérons un objet textuel à structure linéaire qui est massivement édité dans une architecture répartie. L'approche de gestion de cohérence utilisée est la transformée opérationnelle. Ainsi, chaque utilisateur a sa copie locale du document partagé. Les opérations générées sur un site sont aussitôt diffusées aux autres utilisateurs. Elles peuvent être exécutées dans un ordre quelconque. Les types d'opérations d'édition sont : l'insertion d'un caractère et la suppression de caractère. Nous intégrons également un protocole de contrôle d'accès à l'édition collaborative. Notre thèse se présente sous la forme de trois articles scientifiques, chacun traitant d'une problématique bien spécifique. Dans le premier article, nous abordons la problématique de la convergence. Nous avons adopté une démarche en plusieurs étapes. Une exploration a été initialement faite afin de vérifier s'il est possible d'avoir une fonction IT convergente. En utilisant la méthode de la synthèse de contrôleur et les automates de jeu, nos investigations ont révélé qu'aucune IT basée uniquement sur le caractère et la position ne peut garantir une convergence. L'identification des causes de divergence a permis d'amorcer la résolution du « problème de synthèse de contrôleur ». Ainsi, un troisième paramètre a été ajouté aux opérations d'insertion. Il permet de manipuler le nombre de caractères supprimés avant la position d'insertion indiquée. Une fonction de détermination de la valeur de ce paramètre a été proposée. Une fonction IT a été par la suite proposée, en tenant compte des propositions précédentes. En utilisant la vérification sur modèle (model-checking), la preuve a été apportée que notre IT garantit bien la convergence. Le deuxième article propose l'intégration d'un protocole de sécurité optimiste. L'article aborde la problématique de la fiabilité du protocole dans un espace d'états infini. Il est déployé au dessus de protocole de synchronisation du système d'édition collaborative. Nous faisons l'hypothèse que le système vérifie la propriété de cohérence en l'absence du contrôle d'accès. Pour affronter les difficultés relatives à la preuve de fiabilité, l'approche du model-checking symbolique a été préférée. Le model-checking borné a été utilisé avec l'outil Alloy. L'exploration faite pour des instances dont la taille maximale est de treize « signatures », a permis de conclure la préservation de la cohérence par le protocole de contrôle d'accès. Notons que ces instances ne sont pas massives mais la combinatoire résultante n'est pas négligeable. Le troisième article aborde la problématique de réduction de système. Des investigations ont été menées afin d'avoir un modèle fini équivalent au système d'édition collaborative, au regard de la propriété de cohérence. Le modèle abstrait proposé comporte trois sites coopératifs, dont l'un est administrateur. Ce modèle à espace d'états fini étant prouvé équivalent par rapport à la propriété de cohérence, au système à espace d'états infini, il a servi de cadre pour la vérification automatique. En utilisant l'outil Uppaal et le formalisme d'automate, nous avons prouvé par model-checking que le modèle abstrait préserve la cohérence. Par conséquent, le protocole de contrôle d'accès préserve la cohérence de système d'édition collaborative. Nos travaux comportent quelques limitations liées à leur portée. Nous avons manipulé des objets textuels à structure linéaire sur lesquels ne sont appliquées que des opérations d'insertion et de suppression de caractères. De plus, la gestion des droits d'accès est basée sur un modèle mono-administrateur. La performance du protocole de contrôle d'accès n'a pas non plus été prise en compte. Les travaux auraient sans doute plus d'envergure s'ils couvraient plusieurs types d'objets, plusieurs types d'opérations d'édition, plusieurs administrateurs et une étude de performance. Nos futures travaux pourraient être consacrés à l'élargissement de la portée de la présente thèse.