Les travaux de cette thèse s'inscrivent dans le contexte général des réseaux logiciels, dits "Software-Defined Networking" (SDN). Ce paradigme récent est l'une des initiatives les plus notables pour rendre les réseaux actuels programmables ou, en d'autres termes, plus simple à configurer, à tester, à corriger et à faire évoluer. Dans un écosystème SDN, l'interface nord (Northbound API) est utilisée par l'administrateur réseaux pour définir ses politiques et programmer le plan de contrôle, elle représente donc un enjeu majeur. Idéalement, cette interface nord devrait permettre aux administrateurs de décrire, le plus simplement possible, des services réseaux et leurs interactions, plutôt que de spécifier comment et sur quels équipements physiques ils doivent être déployés. Des travaux existants montrent que cela peut être notamment réalisé grâce à des solutions de virtualisation de réseaux et des langages de programmation dédiés de haut niveau. L'objectif de ce travail de thèse est de proposer une nouvelle interface nord qui, d'une part, exploiterait la virtualisation de réseau et, d'autre part, exposerait ses services sous la forme d'un langage de programmation dédié. Actuellement, plusieurs langages intégrant des solutions de virtualisation de réseau existent. Néanmoins, nous pensons que les modèles d'abstraction qu'ils utilisent pour construire des réseaux virtuels restent inappropriés pour assurer des critères de simplicité, modularité et flexibilité des topologies virtuelles et des programmes de contrôle. Dans ce contexte, nous proposons un nouveau langage de contrôle de réseaux nommé AirNet. Ce dernier intègre un modèle d'abstraction dont la principale caractéristique est d'offrir une séparation nette entre les équipements de bordure (Edge) et de cœur de réseau (Fabric). Cette idée est bien connue et acceptée dans le domaine des architectures réseaux. L'originalité de notre contribution étant de faire remonter ce concept au niveau du plan de contrôle virtuel et non de le restreindre au seul plan physique. Ainsi, des frontières logiques entre les différents types de politiques existeront (fonctions de contrôle et de données vs. fonctions de transport), garantissant ainsi la modularité et la réutilisabilité de tout ou partie du programme de contrôle. De plus, dans l'approche proposée, la définition du réseau virtuel et des politiques peut être totalement dissociée de l'infrastructure physique cible, favorisant ainsi la portabilité des applications de contrôle. Une implémentation du langage AirNet a également été réalisée. Ce prototype inclut en particulier une bibliothèque des primitives et opérateurs du langage, ainsi qu'un hyperviseur qui assure la composition des politiques de contrôle sur un réseau virtuel, et leur transposition (mapping) sur l'infrastructure physique. Afin de s'appuyer sur des contrôleurs SDN existants, l'hyperviseur inclut des modules d'intégration des contrôleurs POX et RYU. Une validation expérimentale a été menée sur différents cas d'étude (filtrage, répartition de charge, authentification dynamique, limitation de bande passante, etc.) dont les résultats attestent de la faisabilité de la solution. Enfin, des mesures de performances ont montré que le surcoût apporté par cette nouvelle couche d'abstraction est parfaitement acceptable. / The work of this thesis falls within the general context of software-defined networking (SDN). This new paradigm is one of the most significant initiatives to enable networks programmability or, in other words, to make current networks easier to configure, test, debug and evolve. Within an SDN ecosystem, the Northbound interface is used by network administrators to define policies and to program the control plane, it thus represents a major challenge. Ideally, this northbound interface should allow administrators to describe, as simply as possible, network services and their interactions, rather than specifying how and on what physical device they need to be deployed. Current related works show that this can be partly achieved through virtualization solutions and high-level domain specific languages (DSL). The objective of this thesis is to propose a new Northbound interface which will, on the one hand, rely on network virtualization and, on the other hand, expose its services as a domain specific programming language. Currently, several languages that include network virtualization solutions exist. Nevertheless, we believe that the abstract models they are using to build virtual networks remain inadequate to ensure simplicity, modularity and flexibility of virtual topologies and control programs. In this context, we propose a new network control language named AirNet. Our language is built on top of an abstraction model whose main feature is to provide a clear separation between edge and core network devices. This concept is a well-known and accepted idea within the network designer community. The originality of our contribution is to lift up this concept at the virtual control plane, not limiting it solely at the physical plane. Thus, logical boundaries between different types of policies will exist (control and data functions vs. transport functions), ensuring modularity and reusability of the control program. Moreover, in the proposed approach, the definition of the virtual network and policies is totally dissociated from the target physical infrastructure, promoting the portability of control applications. An implementation of the AirNet language has also been done. This prototype includes in particular a library that implements the primitives and operators of the language, and a hypervisor that achieves the composition of the control policies on the virtual network, and their mapping on the physical infrastructure. In order to rely on existing SDN controllers, the hypervisor includes integration modules for the POX and RYU controllers. An experimental validation has been also conducted on different use cases (filtering, load balancing, dynamic authentication, bandwidth throttling, etc.), whose results demonstrate the feasibility of our solution. Finally, performance measurements have shown that the additional cost brought by this new abstraction layer is perfectly acceptable.

