AutoHome: an Autonomic Management Framework for Pervasive Home Applications

International audienceThis paper introduces the design of the AutoHome service oriented framework to simplify the development and runtime adaptive support of autonomic pervasive applications. To this end, we describe our novel open infrastructure for building and executing home applications. This includes the amalgamation of the two computing areas of Autonomics and Service Orientation, to produce a Component-based platform providing facilities including monitoring, touchpoints and other common autonomic services. This infrastructure uniquely blends the advantages of distributed autonomic control with global conflict management in a management hierarchy. We discuss this platform in terms of pervasive home systems and show how one would develop such a system for two examples of automated home applications: intruder detection and medical support respectively. Both applications were built within our framework and evaluated showing that the use of the framework introduces minimal overheads but provides many benefits. We then conclude by highlighting the contributions of AutoHome and a discussion about the lessons learned, limitations and future research directions

Modèle à Composant pour Plate-forme Autonomique

In the last decades, computing environments have been getting more and more complex, filled with miniaturized and sophisticated devices that can handle mobility and wireless communications. Ubiquitous computing, as envisioned by Mark Weiser in 1991, promote the seamless integration of those computing environments with the real world in order to offer new kinds of applications. However, writing software for ubiquitous environments raises numerous challenges, mainly the problem of how to make an application adapt itself in an ever changing context. From another perspective, as classical softwares were growing in size and complexity, IBM proposed the concept of autonomic computing to help to contain the burden of administering massive and numerous systems. This PhD thesis is based on an approach where applications are designed in terms of components using and providing services. A development model based on a reference architecture for the conception of ubiquitous applications is proposed, greatly inspired by researches in the autonomic computing field. In this model, the application is managed by a hierarchy of autonomic managers, that base their decisions on a central representation of the system. The fulfilment of this contribution requires to make the underlying middleware more reflexive, in order to support new kinds of runtime adaptations. We also provide a model that depicts the running system and its dynamics in a uniform way, based on REST principles. Applications relying on this reflexive middleware and represented by this model are what we called Autonomic-Ready. Implementations of our proposals have been integrated in the Apache Felix iPOJO service-oriented component model. The system representation, named Everest, is provided as a OW2 Chameleon subproject. Validation is based on the iCASA pervasive environment development and simulation environment.Ces dernières décennies, les environnements informatiques sont devenus de plus en plus complexes, parsemés de dispositifs miniatures et sophistiqués gérant la mobilité et communiquant sans fil. L'informatique ubiquitaire, telle qu'imaginée par Mark Weiser en 1991, favorise l'intégration transparente de ces environnements avec le monde réel pour offrir de nouveaux types d'applications. La conception de programmes pour environnements ubiquitaires soulève cependant de nombreux défis, en particulier le problème de rendre une application auto-adaptable dans un contexte en constante évolution. Parallèlement, alors que la taille et la complexité de systèmes plus classiques ont explosé, IBM a proposé le concept d'informatique autonomique afin de réduire le fardeau de l'administration de systèmes imposants et largement disséminés. Cette thèse se base sur une approche où les applications sont conçues sous la forme de composants utilisant et fournissant des services. Un modèle de développement fondé sur une architecture de référence pour la conception d'applications ubiquitaires est proposée, fortement inspiré des recherches dans le domaine de l'informatique autonomique. Dans ce modèle, les applications sont prises en charge par une hiérarchie de gestionnaires autonomiques, qui appuient leurs décisions sur une représentation centrale du système. La mise en œuvre de cette contribution requiert de rendre la couche d'exécution sous-jacente plus réflexive, en vue de supporter de nouveaux types d'adaptations à l'exécution. Nous proposons également un modèle qui décrit le système à l'exécution et reflète sa dynamique de manière uniforme, suivant les principes du style d'architecture REST. Les applications reposant sur ce cette couche d'exécution réflexive et représentées par ce modèle sont qualifiées d'Autonomic-Ready. L'implantation de nos propositions ont été intégrées dans le modèle à composant orienté service Apache Felix iPOJO. Le modèle de représentation du système, nommé Everest, est publié en tant que sous-projet d'OW2 Chameleon. Ces propositions ont été évaluées et validées par la conception et l'exécution d'une application ubiquitaire sur iCASA, un environnement de développement et de simulation

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

Robusta (une approche pour la construction d'applications dynamiques)

