Systems-of-Systems (SoS) encompass diverse and independent systems that must cooperate with each other for performing a combined action that is greater than their individual capabilities. In parallel, architecture descriptions, which are the main artifact expressing software architectures, play an important role in fostering interoperability among constituents by facilitating the communication among stakeholders and supporting the inspection and analysis of the SoS from an early stage of its life cycle. The main problem addressed in this thesis is the lack of adequate architectural descriptions for SoS that are often built without an adequate care to their software architecture. Since constituent systems are, in general, not known at design-time due to the evolving nature of SoS, the architecture description must specify at design-time which coalitions among constituent systems are feasible at run-time. Moreover, as many SoS are being developed for safety-critical domains, additional measures must be placed to ensure the correctness and completeness of architecture descriptions. To address this problem, this doctoral project employs SoSADL, a formal language tailored for the description of SoS that enables one to express software architectures as dynamic associations between independent constituent systems whose interactions are mediated for accomplishing a combined action. To synthesize concrete architectures that adhere to one such description, this thesis develops a formal method, named Ark, that systematizes the steps for producing such artifacts. The method creates an intermediate formal model, named TASoS, which expresses the SoS architecture in terms of a constraint satisfaction problem that can be automatically analyzed for an initial set of properties. The feedback obtained in this analysis can be used for subsequent refinements or revisions of the architecture description. A software tool named SoSy was also developed to support the Ark method as it automates the generation of intermediate models and concrete architectures, thus concealing the use of constraint solvers during SoS design and development. The method and its accompanying tool were applied to model a SoS for urban river monitoring in which the feasibility of candidate abstract architectures is investigated. By formalizing and automating the required steps for SoS architectural synthesis, Ark contributes for adopting formal methods in the design of SoS architectures, which is a necessary step for obtaining higher reliability levels. / Sistemas-de-sistemas (SoS) englobam sistemas diversos e independentes que cooperam entre si para executar uma ação combinada que supera suas competências individuais. Em paralelo, descrições arquiteturais são artefatos que expressam arquiteturas de software, desempenhando no contexto de SoS um importante papel na promoção da interoperabilidade entre constituintes ao facilitar a comunicação entre interessados e apoiar atividades de inspeção e análise desde o início de seu ciclo de vida. O principal problema abordado nessa tese consiste na falta de descrições arquiteturais adequadas para SoS que estão sendo desenvolvidos sem um devido cuidado à sua arquitetura de software. Uma vez que os sistemas constituintes não são necessariamente conhecidos em tempo de projeto devido à natureza evolucionária dos SoS, a descrição arquitetural precisa definir em tempo de projeto quais coalisões entre sistemas constituintes são possíveis em tempo de execução. Como muitos desses sistemas são desenvolvidos para o domínio crítico de segurança, medidas adicionais precisam ser adotadas para garantir a correção e completude da descrição arquitetural. Visando tratar esse problema, esse projeto de doutorado emprega SosADL, uma linguagem formal criada especialmente para o domínio de SoS que permite expressar arquiteturas de software como associações dinâmicas entre sistemas independentes em que as interações devem ser mediadas para desempenhar uma ação conjunta. Em particular, é proposto um novo método formal, denominado Ark, para sistematizar os passos necessários na síntese de arquiteturas concretas aderentes a essa descrição. Para isso, o método cria um modelo formal intermediário, denominado TASoS, que expressa a arquitetura do SoS em termos de um problema de satisfatibilidade de restrições, possibilitando desse modo a verificação automática de um conjunto inicial de propriedades. O resultado obtido por essa análise pode ser utilizado em refinamentos e revisões subsequentes da descrição arquitetural. Uma ferramenta de apoio denominada SoSy também foi desenvolvida para automatizar a geração de modelos intermediários e arquiteturas concretas, ocultando o uso de solucionadores de restrições no projeto e desenvolvimento de SoS. O método e sua ferramenta foram aplicados em um modelo de SoS para monitoramento de rios em áreas urbanas em que a viabilidade de arquiteturas abstratas foi investigada. Ao formalizar e automatizar os passos necessários para a síntese arquitetural de SoS, é possível adotar métodos formais no projeto arquitetural de SoS, que são necessários para alcançar níveis maiores de confiabilidade.