Testing is an important part of software development. It ensures that the developed product is of high standard and quality. Tieto frequently develops large complex systems which require comprehensive testing. Testing employs manually designed test cases. According to recent development within software testing it has been shown that design of test cases can be simplified with domain specific test languages (DSTL).     The thesis project is a research and development study in the field of software testing and has been performed at Tieto office in Karlstad. The project concerns the development of a DSTL and a suitable development environment based on the Eclipse Platform. The project evaluates the development of a domain specific test language using the tools Eclipse JDT, developed by Eclipse Foundation, and Xtext, developed by itemis AG. The experiment was evaluated by its functionality and integrability.     The project has shown promise in using a domain specific test language with a suitable development environment. The result and evaluation have shown that the subject shows promise, but needs further development if it is to be adapted within Tieto´s organization.

Aujourd'hui, les systèmes logiciels sont omniprésents. Parfois, les applications doivent fonctionner sur des dispositifs à ressources limitées. Toutefois, les applications nécessitent un support d'exécution pour faire face à de telles limitations. Cette thèse aborde le problème de la programmation pour créer des systèmes "conscient des ressources" supporté par des environnements d'exécution adaptés (MRTEs). En particulier, cette thèse vise à offrir un soutien efficace pour recueillir des données sur la consommation de ressources de calcul (par exemple, CPU, mémoire), ainsi que des mécanismes efficaces pour réserver des ressources pour des applications spécifiques. Dans les solutions existantes, nous trouvons deux inconvénients importants. Les solutions imposent un impact important sur les performances à l'exécution des applications. La création d'outils permettant de gérer finement les ressources pour ces abstractions est encore une tâche complexe. Les résultats de cette thèse forment trois contributions : Un cadre de surveillance des ressources optimiste qui réduit le coût de la collecte des données de consommation de ressources ; une méthodologie pour sélectionner les le support d'exécution des composants au moment du déploiement afin d’exécuter la réservation de ressources ; un langage pour construire des profileurs de mémoire personnalisées qui peuvent être utilisés à la fois au cours du développement des applications, ainsi que dans un environnement de production. / Software systems are more pervasive than ever nowadays. Occasionally, applications run on top of resource-constrained devices where efficient resource management is required ; hence, they must be capable of coping with such limitations. However, applications require support from the run-time environment to properly deal with resource limitations. This thesis addresses the problem of supporting resource-aware programming in execution environments. In particular, it aims at offering efficient support for collecting data about the consumption of computational resources (e.g., CPU, memory), as well as efficient mechanisms to reserve resources for specific applications. In existing solutions we find two important drawbacks. First, they impose performance overhead on the execution of applications. Second, creating resource management tools for these abstractions is still a daunting task. The outcomes of this thesis are three contributions: an optimistic resource monitoring framework that reduces the cost of collecting resource consumption data ; a methodology to select components' bindings at deployment time in order to perform resource reservation ; a language to build customized memory profilers that can be used both during applications' development, and also in a production environment.