Les domaines de recherche actuels, tels que l'informatique ubiquitaire et l'informatique en nuage (cloud computing), considèrent que ces environnements d exécution sont en changement continue. Les applications dynamiques, où les composants peuvent être ajoutés et supprimés pendant l'exécution, permettent à un logiciel de s'adapter et de s'ajuster à l'évolution des environnements, et de tenir compte de l évolution du logiciel. Malheureusement, les applications dynamiques soulèvent des questions de conception et de développement qui n'ont pas encore été pleinement explorées.Dans cette thèse, nous montrons que le dynamisme est une préoccupation transversale qui rompt avec un grand nombre d hypothèses que les développeurs d applications classiques sont autorisés à prendre. Le dynamisme affecte profondément la conception et développement de logiciels. S'il n'est pas manipulé correctement, le dynamisme peut silencieusement corrompre l'application. De plus, l'écriture d'applications dynamiques est complexe et sujette à erreur. Et compte tenu du niveau de complexité et de l impact du dynamisme sur le processus du développement, le logiciel ne peut pas devenir dynamique sans (de large) modification et le dynamisme ne peut pas être totalement transparent (bien que beaucoup de celui-ci peut souvent être externalisées ou automatisées).Ce travail a pour but d offrir à l architecte logiciel le contrôle sur le niveau, la nature et la granularité du dynamisme qui est nécessaire dans les applications dynamiques. Cela permet aux architectes et aux développeurs de choisir les zones de l'application où les efforts de programmation des composants dynamiques seront investis, en évitant le coût et la complexité de rendre tous les composants dynamiques. L'idée est de permettre aux architectes de déterminer l'équilibre entre les efforts à fournir et le niveau de dynamisme requis pour les besoins de l'application.Current areas of research, such as ubiquitous and cloud computing, consider execution environments to be in a constant state of change. Dynamic applications where components can be added, removed and substituted during execution allow software to adapt and adjust to changing environments, and to accommodate evolving features. Unfortunately, dynamic applications raise design and development issues that have yet to be fully addressed. In this dissertation we show that dynamism is a crosscutting concern that breaks many of the assumptions that developers are otherwise allowed to make in classic applications. Dynamism deeply impacts software design and development. If not handled correctly, dynamism can silently corrupt the application. Furthermore, writing dynamic applications is complex and error-prone, and given the level of complexity and the impact dynamism has on the development process, software cannot become dynamic without (extensive) modification and dynamism cannot be entirely transparent (although much of it may often be externalized or automated). This work focuses on giving the software architect control over the level, the nature and the granularity of dynamism that is required in dynamic applications. This allows architects and developers to choose where the efforts of programming dynamic components are best spent, avoiding the cost and complexity of making all components dynamic. The idea is to allow architects to determine the balance between the efforts spent and the level of dynamism required for the application's needs. At design-time we perform an impact analysis using the architect's requirements for dynamism. This serves to identify components that can be corrupted by dynamism and to at the architect's disposition render selected components resilient to dynamism. The application becomes a well-defined mix of dynamic areas, where components are expected to change at runtime, and static areas that are protected from dynamism and where programming is simpler and less restrictive. At runtime, our framework ensures the application remains consistent even after unexpected dynamic events by computing and removing potentially corrupt components. The framework attempts to recover quickly from dynamism and to minimize the impact of dynamism on the application. Our work builds on recent Software Engineering and Middleware technologies namely, OSGi, iPOJO and APAM that provide basic mechanisms to handle dynamism, such as dependency injection, late-binding, service availability notifications, deployment, lifecycle and dependency management. Our approach, implemented in the Robusta prototype, extends and complements these technologies by providing design and development-time support, and enforcing application execution consistency in the face of dynamism.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Adaptation autonomique d'applications pervasives dirigée par les architectures

