Les systèmes-de-systèmes (Systems-of-Systems, SoS) interconnectent plusieurs systèmes indépendants qui travaillent ensemble pour exécuter une action conjointe dépassant leurs compétences individuelles. Par ailleurs, les descriptions architecturales sont des artefacts qui décrivent des architectures logicielles jouant dans le contexte SoS un rôle important dans la promotion de l’interaction des éléments constituants tout en favorisant la communication parmi les intéressés et en soutenant les activités d’inspection et d’analyse dès le début de leur cycle de vie. Le principal problème traité dans cette thèse est le manque de descriptions architecturales adéquates pour les SoS qui sont développés sans l’attention nécessaire à leur architecture logicielle. Puisque les systèmes constituants ne sont pas forcément connus pendant la conception du projet à cause du développement évolutionnaire des SoS, la description architecturale doit définir à la conception même du projet quelles coalitions entre les systèmes constituants seront possibles pendant son exécution. En outre, comme plusieurs de ces systèmes sont développés pour le domaine critique de sécurité, des mesures supplémentaires doivent être mises en place pour garantir l’exactitude et la complétude de la description architecturale. Afin de résoudre ce problème, nous nous servons du SosADL, un langage formel créé spécialement pour le domaine SoS et qui permet de décrire les architectures logicielles comme des associations dynamiques entre systèmes indépendants où les interactions doivent être coordonnées pour réaliser une action combinée. Notamment, une nouvelle méthode formelle, nommée Ark, est proposée pour systématiser les étapes nécessaires dans la synthèse d’architectures concrètes obéissant à cette description. Dans ce dessein, cette méthode crée un modèle formel intermédiaire, nommé TASoS, qui décrit l’architecture du SoS en tant que problème de satisfaisabilité de restrictions, rendant ainsi possible la vérification automatique d’un ensemble initial de propriétés. Le résultat obtenu par cette analyse peut s’utiliser en raffinements et révisions ultérieurs de la description architecturale. Un outil logiciel nommé SoSy a été aussi développé pour automatiser la génération de modèles intermédiaires et d’architectures concrètes, en cachant l’utilisation de solveurs de contraintes dans le projet de SoS. Particulièrement, cet outil intègre un environnement de développement plus important et complet pour le projet de SoS. Cette méthode et son outil ont été appliqués dans un modèle de SoS de surveillance de rivières urbaines où la faisabilité d’architectures abstraites a été étudiée. En formalisant et en automatisant les étapes requises pour la synthèse architecturale de SoS, Ark contribue à l’adoption de méthodes formelles dans le projet d’architectures SoS, ce qui est nécessaire pour atteindre des niveaux plus élevés de fiabilité. / 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.

Les architectures logicielles ont un rôle important dans le développement de systèmes à logiciel prépondérant afin de permettre la satisfaction tant des exigences fonctionnelles que des exigences extra-fonctionnelles. En particulier, les architectures logicielles dynamiques ont émergé pour faire face aux caractéristiques des systèmes contemporains qui opèrent dans des environnements dynamiques et par conséquent susceptibles de changer en temps d’exécution. Les langages de description architecturale (ADLs) sont utilisés pour représenter les architectures logicielles en produisant des modèles qui peuvent être utilisés pendant la conception ainsi que l’exécution. Cependant, la plupart des ADLs existants sont limités sur plusieurs facettes : (i) ils ne décrivent que les aspects structurels, topologiques de l’architecture ; (ii) ils ne fournissent pas un support adéquat pour représenter les aspects comportementaux de l’architecture ; (iii) ils ne permettent pas de décrire des aspects avancés de la dynamique de l’architecture ; (iv) ils sont limités en ce qui concerne la vérification automatisée des propriétés et des contraintes architecturales ; et (v) ils sont déconnectés du niveau d’implémentation et entraînent souvent des incohérences entre l’architecture et l’implémentation. Pour faire face à ces problèmes, cette thèse propose un framework formel pour les architectures logicielles dynamiques. Ce framework comprend : (i) .-ADL, un langage formel pour décrire des architectures logicielles dynamiques sous les perspectives structurelles et comportementales ; (ii) la spécification des opérations de reconfiguration dynamique programmée ; (iii) la génération automatique de code source à partir des descriptions architecturales ; et (iv) une approche basée sur la vérification statistique pour exprimer et vérifier formellement des propriétés des architectures logicielles dynamiques. Les contributions principales apportées par le framework proposé sont quatre. Premièrement, le langage .-ADL a été doté de primitives de niveau architectural pour décrire des reconfigurations dynamiques programmées. Deuxièmement, les descriptions architecturales dans .-ADL sont transformées vers le code source d’implémentation dans le langage de programmation Go, en contribuant à minimiser les dérives architecturales. Troisièmement, une nouvelle logique appelée DynBLTL est utilisée pour exprimer formellement des propriétés dans les architectures logicielles dynamiques. Quatrièmement, un outil basé sur SMC a été développé pour automatiser la vérification des propriétés architecturales en cherchant à réduire l’effort, les ressources computationnelles, et le temps pour réaliser cette tâche. Dans ce travail, deux systèmes basés sur réseaux de capteurs sans fil sont utilisés pour valider les éléments du framework. / Software architectures play a significant role in the development of software-intensive systems in order to allow satisfying both functional and non-functional requirements. In particular, dynamic software architectures have emerged to address characteristics of the contemporary systems that operate on dynamic environments and consequently subjected to changes at runtime. Architecture description languages (ADLs) are used to represent software architectures, producing models that can be used at design time and/or runtime. However, most existing ADLs have limitations in several facets: (i) they are focused on structural, topological aspects of the architecture; (ii) they do not provide an adequate support for representing behavioral aspects of the architecture; (iii) they do not allow describing advanced aspects regarding the dynamics of the architecture; (iv) they are limited with respect to the automated verification of architectural properties and constraints; and (v) they are disconnected from the implementation level, thus entailing inconsistencies between architecture and implementation. In order to tackle these problems, this thesis proposes formally founded framework for dynamic software architectures. Such a framework comprises: (i) .-ADL, a formal language for describing software architectures under both structural and behavioral viewpoints; (ii) the specification of programmed dynamic reconfiguration operations; (iii) the automated generation of source code from architecture descriptions; and (iv) an approach based on statistical model checking (SMC) to formally express and verify properties in dynamic software architectures. The main contributions brought by the proposed framework are fourfold. First, the .-ADL language was endowed with architectural-level primitives for describing programmed dynamic reconfigurations. Second, architecture descriptions in .-ADL are translated towards implementation source code in the Go programming language, thereby contributing to minimize architectural drifts. Third, a novel logic, called DynBLTL, is used to formally express properties in dynamic software architectures. Fourth, a toolchain relying on SMC was built to automate the verification of architectural properties while striving to reduce effort, computational resources, and time for performing such a task. In this work, two wireless sensor network-based systems are used to validate the framework elements.