----------ABSTRACT The consistency of the shared documents is one of the most important challenges in collaborative editing systems. To achieve consistency, a solution must ensure the convergence criteria. Several solutions are proposed in litterature to achieve consistency of the shared documents. The major approaches are: commutative replicated data type (CRDT) and operational transformation (OT). CRDT considers some commutative operations which could be executed in different order. The main difficulty of CRDT is to compute commutative operations. OT approach proposes to transform remote operations against their concurrent operations, even if they are already executed. An inclusive transformation function is used to compute the transformations. In the litterature, several works show that the main inclusive transformation (IT) functions proposed do not ensure convergence. Besides consistency, security of the edition is another challenge in distributed collaborative systems. Access control is a model of security policy that could be used. It consists of granting or revoking editing authorizations for users. Access control must be uniformly deployed to not compromise the consistency of the system. A valid editing operation at one site must be valid at all other sites. As the same time, an invalid operation at one site, must be invalid everywhere. In the current context, the security protocol is reliable if it preserves the consistency of the system. Produce the proof of reliability is difficult. It requires examining infinite number of cases. In addition, with automatic verification, ressources become insufficient if appropriate techniques are not used. This thesis is interested in consistency and access control challenges in distributed collaborative editing systems. It considers a textual object with a linear structure that is massively edited in a distributed architecture. OT is used to manage consistency. Each user has a local copy of the shared document. Locally-generated operations are immediately broadcast to other users. Operations could be executed in any order. Their types are inserting and deleting characters. To ensure security, collaborative edition is combined with an access control protocol. The thesis consists of three scientific articles. Each of them deals with a specific problem. In the first article, we adress the problem of consistency and proceed in several steps. Initially, we explore the existence of convergent IT functions of OT, which ensure data consistency. Using the controller synthesis approach and game automata, we conclude that there is no IT function, based only on character and position as parameters of insert and delete operations, which ensure data consistency. The investigation of the causes of divergence led to solve the controller synthesis problem. Thus, a new parameter is added to the insert operation signature. It handles the number of characters deleted before the inserting position. The function needed to compute the value of this parameter is provided. Finally, based on these contributions, we propose an IT function and show that it ensures convergence. The proof is achieved by a symbolic model-checking emulated using the tool Uppaal. The second article adresses the reliability of security protocol in an infinite state space. An optimist access control protocol is considered to be deployed over any correct synchronization protocol. The symbolic model-checking approach is choosen to deal with the proof of reliabi--lity. For this purpose, bounded model-checking is used with the tool Alloy. Exploration made with instances whose maximum size is thirteen allow to conclude the preservation of consistency by the access control protocol. These instances are not massive but the resulting combinatorial is important. The third article adresses the problem of system reduction. In this article, we investigate a finite model equivalent to a distributed collaborative editing system, with regard to consistency. The abstract model proposed consists of three cooperative sites including the administrator. This finite state model is proved by model-checking to preserve consistency. Consequently, the access control protocol preserves consistency of any correct distributed collaborative editing system. The model-checking techniques exploits Uppaal tool and automata. Our work has several limitations. We consider textual objects with linear structure. These objects are edited by applying some operations which are inserting and deleting characters. In addition, the management of access rights is based on one-administrator model. The performance study of the access control protocol is not done. The work would probably be more extensive if it covered several types of objects, several types of editing operations, many administrators and the performance study. Our future work could be devoted to the widening of the scope of this thesis