The autonomic adaptation of software application is becoming increasingly important in many domains, including pervasive field. Indeed, the integration fo different application resources (physical devices, services and third party applications) often needs to be dynamic and should adapt rapidly and automatically to changes in the execution context. To that end, service-oriented components offer support for adaptation at the architectural level. However, they do not allow the formalisation of all the design constraints that must be guaranteed during the execution of the system. To overcome this limitation, this thesis modeled the design, deployment and runtime architectures. Also, it proposes to establish links between them and has developed algorithms to check the validity of an execution architecture with respect to its architectural design. This led us to consider the entire life cycle of components and to define a set of concepts to be included in architectures supporting variability. This formalisation can be exploited both by a human administrator and by an autonomic manager that has its knowledge base increased and structured. The implementation resulted in the realization of a knowledge base, providing a studio (Cilia IDE) for the design, deployment and supervision of dynamic applications, as well as an autonomic manager that can update the structure of pervasive applications. This thesis has been validated using a pervasive application called “Actimetry”, developed in the FUI~MEDICAL project.La problématique d'adaptation autonomique prend de plus en plus d'importance dans l'administration des applications modernes, notamment pervasives. En effet, la composition entre les différentes ressources de l'application (dispositifs physiques, services et applications tierces) doit souvent être dynamique, et s'adapter automatiquement et rapidement aux évolutions du contexte d'exécution. Pour cela, les composants orientés services offrent un support à l'adaptation au niveau architectural. Cependant, ils ne permettent pas d'exprimer l'ensemble des contraintes de conception qui doivent être garanties lors de l'exécution du système. Pour lever cette limite, cette thèse a modélisé les architectures de conception, de déploiement et de l'exécution. De plus, elle a établi des liens entre celle-ci et proposé des algorithmes afin de vérifier la validité d'une architecture de l'exécution par rapport à son architecture de conception. Cela nous a conduits à considérer de près le cycle de vie des composants et à définir un ensemble de concepts afin de les faire participer à des architectures supportant la variabilité. Notons que cette formalisation peut être exploitée aussi bien par un administrateur humain, que par un gestionnaire autonomique qui voit ainsi sa base de connaissances augmentée et structurée. L'implantation a donné lieu à la réalisation d'une base de connaissance, mise à disposition d'un atelier (Cilia IDE) de conception, déploiement et supervision d'applications dynamiques, ainsi que d'un gestionnaire autonomique capable de modifier la structure d'une application pervasive. Cette thèse a été validée à l'aide d'une application pervasive nommée >, développée dans le cadre du projet FUI~MEDICAL

A model-based runtime environment for adapting communication systems

With increasing network sizes, mobility, and traffic, it becomes a challenging task to achieve goals such as continuously delivering a satisfying service quality. Self-adaptive approaches use feedback loops to adapt a managed resource at runtime according to changes in the execution context. Adding self-adaptive capabilities to communication systems-computer networks as well as supporting structures such as overlays or middleware-is a major research focus. However, making a communication system self-adaptive is a challenging task for communication system developers. First, the distributed nature of such systems requires the collection of monitoring information from multiple hosts and the adaptation of distributed components. Second, communication systems consist of heterogeneous components, which are, e.g., developed in different programming languages. Third, system developers typically lack knowledge about the development of self-adaptive systems. Hence, this work's overall goal is to allow system developers to focus on making a (legacy) communication system adaptive. Motivated by these observations, this thesis proposes a model-based runtime environment for adapting communication systems called REACT. In contrast to self-adaptation frameworks, which offer a standard way to build self-adaptive applications, we refer to REACT as a runtime environment, i.e., a platform that is additionally able to plan and execute adaptations based on user-specified adaptation behavior. REACT includes the support for decentralized adaptation logics and distributed systems, multiple programming languages, as well as tool support and assistance for developers. The developer support is achieved using model-based techniques for specifying the reconfiguration behavior of the adaptation logic. Also, this thesis proposes an easy-to-follow development process. As part of that, it is needed to monitor the reconfiguration behavior of the self-adaptive system. Hence, this work also presents two dashboard-based visualization approaches called CoalaViz and EnTrace for providing traceability of self-adaptive systems for system developers and administrators. This thesis follows a design science research methodology resulting in the design and implementation of the final artifacts. By that, this dissertation presents different REACT Loops, including specific ways to model and plan the adaptive behavior using satisfiability, mixed-integer linear programming, and constraint solvers. The prototypes of these approaches, including the two visualization solutions, are evaluated in multiple use cases. Therefore, this work provides an end-to-end solution for specifying the adaptive behavior, connecting a managed resource, deploying the system, as well as debugging and monitoring it

Kevoree (Model@Runtime pour le développement continu de systèmes adaptatifs distribués hétérogènes)