Currently, there is lack of effective and scalable methods to specify and ana-lyze requirements specifications, and verify the behavioral models of embed-ded systems. Most embedded systems requirements are expressed in naturallanguage which is flexible and intuitive but frequently ambiguous, vague andincomprehensive. Besides to natural language, template-based requirementsspecification methods are used to specify requirements specifications (esp. insafety-critical applications), which reduce ambiguity and improves the com-prehensibility of the specifications. However, the template-based method areusually rigid due to the fixed structures of the templates. They also lack meta-models for extensibility, and template selection is challenging.In this thesis, we proposed a domain specific language for embedded sys-tems, called ReSA, which is constrained natural language but flexible enoughto allow engineers to use different constructs to specify requirements. Thelanguage has formal semantics in proportional logic and description logic thatenables non-trivial and rigorous analysis of requirements specification, e.g.,consistency checking, completeness of specifications, etc.Moreover, we propose a scalable formal verification of Simulink models,whichisusedtodescribethebehaviorofsystemsthroughcommunicatingfunc-tional blocks. In industry, Simulink is the de facto modeling and analysis en-vironment of embedded systems. It is also used to generate code automati-cally from special Simulink models for various hardware platforms. However,Simulink lacks formal approach to verify large and hybrid Simulink models.Therefore, we also propose a formal verification of Simulink models, repre-sented as stochastic timed automata, using statistical model checking, whichhas proven to scale for industrial applications.We validate our approaches on industrial use cases from the automotiveindustry. These includes Adjustable Speed Limiter (ASL) and Brake-By-Wire(BBW) systems from Volvo Group Trucks Technology, both safety-critical. / Verispec

Les technologies omniprésentes dans notre environnement intègrent désormais des éléments logiciels facilitant leur utilisation. Ces technologies offrent un vaste laboratoire d’expérimentation pour la recherche et en particulier pour l’informatique appliquée. Ces technologies sont un support évident pour rendre des services aux personnes dans leur vie quotidienne. Ces services concernent divers champs d’applications, chacun servant des objectifs spécifiques : confort,sécurité, accès à l’information ou encore assistance à la personne. Puisque les applications offrant ces services sont intimement liées aux besoins des utilisateurs, il est indispensable qu’elles s’adaptent facilement à leurs besoins. Une manière de répondre à ce défi est de proposer à l’utilisateur des outils pour programmer lui-même ses applications.Notre contribution consiste non seulement à définir un tel outil, sous la forme d’un langage visuel paramétré par un champ d’applications, mais aussi à proposer une méthodologie dont l’objectif est de guider un utilisateur dans la programmation d’applications à l’aide de ce langage. Cette méthodologie est dédiée à l’orchestration d’entités communicantes : elles représentent les technologies déployées dans nos environnements. Notre approche, associant une méthodologie à un langage, est accessible à un programmeur novice et suffisamment expressive pour traiter divers champs d’applications. Afin d’augmenter la confiance de l’utilisateur dans le développement de ses applications, nous étendons la méthodologie en proposant une approche de développement dirigée par la vérification de quelques propriétés. Cette vérification est permise par la sémantique du langage, formellement définie. / Networked technologies, omnipresent in our surroundings, have increasingly more computing power, offering interfaces to easily access their functionalities. These technologies offer a widetesting ground for research, especially in applied computer science. They form an evident assistive support to help people in their daily activities. Applications that address people needs arefound in various application areas, each related to specific goals : comfort, security, information management, or assisted-living.The goal of this thesis is to propose an approach that bridges the gap between a user requirements and the applications that satisfy them. To do so, we define Pantagruel, an expressive and accessible visual language that is parameterized by an application area. To further reconcile accessibility with expressiveness, we provide the user with a domain-specific methodology toguide the development of applications. This methodology draws a bridge between the user needs and the applications, and is strongly coupled with the language concepts. In doing so, satisfying the requirements and evolving the applications according to new requirements is facilitated. To increase the user confidence in using Pantagruel language, and because the applications aimat being seamlessly integrated in his everyday life, Pantagruel programs need to be reliable.To this end, we extend our methodology with a programming approach driven by properties.These properties can be verified using the language semantics, which is formally defined.

