Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'évolution des Systèmes d'Informations Géographiques (SIG) et de leur capacité à répondre à des problématiques environnementales qui s'expriment de manière globale et transversale. Dans un contexte ou l'information géographique est en plein essor et où la quantité de données disponible ne cesse de croitre, le besoin en terme d'outil d'aide a la décision n'a jamais été aussi fort. Cette étude s'attache tout particulièrement au cadre de la résolution de problématiques liées à l'eau et l'environnement lorsque les données deviennent trop volumineuses pour être traitées par des moyens de calculs séquentiels classiques. Nous proposons une plateforme de calculs répartis sur une grappe d'ordinateurs qui parallélise le calcul de la délimitation des bassins versants des grands fleuves et la détermination des flots d'accumulation. A cette fin nous introduisons une technique de calcul parallèle d'une forêt d'arbres couvrants minimums représentant le parcours de l'eau de chaque point du Modèle Numérique de Terrain (MNT) vers la mer. Cette technique débute par une délimitation des cuvettes (ensemble de points allant vers le même minimum local) contenues dans le MNT. Ensuite une hiérarchie de déversement des cuvettes les unes dans les autres est construite jusqu'à obtenir les bassins versants des fleuves. L'étude se poursuit par la description d'un algorithme parallèle pour le calcul très couteux des flots d'accumulation en chaque point du MNT. Enfin cette thèse présente une version ≪out-of-core≫ de nos algorithmes parallèles afin d'étendre la portée de nos travaux a des grappes de dimensions modestes qui ne peuvent pas charger en mémoire la totalité du MNT traite.

Les nouveaux systèmes ont souvent recours à une implémentation distribuée du logiciel, pour des raisons d'efficacité et à cause de l'emplacement physique de certains capteurs et actuateurs. S'assurer de la correction d'un logiciel distribué est difficile car cela impose de considérer tous les enchevêtrements possibles des actions exécutées par des processus distincts. Cette thèse propose une méthode pour générer, à partir d'un modèle d'application haut niveau, une implémentation distribuée correcte et efficace. Le modèle de l'application comporte des composants communiquant au moyen d'interactions multiparties avec priorités. L'exécution d'une interaction multipartie, qui correspond à un pas de la sémantique, change de façon atomique l'état de tous les composants participant à l'interaction. On définit une implantation distribuée comme un ensemble de processus communiquant par envoi de message asynchrone. La principale difficulté est de produire une implémentation correcte et efficace des interactions multiparties avec priorités, en utilisant uniquement l'envoi de message comme primitive. La méthode se fonde sur un flot de conception rigoureux qui raffine progressivement le modèle haut niveau en un modèle bas niveau, à partir duquel le code pour une plateforme particulière est généré. Tous les modèles intermédiaires apparaissant dans le flot sont exprimés avec la même sémantique que le modèle original. À chaque étape du flot, les interactions complexes sont remplacés par des constructions utilisant des interactions plus simples. En particulier, le dernier modèle obtenu avant la génération du code ne contient que des interactions modélisant l'envoi de message. La correction de l'implémentation est obtenue par construction. L'utilisation des interactions multiparties comme primitives dans le modèle de l'application permet de réduire très significativement l'ensemble des états atteignables, par rapport à un modèle équivalent mais utilisant des primitives de communication plus simples. Les propriétés essentielles du système sont vérifiées à ce niveau d'abstraction. Chaque transformation constituante du flot de conception est suffisamment simple pour être complètement formalisée et prouvée, en termes d'équivalence observationelle ou d'équivalence de trace entre le modèles avant et après transformation. L'implémentation ainsi obtenue est correcte par rapport au modèle original, ce qui évite une coûteuse vérification a posteriori. Concernant l'efficacité, la performance de l'implémentation peut être optimisée en choisissant les paramètres adéquats pour les transformations, ou en augmentant la connaissance des composants. Cette dernière solution requiert une analyse du modèle de départ afin de calculer la connaissance qui est réutilisée pour les étapes ultérieures du flot de conception. Les différentes transformations et optimisations constituant le flot de conception ont été implémentées dans le cadre de BIP. Cette implémentation a permis d'évaluer les différentes possibilités ainsi que l'influence des différents paramètres, sur la performance de l'implémentation obtenue avec plusieurs exemples. Le code généré utilise les primitives fournies par les sockets POSIX, MPI ou les pthreads pour envoyer des messages entre les processus.