La complexité croissante des systèmes d'information modernes a motivé l'apparition de nouveaux paradigmes (objets, composants, services, etc), permettant de mieux appréhender et maîtriser la masse critique de leurs fonctionnalités. Ces systèmes sont construits de façon modulaire et adaptable afin de minimiser les temps d'arrêts dus aux évolutions ou à la maintenance de ceux-ci. Afin de garantir des propriétés non fonctionnelles (par ex. maintien du temps de réponse malgré un nombre croissant de requêtes), ces systèmes sont également amenés à être distribués sur différentes ressources de calcul (grilles). Outre l'apport en puissance de calcul, la distribution peut également intervenir pour distribuer une tâche sur des nœuds aux propriétés spécifiques. C'est le cas dans le cas des terminaux mobiles proches des utilisateurs ou encore des objets et capteurs connectés proches physiquement du contexte de mesure. L'adaptation d'un système et de ses ressources nécessite cependant une connaissance de son état courant afin d'adapter son architecture et sa topologie aux nouveaux besoins. Un nouvel état doit ensuite être propagé à l'ensemble des nœuds de calcul. Le maintien de la cohérence et le partage de cet état est rendu particulièrement difficile à cause des connexions sporadiques inhérentes à la distribution, pouvant amener des sous-systèmes à diverger. En réponse à ces défi scientifiques, cette thèse propose une abstraction de conception et de déploiement pour systèmes distribués dynamiquement adaptables, grâce au principe du Model@Runtime. Cette approche propose la construction d'une couche de réflexion distribuée qui permet la manipulation abstraite de systèmes répartis sur des nœuds hétérogènes. En outre, cette contribution introduit dans la modélisation des systèmes adaptables la notion de cohérence variable, permettant ainsi de capturer la divergence des nœuds de calcul dans leur propre conception. Cette couche de réflexion, désormais cohérente "à terme", permet d'envisager la construction de systèmes adaptatifs hétérogènes, regroupant des nœuds mobiles et embarqués dont la connectivité peut être intermittente. Cette contribution a été concrétisée par un projet nommé ''Kevoree'' dont la validation démontre l'applicabilité de l'approche proposée pour des cas d'usages aussi hétérogènes qu'un réseau de capteurs ou une flotte de terminaux mobiles.The growing complexity of modern IT systems has motivated the development of new paradigms (objects, components, services,...) to better cope with the critical size of their functionalities. Such systems are then built as a modular and dynamically adaptable compositions, allowing them to minimise their down-times while performing evolutions or fixes. In order to ensure non-functional properties (i.e. request latency) such systems are distributed across different computation nodes. Besides the added value in term of computational power (cloud), this distribution can also target nodes with dedicated properties such as mobile nodes and sensors (internet of things), physically close to users for interactions. Adapting a system requires knowledge about its current state in order to adapt its architecture to its evolving needs. A new state must be then disseminated to other nodes to synchronise them. Maintaining its consistency and sharing this state is a difficult task especially in case of sporadic connexions which lead to divergent state between sub-systems. To tackle these scientific problems, this thesis proposes an abstraction to design and deploy distributed adaptive systems following the Model@Runtime paradigm. From this abstraction, the proposed approach allows defining a distributed reflexive layer to manipulate heterogeneous distributed nodes. In particular, this contribution introduces variable consistencies in model definition and divergence in system conception. This reflexive layer, eventually consistent allows the construction of distributed adapted systems even on mobile nodes with intermittent connectivity. This work has been realized in an open source project named Kevoree, and validated on various distributed systems ranging from sensor networks to cloud computing.RENNES1-Bibl. électronique (352382106) / SudocSudocFranceF

