Nous avons étudié dans le cadre de cette thèse le design, la vérification et l'implémentation des systèmes à composants. Nous nous sommes intéressés en particulier aux formalismes exprimant des interactions complexes, dans lesquels les connecteurs servent non seulement au transfert de données mais également à la synchronisation entre composants. 1. DESIGN ET VÉRIFICATION Le design par contrat est une approche largement répandue pour développer des systèmes lorsque plusieurs équipes travaillent en parallèle. Les contrats représentent des contraintes sur les implémentations qui sont préservées tout au long du développement et du cycle de vie d'un système. Ils peuvent donc servir également à la phase de vérification d'un tel système. Notre but n'est pas de proposer un nouveau formalisme de spécification, mais plutôt de définir un ensemble minimal de propriétés qu'une théorie basée sur les contrats doit satisfaire pour permettre certains raisonnements. En cela, nous cherchons à séparer explicitement les propriétés spécifiques à chaque formalisme de spécification et les règles de preuves génériques. Nous nous sommes attachés à fournir des définitions suffisamment générales pour exprimer un large panel de langages de spécification, et plus particulièrement ceux dans lesquels les interactions sont complexes, tels que Reo ou BIP. Pour ces derniers, raisonner sur la structure du système est essentiel et c'est pour cette raison que nos contrats ont une partie structurelle. Nous montrons comment découle de la propriété nommée raisonnement circulaire une règle pour prouver la dominance sans composer les contrats, et comment cette propriété peut être affaiblie en utilisant plusieurs relations de raffinement. Notre travail a été motivé par les langages de composants HRC L0 et L1 définis dans le projet SPEEDS. 2. IMPLÉMENTATION Synthétiser un contrôleur distribué imposant une contrainte globale sur un système est dans le cas général un problème indécidable. On peut obtenir la décidabilité en réduisant la concurrence: nous proposons une méthode qui synchronise les processus de façon temporaire. Dans les travaux de Basu et al., le contrôle distribué est obtenu en pré-calculant par model checking la connaissance de chaque processus, qui reflète dans un état local donné toutes les configurations possibles des autres processus. Ensuite, à l'exécution, le contrôleur local d'un processus décide si une action peut être exécutée sans violer la contrainte globale. Nous utilisons de même des techniques de model checking pour pré-calculer un ensemble minimal de points de synchronisation au niveau desquels plusieurs processus partagent leur connaissance au court de brèves périodes de coordination. Après chaque synchronisation, les processus impliqués peuvent de nouveau progresser indépendamment les uns des autres jusqu'à ce qu'une autre synchronisation ait lieu. Une des motivations pour ce travail est l'implémentation distribuée de systèmes BIP. / In this thesis, we have studied how component-based systems are designed, verified and then implemented. We have focused in particular on formalisms involving complex interactions, where connectors are not only used to transfer data but also play a role in the synchronization of components. 1. DESIGN AND VERIFICATION Contracts are emerging as a concept of choice when systems are designed by teams working independently. They are design constraints for implementations which are maintained throughout the development and life cycle of the system, thus being also useful for verification. Our goal is not to propose a new design framework but rather to define a minimal set of properties which a given contract theory should satisfy to offer some reasoning rules. In that sense, we aim at a separation of concerns between framework-dependent properties and generic proof rules. We have focused on finding definitions expressive enough to encompass a great variety of existing specification formalisms, and in particular those in which interaction is complex, like Reo and BIP. For those, reasoning about the structure of the system is essential and this is why our contracts have a structural part. We show how so-called circular reasoning entails a rule for proving dominance (refinement between contracts) without composing contracts and how it can be relaxed by combining several refinement relations. Our work has a practical motivation in the component frameworks HRC L0 and L1 defined in the SPEEDS IP project. 2. IMPLEMENTATION The problem of synthesizing a distributed controller that imposes some global constraint on a system is, in general, undecidable. One can achieve decidability at the expense of reducing concurrency: we propose a method that synchronizes processes temporarily. In Basu et al., distributed control is achieved by first using model checking to precalculate the knowledge of each process, which reflects in a given local state all the possible situations of the other processes. Then, at runtime, the local controller of a process decides whether an action of that process can be executed without violating the imposed constraint. We use model checking techniques as well to precalculate a minimal set of synchronization points, where joint knowledge, i.e., knowledge common to several processes, can be achieved during short coordination phases. After each synchronization, the participating processes can again progress independently until a further synchronization is called for. One practical motivation for this work is the distributed implementation of BIP systems.