L'internet des objets vise à connecter des milliards d'objets physiques ainsi qu'à les rendre accessibles depuis le monde numérique que représente l'internet d'aujourd'hui. Pour ce faire, l'accès à ces objets sera majoritairement réalisé sans fil et sans utiliser d'infrastructures prédéfinies ou de normes spécifiques. Une telle technologie nécessite de définir et d'implémenter des nœuds radio intelligents capables de s'adapter à différents protocoles physiques de communication. Nos travaux de recherches ont consisté à définir un flot de conception pour ces nœuds intelligents partant de leur modélisation à haut niveau jusqu'à leur implémentation sur des cibles de types FPGA. Ce flot vise à améliorer la programmabilité des formes d'ondes par l'utilisation de spécification de haut niveau exécutables et synthétisables, il repose sur la synthèse de haut niveau (HLS pour High Level Synthesis) pour le prototypage rapide des briques de base ainsi que sur le modèle de calcul de types flot de données des formes d'ondes radio. Le point d'entrée du flot consiste en un langage à usage spécifique (DSL pour Domain Specific Language) qui permet de modéliser à haut niveau une forme d'onde tout en insérant des contraintes d'implémentation pour des architectures reconfigurables telles que les FPGA. Il est associé à un compilateur qui permet de générer du code synthétisable ainsi que des scripts de synthèse. La forme d'onde finale est composée d'un chemin de données et d'une entité de contrôle implémentée sous forme d'une machine d'état hiérarchique. / The Internet of Things (IoT) aims at connecting billions of communicating devices through an internet-like network. To this aim, the access to these things is expected to be performed via wireless technologies without using any predefined infrastructures or standards. This technology requires defining and implementing smart nodes capable to adapt to different radio communication protocols. In this thesis, we have defined a design methodology/flow, for such smart nodes, starting from their high-level specification down to their implementation in FPGA fabrics. This flow aims at improving the programmability of the waveforms by leveraging some high-level specifications. Thus, it relies on the High-Level Synthesis (HLS) for rapid prototyping of the waveforms functional blocks as well as the dataflow model of computation. Its entry point is Domain-Specific Language which enables modeling a waveform while inserting some implementation constraints for reconfigurable architectures such as the FPGAs. The flow is featured with a compiler which purpose is to produce some synthesis scripts and generate some RTL source code. The final waveform consists of a datapath and a control unit implemented as a Hierarchical Finite State Machine (HFSM).

Experts in a field regularly apply a defined set of rules or procedures to carry out a problem-solving task or analysis on a given problem. Often the problem can be represented as a computer model, be it mathematical, chemical, or physics based, and so on. It would certainly be advantageous for a domain expert who is not proficient in software development to express solutions to problems in a domain-specific notation that can be executed as a program. Many new ideas aim to make software development easier and shift the development role closer to the end-user. One such means of development is the use of a small, intuitive programming language called a Domain-Specific Language (DSL.) This dissertation examines a generic approach to constructing a Virtual Machine (VM) to provide the runtime semantics for a particular DSL. It proposes a generic, object-oriented framework, called a VM Framework, in which to build a VM by subtyping abstract instruction and environment classes that are part of the VM Framework. The subtyped classes constitute an environment and an interface called an instruction set architecture and the instructions can access and operate on the environment in a deterministic way to provide the runtime semantics of a DSL program. Both instruction classes and environment classes encapsulate functionality of an existing domain, represented programmatically as a namespace construct. The