Déploiement continue des applications pervasives en milieux dynamiques

Driven by the emergence of new computing environments, dynamically evolving software systems makes it impossible for developers to deploy software with human-centric processes. Instead, there is an increasing need for automation tools that continuously deploy software into execution, in order to push updates or adapt existing software regarding contextual and business changes. Existing solutions fall short on providing fault-tolerant, reproducible deployments that would scale on heterogeneous environments. This thesis focuses especially on enabling continuous deployment solutions for dynamic execution platforms, such as would be found in Pervasive Computing environments. It adopts an approach based on a transactional, idempotent process for coordinating deployment actions. The thesis proposes a set of deployment tools, including a deployment manager capable of conducting deployments and continuously adapting applications according to the changes in the current state of the target platform. The implementation of these tools, Rondo, also allows developers and administrators to code application deployments thanks to a deployment descriptor DSL. Using the implementation of Rondo, the propositions of this thesis are validated in several industrial and academic projects by provisioning frameworks as well as on installing application and continuous reconfigurations.L'émergence des nouveaux types d'environnements informatiques amplifie le besoin pour des systèmes logiciels d'être capables d'évoluer dynamiquement. Cependant, ces systèmes rendent très difficile le déploiement de logiciels en utilisant des processus humains. Il y a donc un besoin croissant d'outils d'automatisation qui permettent de déployer et reconfigurer des systèmes logiciels sans en interrompre l'exécution. Le processus de déploiement continu et automatisé permet de mettre à jour ou d'adapter un logiciel en exécution en fonction des changements contextuels et des exigences opérationnelles. Les solutions existantes ne permettent pas des déploiements reproductibles et tolérant aux pannes dans des environnements fluctuants, et donc requérant une adaptation continue. Cette thèse se concentre en particulier sur des solutions de déploiement continu pour les plates-formes d'exécution dynamiques, tels que celle utilisé dans les environnements ubiquitaires. Elle adopte une approche basée sur un processus transactionnel et idempotent pour coordonner les actions de déploiement. La thèse propose, également, un ensemble d'outils, y compris un gestionnaire de déploiement capable de mener des déploiements discret, mais également d'adapter les applications continuellement en fonction des changements contextuels. La mise en œuvre de ces outils, permet notamment aux développeurs et aux administrateurs de développer des déploiements d'applications grâce à un langage spécifique suivant les principes de l‘infrastructure-as-code. En utilisant l'implantation de Rondo, les propositions de cette thèse sont validées dans plusieurs projets industriels et académiques à la fois pour l'administration de plates-formes ubiquitaires ainsi que pour l'installation d'applications et leurs reconfigurations continues

Un système de collecte sécurisé et de gestion des données pour les réseaux de capteurs sans fils

Le développement des réseaux de capteurs sans fil fait que chaque utilisateur ou organisation est déjà connecté à un nombre important de nœuds. Ces nœuds génèrent une quantité importante de données, rendant la gestion de ces données non évident. De plus, ces données peuvent contenir des informations concernant la vie privée. Les travaux de la thèse attaquent ces problématiques. Premièrement, nous avons conçu un middleware qui communique avec les capteurs physiques pour collecter, stocker, traduire, indexer, analyser et générer des alertes sur les données des capteurs. Ce middleware est basé sur la notion de composants et de composites. Chaque nœud physique communique avec un composite du middleware via une interface RESTFul. Ce middleware a été testé et utilisé dans le cadre du projet Européen Mobesens dans le but de gérer les données d'un réseau de capteurs pour la surveillance de la qualité de l'eau. Deuxièmement, nous avons conçu un protocole hybride d'authentification et d'établissement de clés de paires et de groupes. Considérant qu'il existe une différence de performance entre les noeuds capteur, la passerelle et le middleware, nous avons utilisé l'authentification basé sur la cryptographie basée sur les identités entre la passerelle et le serveur de stockage et une cryptographie symétrique entre les capteurs et les deux autres parties. Ensuite, le middleware a été généralisé dans la troisième partie de la thèse pour que chaque organisation ou individu puisse avoir son propre espace pour gérer les données de ses capteurs en utilisant le cloud computing. Ensuite, nous avons portail social sécurisé pour le partage des données des réseaux de capteursNowadays, each user or organization is already connected to a large number of sensor nodes which generate a substantial amount of data, making their management not an obvious issue. In addition, these data can be confidential. For these reasons, developing a secure system managing the data from heterogeneous sensor nodes is a real need. In the first part, we developed a composite-based middleware for wireless sensor networks to communicate with the physical sensors for storing, processing, indexing, analyzing and generating alerts on those sensors data. Each composite is connected to a physical node or used to aggregate data from different composites. Each physical node communicating with the middleware is setup as a composite. The middleware has been used in the context of the European project Mobesens in order to manage data from a sensor network for monitoring water quality. In the second part of the thesis, we proposed a new hybrid authentication and key establishment scheme between senor nodes (SN), gateways (MN) and the middleware (SS). It is based on two protocols. The first protocol intent is the mutual authentication between SS and MN, on providing an asymmetric pair of keys for MN, and on establishing a pairwise key between them. The second protocol aims at authenticating them, and establishing a group key and pairwise keys between SN and the two others. The middleware has been generalized in the third part in order to provide a private space for multi-organization or -user to manage his sensors data using cloud computing. Next, we expanded the composite with gadgets to share securely sensor data in order to provide a secure social sensor networkEVRY-INT (912282302) / SudocSudocFranceF