Les études menées dans cette thèse portent sur le rôle des visages dans l'attention visuelle. Nous avons cherché à mieux comprendre l'influence des visages dans les vidéos sur les mouvements oculaires, afin de proposer un modèle de saillance visuelle pour la prédiction de la direction du regard. Pour cela, nous avons analysé l'effet des visages sur les fixations oculaires d'observateurs regardant librement (sans consigne ni tâche particulière) des vidéos. Nous avons étudié l'impact du nombre de visages, de leur emplacement et de leur taille. Il est apparu clairement que les visages dans une scène dynamique (à l'instar de ce qui se passe sur les images fixes) modifie fortement les mouvements oculaires. En nous appuyant sur ces résultats, nous avons proposé un modèle de saillance visuelle, qui combine des caractéristiques classiques de bas-niveau (orientations et fréquences spatiales, amplitude du mouvement des objets) avec cette caractéristique importante de plus haut-niveau que constitue les visages. Enfin, afin de permettre des traitements plus proches du temps réel, nous avons développé une implémentation parallèle de ce modèle de saillance visuelle sur une plateforme multi-GPU. Le gain en vitesse est d'environ 130x par rapport à une implémentation sur un processeur multithread.

La couche Infrastructure- as-a-Service (IaaS) de Cloud Computing offre un service de déploiement des images de machines virtuelles (VMIs) à la demande. Ce service fournit une plate-forme flexible pour les utilisateurs de cloud computing pour développer , déployer et tester leurs applications. Le déploiement d'une VMI implique généralement le démarrage de l'image, l'installation et la configuration des paquets de logiciels. Dans l'approche traditionnelle, lorsqu'un utilisateur de cloud demande une nouvelle plate-forme, le fournisseur de cloud sélectionne une image de modèle approprié pour cloner et déployer sur les nœuds de cloud. L'image de modèle contient des paquets de logiciel pré-installés. Si elle ne correspond pas aux exigences, alors elle sera personnalisée ou la nouvelle image sera créé à partir de zéro pour s'adapter à la demande. Dans le cadre de la gestion des services de cloud, l'approche traditionnelle face aux questions difficiles de la manipulation de la complexité de l'interdépendance entre les paquets de logiciel, mise à l'échelle et le maintien de l' image déployée à l'exécution. Les fournisseurs de cloud souhaitent automatiser ce processus pour améliorer la performance de processus d'approvisionnement des VMIs, et de donner aux utilisateurs de cloud plus de flexibilité pour la sélection ou la création des images appropriées, tout en maximisant les avantages pour les fournisseurs en termes de temps, de ressources et de coût opérationnel. Cette thèse propose une approche pour gérer l'interdépendance des paquets de logiciels, pour modéliser et automatiser le processus de déploiement VMIs, et pour soutenir la reconfiguration VMIS à l'exécution, appelée l'approche dirigée par les modèle (Model-Driven approach). Nous nous adressons particulièrement aux défis suivants: (1) la modélisation de la variabilité des configurations d'image de machine virtuelle , (2) la réduction la quantité de transfert de données à travers le réseau , (3) l'optimisation de la consommation d'énergie des machines virtuelles ; (4) la facilité à utiliser pour les utilisateurs de cloud; (5) l'automatisation du déploiement des VMIs; (6) le support de la mise à l'échelle et la reconfiguration de VMIS à l'exécution ; (7) la manipulation de la topologie de déploiement complexe des VMIs . Dans notre approche, nous utilisons des techniques d'ingénierie dirigée par les modèles pour modéliser les représentations d'abstraction des configurations de VMI, le déploiement et les processus de reconfiguration d'image de machine virtuelle. Nous considérons que les VMIS comme une gamme de produits et utiliser les modèles de caractère pour représenter les configurations de VMIs. Nous définissons également le déploiement , les processus de reconfiguration et leurs facteurs (par exemple: les images de machines virtuelles, les paquets de logiciel, la plate-forme, la topologie de déploiement, etc.) comme les modèles. D'autre part, l'approche dirigée par les modèles s'appuie sur les abstractions de haut niveau de la configuration de VMIs et le déploiement de VMIs pour rendre la gestion d'images virtuelles dans le processus d'approvisionnement pour être plus flexible et plus facile que les approches traditionnelles.