namespace is home to related classes that provide the various concepts inherent of a domain. These are concepts understood by a domain expert and in this dissertation it is shown how they are exposed as DSL constructs. With the use of compiler writing tools, a compiler can be created for a DSL that generates an appropriate instruction sequence that can be executed by the VM. The grammar of the DSL is shown to feature constructs that allow a domain expert to express concepts of the underlying domain in an intuitive manner. The dissertation details how a VM is configured for a specific set of instructions and an environment. Instruction sets and environments can be extended creating VMs with additional semantics for DSLs that are similar, or contain subsets of semantics of other DSLs. The languages are intended to be intuitive and it is shown using examples how a specific DSL program is mapped to an instruction sequence with the instruction set architecture and environment in mind. Comparative performance in relation to other DSL implementations, including a hard-coded approach of a VM and an interpreted approach are also provided. The VM Framework is proven to be most effective in rapidly prototyping a DSL for a particular problem domain. The dissertation also provides examples of DSLs such as a real-valued expression language and a scene description language that uses a ray-tracer for rendering geometric objects onto a canvas. It is shown how the scene description language is an extension to the real-valued expression language in terms of their underlying VMs. All DSL grammars are provided. / Dissertation (MSc (Computer Science))--University of Pretoria, 2007. / Computer Science / MSc / unrestricted

Face à l'augmentation de la taille et de la complexité des systèmeslogiciels, il convient de les décrire à un plus haut niveaud'abstraction (i.e., au-delà du code) avant de concrètement lesimplémenter. Toutefois, l'utilisation de ces descriptions de hautniveau dans les processus de construction et de vérification dessystèmes reste très rudimentaire, ne permettant pas de véritablementguider et faciliter le développement logiciel. Cette thèse propose une nouvelle approche pour rendre plus simple etplus sûr le développement de systèmes logiciels. Cette approche reposesur l'utilisation de langages dédiés et sur un couplage fort entre unecouche de spécification et d'architecture et une couched'implémentation. Elle consiste tout d'abord à décrire à un hautniveau d'abstraction différents aspects, à la fois fonctionnels et nonfonctionnels, d'un système dans la couche de spécification etd'architecture. Ces descriptions sont ensuite analysées et utiliséespour personnaliser la couche d'implémentation, afin de faciliter laconstruction et la vérification du système logiciel. Nous illustrons notre approche dans le domaine de l'informatiqueubiquitaire. À la suite d'une analyse complète du domaine, nous avonsconçu deux langages dédiés à l'orchestration d'objets communicants,Pantaxou et Pantagruel. / The sheer size and complexity of today's software systems posechallenges for both their programming and verification, making itcritical to raise the level of abstraction of software developmentbeyond the code. However, the use of high-level descriptions in thedevelopment process still remains rudimentary, improving and guidingthis process marginally.This thesis proposes a new approach to making software developmentsimpler and safer. This approach is based on the use ofdomain-specific languages and a tight coupling between a specificationand architecture layer, and an implementation layer. It consists ofdescribing functional and non-functional aspects of a software systemat a high level of abstraction, using the specification andarchitecture layer. These high-level descriptions are then analyzedand used to customize the implementation layer, greatly facilitatingthe programming and verification of the software system.We have validated our approach in the domain of pervasive computingsystems development. From a complete domain analysis, we haveintroduced two domain-specific languages, Pantaxou and Pantagruel,dedicated to the orchestration of networked smart devices.