Mit der steigenden Nachfrage nach Innovationen spielt Software in verschiedenenWirtschaftsbereichen eine wichtige Rolle, wie z.B. in der Automobilindustrie, bei intelligenten Systemen als auch bei Kommunikationssystemen. Daher ist die Qualität für die Softwareentwicklung von großer Bedeutung. Allerdings ändern sich die probabilistische Modelle (die Qualitätsbewertungsmodelle) angesichts der dynamischen Natur moderner Softwaresysteme. Dies führt dazu, dass ihre Übergangswahrscheinlichkeiten im Laufe der Zeit schwanken, welches zu erheblichen Problemen führt. Dahingehend werden probabilistische Modelle im Hinblick auf ihre Laufzeit kontinuierlich aktualisiert. Eine fortdauernde Neubewertung komplexer Wahrscheinlichkeitsmodelle ist jedoch teuer. In letzter Zeit haben sich inkrementelle Ansätze als vielversprechend für die Verifikation von adaptiven Systemen erwiesen. Trotzdem wurden bei der Bewertung struktureller Änderungen im Modell noch keine wesentlichen Verbesserungen erzielt. Wahrscheinlichkeitssysteme werden als Automaten modelliert, wie bei Markov-Modellen. Solche Modelle können in Matrixform dargestellt werden, um die Gleichungen basierend auf Zuständen und Übergangswahrscheinlichkeiten zu lösen. Laufzeitmodelle wie Matrizen sind nicht signifikant, um die Auswirkungen von Modellveränderungen erkennen zu können. In dieser Arbeit wird ein Framework unter Verwendung stochastischer Bäume mit regulären Ausdrücken entwickelt, welches modular aufgebaut ist und eine aktionshaltige sowie probabilistische Logik im Kontext der Modellprüfung aufweist. Ein solches modulares Framework ermöglicht dem Menschen die Entwicklung der Änderungsoperationen für die inkrementelle Berechnung lokaler Änderungen, die im Modell auftreten können. Darüber hinaus werden probabilistische Änderungsmuster beschrieben, um eine effiziente inkrementelle Verifizierung, unter Verwendung von Bäumen mit regulären Ausdrücken, anwenden zu können. Durch die Bewertung der Ergebnisse wird der Vorgang abgeschlossen. / Software plays an innovative role in many different domains, such as car industry, autonomous and smart systems, and communication. Hence, the quality of the software is of utmost importance and needs to be properly addressed during software evolution. Several approaches have been developed to evaluate systems’ quality attributes, such as reliability, safety, and performance of software. Due to the dynamic nature of modern software systems, probabilistic models representing the quality of the software and their transition probabilities change over time and fluctuate, leading to a significant problem that needs to be solved to obtain correct evaluation results of quantitative properties. Probabilistic models need to be continually updated at run-time to solve this issue. However, continuous re-evaluation of complex probabilistic models is expensive. Recently, incremental approaches have been found to be promising for the verification of evolving and self-adaptive systems. Nevertheless, substantial improvements have not yet been achieved for evaluating structural changes in the model. Probabilistic systems are usually represented in a matrix form to solve the equations based on states and transition probabilities. On the other side, evolutionary changes can create various effects on theese models and force them to re-verify the whole system. Run-time models, such as matrices or graph representations, lack the expressiveness to identify the change effect on the model. In this thesis, we develop a framework using stochastic regular expression trees, which are modular, with action-based probabilistic logic in the model checking context. Such a modular framework enables us to develop change operations for the incremental computation of local changes that can occur in the model. Furthermore, we describe probabilistic change patterns to apply efficient incremental quantitative verification using stochastic regular expression trees and evaluate our results.