L'approche synchrone aux systèmes réactifs, où le temps global est une séquence d'instants discrets, a été proposée afin de faciliter la conception des systèmes embarqués critiques. Des systèmes synchrones sont souvent réalisés sur des architectures asynchrones pour des raisons de performance ou de contraintes physiques de l'application. Une répartition d'un système synchrone sur une architecture asynchrone nécessite des protocoles de communication et de synchronisation pour préserver la sémantique synchrone. En pratique, les protocoles peut avoir un coût important qui peut entrer en conflit avec les contraintes de l'application comme, par exemple, la taille de mémoire disponible, le temps de réaction, ou le débit global. L'approche quasi-synchrone utilise des composants synchrones avec des horloges indépendantes. Les composants communiquent par échantillonnage de mémoire partagée ou par des tampons FIFO. On peut exécuter un tel système de façon synchrone, où toutes les horloges avancent simultanément, ou de façon asynchrone avec moins de contraintes sur les horloges, sans ajouter des protocoles. Plus les contraintes sont relâchées, plus de comportements se rajoutent en fonction de l'entrelacement des tics des horloges. Dans le cas de systèmes flots de données, un comportement est différent d'un autre si les valeurs ou le cadencement ont changé. Pour certaines classes de systèmes l'occurrence des déviations est acceptable, tant que la fréquence de ces événements reste bornée. Nous considérons des limites dures sur la fréquence des deviations avec ce que nous appelons les exigences faiblement dures, par exemple, le nombre maximal d'éléments divergents d'un flot par un nombre d'éléments consécutifs. Nous introduisons des limites de dérive sur les apparitions relatives des paires d'événements récurrents comme les tics d'une horloge, l'occurrence d'une difference, ou l'arrivée d'un message. Les limites de dérive expriment des contraintes entre les horloges, par exemple, une borne supérieure de deux tics d'une horloge entre trois tics consécutifs d'une autre horloge. Les limites permettent également de caractériser les exigences faiblement dures. Cette thèse présente des analyses pour la vérification et l'inférence des exigences faiblement dures pour des programmes de flots de données synchrones étendu avec de la communication asynchrone par l'échantillonnage de mémoire partagée où les horloges sont décrites par des limites de dérive. Nous proposons aussi une analyse de performance des systèmes répartis avec de la communication par tampons FIFO, en utilisant les limites de dérive comme abstraction.

Bien qu'omniprésents dans notre société, les systèmes informatiques distribués de très grande taille restent extrêmement difficiles à étudier et à évaluer. Ils agrègent des millions d'éléments hétérogènes dans des hiérarchies complexes afin de fournir une puissance de traitement et de stockage toujours accrue. Ces artéfacts, parmi les plus complexes jamais construits, posent un défi méthodologique nouveau en architecture des systèmes informatiques : l'approche réductionniste visant à expliquer le système au travers des interactions entre ses parties ne suffit plus à appréhender la complexité de ces systèmes. L'approche expérimentale s'impose alors avec une force nouvelle. Ce document présente mes recherches sur la résolution pratique de ces problèmes méthodologiques. La plupart de ces travaux ont été implémentés dans l'environnement SimGrid. Cet instrument scientifique permet l'étude des performances des systèmes distribués au travers de simulations réalistes. La première partie présente nos contributions aux performances de SimGrid grâce entre autres à une nouvelle approche de parallélisation des simulateurs de DES (Discrete-Event Systems). La seconde partie détaille nos travaux pour faire converger l'étude des performances et celle de la correction des systèmes au sein du même environnement, au travers de l'intégration d'un model checker complet à SimGrid. Enfin, nous étendons dans la troisième partie le champ d'application de SimGrid à des applications réelles.