Systems-of-Systems (SoS) encompass diverse and independent systems that must cooperate with each other for performing a combined action that is greater than their individual capabilities. In parallel, architecture descriptions, which are the main artifact expressing software architectures, play an important role in fostering interoperability among constituents by facilitating the communication among stakeholders and supporting the inspection and analysis of the SoS from an early stage of its life cycle. The main problem addressed in this thesis is the lack of adequate architectural descriptions for SoS that are often built without an adequate care to their software architecture. Since constituent systems are, in general, not known at design-time due to the evolving nature of SoS, the architecture description must specify at design-time which coalitions among constituent systems are feasible at run-time. Moreover, as many SoS are being developed for safety-critical domains, additional measures must be placed to ensure the correctness and completeness of architecture descriptions. To address this problem, this doctoral project employs SoSADL, a formal language tailored for the description of SoS that enables one to express software architectures as dynamic associations between independent constituent systems whose interactions are mediated for accomplishing a combined action. To synthesize concrete architectures that adhere to one such description, this thesis develops a formal method, named Ark, that systematizes the steps for producing such artifacts. The method creates an intermediate formal model, named TASoS, which expresses the SoS architecture in terms of a constraint satisfaction problem that can be automatically analyzed for an initial set of properties. The feedback obtained in this analysis can be used for subsequent refinements or revisions of the architecture description. A software tool named SoSy was also developed to support the Ark method as it automates the generation of intermediate models and concrete architectures, thus concealing the use of constraint solvers during SoS design and development. The method and its accompanying tool were applied to model a SoS for urban river monitoring in which the feasibility of candidate abstract architectures is investigated. By formalizing and automating the required steps for SoS architectural synthesis, Ark contributes for adopting formal methods in the design of SoS architectures, which is a necessary step for obtaining higher reliability levels. / Sistemas-de-sistemas (SoS) englobam sistemas diversos e independentes que cooperam entre si para executar uma ação combinada que supera suas competências individuais. Em paralelo, descrições arquiteturais são artefatos que expressam arquiteturas de software, desempenhando no contexto de SoS um importante papel na promoção da interoperabilidade entre constituintes ao facilitar a comunicação entre interessados e apoiar atividades de inspeção e análise desde o início de seu ciclo de vida. O principal problema abordado nessa tese consiste na falta de descrições arquiteturais adequadas para SoS que estão sendo desenvolvidos sem um devido cuidado à sua arquitetura de software. Uma vez que os sistemas constituintes não são necessariamente conhecidos em tempo de projeto devido à natureza evolucionária dos SoS, a descrição arquitetural precisa definir em tempo de projeto quais coalisões entre sistemas constituintes são possíveis em tempo de execução. Como muitos desses sistemas são desenvolvidos para o domínio crítico de segurança, medidas adicionais precisam ser adotadas para garantir a correção e completude da descrição arquitetural. Visando tratar esse problema, esse projeto de doutorado emprega SosADL, uma linguagem formal criada especialmente para o domínio de SoS que permite expressar arquiteturas de software como associações dinâmicas entre sistemas independentes em que as interações devem ser mediadas para desempenhar uma ação conjunta. Em particular, é proposto um novo método formal, denominado Ark, para sistematizar os passos necessários na síntese de arquiteturas concretas aderentes a essa descrição. Para isso, o método cria um modelo formal intermediário, denominado TASoS, que expressa a arquitetura do SoS em termos de um problema de satisfatibilidade de restrições, possibilitando desse modo a verificação automática de um conjunto inicial de propriedades. O resultado obtido por essa análise pode ser utilizado em refinamentos e revisões subsequentes da descrição arquitetural. Uma ferramenta de apoio denominada SoSy também foi desenvolvida para automatizar a geração de modelos intermediários e arquiteturas concretas, ocultando o uso de solucionadores de restrições no projeto e desenvolvimento de SoS. O método e sua ferramenta foram aplicados em um modelo de SoS para monitoramento de rios em áreas urbanas em que a viabilidade de arquiteturas abstratas foi investigada. Ao formalizar e automatizar os passos necessários para a síntese arquitetural de SoS, é possível adotar métodos formais no projeto arquitetural de SoS, que são necessários para alcançar níveis maiores de confiabilidade.