Dans les domaines critiques tels que l’avionique, le ferroviaire ou encore l’automobile, il faut, afin de pouvoir certifier un système, démontrer qu’il réalise la fonction pour laquelle il a été conçu, selon des exigences temporelles spécifiées. En effet, un rendu temporel trop long peut rendre des données erronées, et ainsi mettre en danger la sûreté des personnes. Aujourd’hui, la plupart des approches proposent d’assurer ces exigences de Qualité de service au niveau des couches basses, e.g., au travers d’une bande passante déterministe, d’allocation statique d’intervalles de temps, et d’un ordonnancement prédéfini. Ces contraintes assurent que les applications ne peuvent dépasser le temps d’exécution alloué ; les applications récupèrent de ce fait des exigences qui sont découplées de leur fonctionnalité. En revanche, il faut aussi pouvoir certifier des exigences temporelles spécifiques à une application. De là, les garanties au niveau des couches basses ne sont plus suffisantes. Il faudrait pouvoir prendre en compte ces exigences dès la phase de conception des applications. Aujourd’hui, la plupart des approches existant dans ce domaine se concentrent sur le support de QoS à des phases isolées du processus de développement logiciel, empêchant la traçabilité des exigences. Cette thèse propose une approche dirigée par la conception pour supporter les exigences de QoS tout au long du processus de développement logiciel, intégrée dans une méthodologie outillée, appelée DiaSuite. L’extension de QoS enrichit le langage de conception DiaSpec avec la capacité d’instancier les exigences de QoS sur les composants logiciels. Un support de surveillance à l’exécution de ces exigences temporelles est ensuite généré, directement à partir de la spécification. Cette thèse intègre uniformément les concepts temporels avec les concepts de gestion d’erreurs, au travers de la méthodologie DiaSuite, afin de proposer une couche de supervision qui puisse effectuer une reconfiguration applicative, dans le cas de violation de contrat de QoS. Les contributions de cette thèse sont évaluées au regard du respect des critères de cohérence et de conformité, illustrés au travers d’une étude de cas dans le domaine avionique. / In critical domains such as avionics, railways or automotive, to certify a system, it is required to demonstrate that it achieves its function, with respect to specified timing requirements. Indeed, longer-than-predicted function computing can make data erroneous, leading potentially to endanger people lives. Today, most approaches propose to ensure these Quality of Service requirements at platform level, e.g., through deterministic bandwidth, static time slots allocation and predefined scheduling. These constraints ensure applications can’t overpass allocated time slots; applications are then fed with requirements decoupled to their functionality. However, it shall be possible to certify timing requirements, dedicated to an application. Hence, guarantees at platform-level are not sufficient anymore. It should be possible to take into account these requirements from the stage of application design. Today, most of existing approaches in this domain, focus on supporting QoS at individual stages of the software development process, preventing requirements traceability. This thesis proposes a design-driven approach to supporting QoS throughout software development process, integrated in a tool-based methodology, namely DiaSuite. The QoS extension enriches the DiaSpec design language, with the capability to instantiate QoS requirements onto software components. A runtime execution support to monitoring these timing requirements, is then generated, directly from the specification. This thesis uniformly integrates timing concepts with error ones, around DiaSuite methodology, to propose a supervision layer that could lead to application reconfiguration in case of QoS contract violation. Contributions of this thesis are evaluated through respect of coherence and conformance critera, illustrated through a case study in avionics.

The adoption of Health Information Systems (HIS) by primary care clinics and practitioners has become a standard in the healthcare industry. This increase in HIS utilization enables the informatization and automation of many paper-based clinical workflows, such as clinical referrals, through systems interoperability. The healthcare industry defines several interoperability standards and mechanisms to support the exchange of data among HIS. For example, the health authorities, Interior Health and Northern Health, created the CDX system to provide interoperability for HIS across British Columbia using SOAP Web Services and HL7 Clinical Document Architecture (CDA) interoperability standards. The CDX interoperability allows HIS such as Electronic Medical Record (EMR) systems to exchange information with other HIS, such as patients clinical records, clinical notes and laboratory testing results. In addition, to ensure the EMR systems adhere to the CDX specification, these health authorities conduct conformance testing with the EMR vendors to certify the EMR systems. However, conformance testing can only cover a subset of the systems' specifications and a few use cases. Therefore, systems properties that are not closely associated with the systems (i.e. emergent properties) are hard, or even impractical, to assure using only conformance testing. System safety is one of these properties that are particularly significant for EMR systems because it deals with patient safety. A well-known approach for improving systems safety is through hazard analysis. For scenarios where the human factor is an essential part of the system, such as EMR systems, the System-Theoretic Process Analysis (STPA) is more appropriate than traditional hazard analysis techniques. In this work, we perform a hazard analysis using STPA on the CDX conformance profile in order to evaluate and improve the safety of the CDX system interoperability. In addition, we utilize and customize a tool named FASTEN to support and facilitate the analysis. To conclude, our analysis identified a number of new safety-related constraints and improved a few other already specified constraints. / Graduate