On Consistency of Operational Transformation Approach

International audienceThe Operational Transformation (OT) approach, used in many collaborative editors, allows a group of users to concurrently update replicas of a shared object and exchange their updates in any order. The basic idea of this approach is to transform any received update operation before its execution on a replica of the object. This transformation aims to ensure the convergence of the different replicas of the object, even if the operations are executed in different orders. However, designing transformation functions for achieving convergence is a critical and challenging issue. Indeed, the transformation functions proposed in the literature are all revealed incorrect. This paper investigates the existence of transformations functions which ensure convergence. From the theoretical point of view, two properties, named TP1 and TP2, are necessary and sufficient to ensure convergence. For the basic signatures of insert and delete operations, we show, using controller synthesis technique, that there are some transformation functions, which satisfy TP1. But, there is no transformation function, which satisfies both TP1 and TP2

Spécification et Analyse d’un Protocole de Contrôle d’Accès Optimiste pour Éditeurs Collaboratifs Répartis

National audienceLes éditeurs collaboratifs répartis sont des systèmes interactifs dans lesquels des utilisateurs géographiquement éloignés éditent simultanément des documents partagés. Généralement, ces systèmes ont recours à la réplication de données et un protocole de synchronisation, qui permet d’assurer la cohérence des données même si les mises à jour des utilisateurs ne sont pas exécutées dans le même ordre sur les différentes copies. Contrôler l’accès dans les éditeurs collaboratifs est un défi car ils nécessitent un changement dynamique des droits d’accès et une faible latence pour partager les documents. Dans (Imine et al., 2009), un protocole flexible de contrôle d’accès a été proposé. Il est basé sur la réplication du document partagé ainsi que ses autorisations d’accès dans la mémoire locale de chaque utilisateur. Pour faire face à la latence et au changement dynamique des droits d’accès, une technique optimiste a été utilisée qui consiste à appliquer de manière rétroactive les autorisations d’accès. Cependant, vérifier que l’utilisation combinée du contrôle d’accès et du protocole de synchronisation préserve la cohérence des données est une tâche difficile, car elle requiert d’examiner un grand nombre de cas. Dans ce papier nous montrons comment spécifier et vérifier formellement, en utilisantla suite d’outils Alloy, un protocole de contrôle d’accès conçu pour les éditeurs collaboratifs répartis. L’analyse a permis de conclure que le contrôle d’accès est uniformément appliqué sur tous les sites participant à l’édition et, par conséquent, le protocole préserve la cohérence. Plusimportant encore, cette analyse a conduit à valider certains choix conceptuels du protocole.Distributed Collaborative Editors are interactive systems where several and dispersed users edit concurrently shared documents. Generally, these systems rely on data replication and use safe synchronization protocol which ensures data consistency even though the users’s updates are executed in any order on different copies. Controlling access in such systems is a challenging problem, as they need dynamic access changes and low latency access to shared documents. In (Imine et al., 2009), a flexible access control protocol is proposed; it is based on replicating the shared document and its authorization policy at the local memory of each user. To deal with latency and dynamic access changes, an optimisticaccess control technique is used where enforcement of authorizations is retroactive. However, verifying whether the combination of access control and synchronization protocol preserves the data consistency is a hard task since it requires examining a large number of situations.In this paper, we show how to specify and verify formally an access control protocol designed for Distributed Collaborative Editor. The analysis let to conclude that the protocol preserves consistency in such a way that the access control policy is enforced identically at all participating user sites. Most importantly, this analysis enables us to validate some conceptual choices of the protocol

Specification and Verification Using Alloy of Optimistic Access Control for Distributed Collaborative Editors

International audienceDistributed Collaborative Editors are interactive systems where several and dispersed users edit concurrently shared documents. Generally, these systems rely on data replication and use safe coordination protocol which ensures data consistency even though the users's updates are executed in any order on different copies. Controlling access in such systems is a challenging problem, as they need dynamic access changes and low latency access to shared documents. Usually, a flexible access control protocol is used; it is based on replicating the shared document and its authorization policy at the local memory of each user. To deal with latency and dynamic access changes, the access control is optimistic in such a way that the enforcement of authorizations is retroactive. However, verifying whether the combination of access control and coordination protocols preserves the data consistency is a hard task since it requires examining a large number of situations. In this paper, we specify this access control protocol in the first-order relational logic with Alloy, and we verify that it preserves the correctness of the system on which it is deployed, namely that the access control policy is enforced identically at all participating user sites and, accordingly, the data consistency remains still maintained

On Synthesizing a Consistent Operational Transformation Approach

International audienceThe Operational Transformation (OT) approach, used in many collaborative editors, allows a group of users to concurrently update replicas of a shared object and exchange their updates in any order. The basic idea is to transform any received update operation before its execution on a replica of the object. Concretely, OT consists of a centralized / decentralized integration procedure and a transformation function. In the context of decentralized integration, designing transformation functions for achieving convergence of object replicas is a critical and challenging issue. Indeed, the transformation functions proposed in the literature are all revealed inefficient. In this paper, we investigate the existence of transformation functions. From the theoretical point of view, two properties, named TP1 and TP2, are necessary and sufficient to ensure convergence. Using controller synthesis technique, we show that there are some transformation functions, which satisfy TP1 for the basic signatures of insert and delete operations. But, there is no transformation function, which satisfies both TP1 and TP2. Consequently, a transformation function which satisfies both TP1 and TP2 must necessarily have additional parameters in the signatures of some update operations. We propose, in this paper, a new transformation {function} and show formally that it ensures convergence