Submitted by Nayara Passos (nayara.passos@ufpe.br) on 2015-03-12T14:23:54Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) TESE Leandro Marques do Nascimento.pdf: 4935348 bytes, checksum: 593ec08be509bd200bc5ec59fccb17d6 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-03-12T14:23:54Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) TESE Leandro Marques do Nascimento.pdf: 4935348 bytes, checksum: 593ec08be509bd200bc5ec59fccb17d6 (MD5) Previous issue date: 2014 / CNPq, INES / É possível se observar um alto crescimento no número de aplicações Web sendo desenvolvidas. Isto está acontecendo principalmente porque a Web está entrando em uma nova fase, chamada Web programável, onde diversos sistemas baseados na Web estão disponibilizando suas APIs publicamente. Com o objetivo de lidar com a complexidade dessa Web emergente, este trabalho define a noção de uma Máquina Social (Social Machine - SM) e vislumbra uma linguagem que permite descrever redes de tais máquinas. Para começar, nós definimos uma Máquina Social como sendo “um componente conectável e programável que encapsula (WI) um sistema de processamento de informação (IPS) e define um conjunto de serviços requeridos (RS) e providos (PS), dinamicamente disponível sob certas restrições (C), as quais são determinadas por, dentre outras coisas, seus relacionamentos (Rel) com terceiros”. Em outras palavras, uma SM é uma máquina conectada, normalmente à Web, que dinamicamente provê e/ou requer um conjunto de serviços de acordo com os seus relacionamentos estabelecidos. Qualquer aplicação na Web pode ser vista como uma SM. Para que seja possível a aplicação prática do conceito de Máquina Social previamente mencionado, nós definimos SMADL, uma linguagem para descrição arquitetural de SMs, como uma tentativa de ser uma forma completamente diferente de se programar a Web, misturando conceitos de linguagens de descrição arquitetural (ADLs) e linguagens específicas de domínio (DSLs). Como uma ADL, a linguagem permite a descrição de máquinas sociais (e redes de tais) em termos de relacionamentos (Rel) como abstrações de alto nível, sem a necessidade de se especificar os detalhes de comunicação (protocolos) e/ou métodos de autenticação. Como uma DSL, ela permite a criação e integração de serviços Web usando uma sintaxe de tipos dinâmicos, integrada à máquina virtual Java e à IDE Eclipse. Cada elemento do conceito de uma SM é diretamente mapeado na linguagem. Em poucas palavras, SMADL pode ser definida como uma linguagem dirigida a relacionamentos que pode ser usada para descrever interações entre qualquer número de máquinas de inúmeras formas, como um meio de representar máquinas interagindo na Web realmente e, obviamente, como um meio de representar interações com outras máquinas sociais também. Vários outros esforços já foram feitos para definir ADLs e alguns deles foram, de alguma forma, aplicados no domínio da Web. Entretanto, há uma clara falta de base fundamental que provenha abstrações de alto nível tais como o modelo de máquinas sociais provê. SMADL foi implementada em duas versões, uma textual e outra visual. Ambas as versões foram avaliadas através de um estudo de caso e uma pesquisa baseada na opinião de especialista e indicaram ser boas soluções para problemas práticos. / We are experiencing a high growth in the number of Web applications being developed. This is happening mainly because the Web is going into a new phase, called programmable Web, where several Web-based systems make their APIs publicly available. In order to deal with the complexity of this emerging Web, we define the notion of a Social Machine and envisage a language that can describe networks of such. To start with, we define a Social Machine (SM) as a “connectable and programmable building block that wraps (WI) an information processing system (IPS) and defines a set of required (RS) and provided services (PS), dynamically available under constraints (C) which are determined by, among other things, its relationships (Rel) with others”. In other words, a SM is a connected machine, usually to the Web, which dynamically provides and/or requires a set of services according to its established relationships. Any application in the Web can be seen as a SM. In order to make feasible the practical application of the aforementioned Social Machine concept, we define SMADL – the Social Machines Architecture Description Language – as an attempt to be a completely different way to program the Web, mixing concepts from Architecture Description Languages (ADLs) and Domain-Specific Languages (DSLs). As an ADL, it allows the description of Social Machines (and networks of such) in terms of relationships (Rel) as high-level abstractions, without the need to specify details of communication (protocols) and/or authentication methods. As a DSL, it allows the implementation and integration of Web services using a dynamically typed syntax, fully integrated to the Java Virtual Machine and Eclipse IDE. Every element of the SM concept is directly mapped into the language. In few words, SMADL can be defined as a relationship-driven language which can be used to describe the interactions between any number of machines in a multitude of ways, as a means to represent real machines interacting in the real Web and, obviously, as a means to represent interactions with other social machines too. Several other efforts have been done to define ADLs, and a few of them were someway applied to the Web domain. However, there is a clear lack of fundamental base to provide high-level abstractions that the Social Machine concept does. SMADL has been implemented in two versions, one textual and one visual. Both versions have been evaluated through a case study and an expert’s opinion survey and demonstrated to be good solutions for practical problems.