Pour assurer un niveau de coopération acceptable entre les diff érents utilisateurs, il faut prendre en considération certains critères. Nous pouvons diviser ces critères selon deux catégories : la première est visuelle/psychologique et elle est souvent liée à l'utilisateur. Il s'agit de comprendre les interactions de l'autre utilisateur : que fait-il ? Que va-t-il faire ? Sur quoi interagit-il ? ... Pour comprendre tout cela il faut assurer que l'utilisateur ait un certain niveau de conscience de tout ce qui évolue dans l'environnement. Cette conscience est la connaissance de l'état de l'environnement qui est assurée à travers des métaphores visuelles signi catives, d'où le facteur psycho-cognitif. La deuxième catégorie est technique et elle est liée au réseau. Pour garantir la mise à jour de l'évolution de l'environnement virtuel il faut assurer la transmission d'informations liées à cette évolution dans les meilleurs délais. L'assurance de la réception des mises-à-jour nécessite à son tour une qualité de service réseau jugée acceptable en terme de latence et de bande pas- sante. Qu'arrive-t-il si cette qualité de service est interrompue à un moment donné ? Quel est l'impact d'un problème au niveau réseau sur la coopéra- tion ? Jusqu'à quel point ? Cette thèse a pour objectif d'essayer de répondre à ces questions en mettant l'accent sur les conséquences indésirables d'un problème réseau sur les environne- ments virtuels coopératifs. Nous allons suivre le problème réseau dès le moment de son apparition au niveau de la couche de transport, et tout le long de son passage par les di érentes couches qui composent les environnements virtuels distribués. Ces couches comportent : la couche de communication, le noyau du support d'exécution d'environnements virtuels, et enfi n la couche applicative en relation directe avec l'utilisateur. Sur chaque niveau nous étudions les eff ets provoqués par le problème réseau et nous proposons des solutions.

Para lidar com a natureza exploratória da ciência e o processo dinâmico envolvido nas análises científicas, os sistemas de gerência de workflows dinâmicos são essenciais. Entretanto, workflows dinâmicos são considerados como um desafio em aberto, devido à complexidade em gerenciar o workflow em contínua adaptação, em tempo de execução, por eventos externos como a intervenção humana. Apoiar iterações dinâmicas é um passo importante na direção dos workflows dinâmicos uma vez que a interação entre o usuário e o workflow é iterativa. Porém, o apoio existente para iterações em workflows científicos é estático e não permite mudanças, em tempo de execução, nos dados do workflow, como critérios de filtros e margens de erro. Nesta tese, propomos uma abordagem algébrica para dar apoio a iterações centradas em dados em workflows dinâmicos. Propomos o conceito de linhagem da iteração de forma que a gerência dos dados de proveniência seja consistente com as interações com o workflow. A linhagem também possibilita que os cientistas interajam com os dados do workflow por meio de dois algoritmos implementados no sistema de workflows Chiron. Avaliamos a nossa abordagem utilizando workflows reais em ambientes de execução em larga escala. Os resultados mostram melhorias no tempo de execução de até 24 dias quando comparado com uma abordagem tradicional não iterativa. Realizamos consultas complexas aos resultados parciais ao longo das iterações do workflow. A nossa abordagem introduz uma sobrecarga de no máximo 3,63% do tempo de execução. O tempo para executar os algoritmos de interação também é menor que 1 milissegundo no pior cenário avaliado.

Le cloud computing a émergé au cours de la dernière décennie pour être largement adopté aujourd'hui dans plusieurs domaines de l'informatique. Il consiste à proposer des ressources axées, ou non, sur le marché sous forme de services qui peuvent être consommés de manière souple et transparente. Dans cette thèse, nous traitons le problème d'ordonnancement, un des enjeux majeurs du cloud. Selon la configuration de cloud ciblée, nous avons identifié trois niveaux d'ordonnancement : niveau service, niveau tâche et niveau machine virtuelle. Nous revisitons la modélisation du problème, la conception et l'implémentation des métaheuristiques multiobjectives pour chaque niveau d'ordonnancement du cloud. Les ordonnanceurs à base de métaheuristiques que nous proposons portent sur différents critères notamment la consommation d'énergie, les émissions de gaz à effet de serre, le profit et la qualité du service (coût et temps de réponse). Nous prouvons leur capacité d'adaptation aux contraintes du cloud en les intégrant au sein du gestionnaire de cloud OpenNebula. De plus, nos ordonnanceurs ont été largement expérimentés utilisant des configurations réalistes de cloud sur Grid'5000, en tant qu'infrastructure en tant que service (IAAS), et des scénarios concrets basés sur les instances et les tarifications d'Amazon EC2. Les résultats présentés montrent que les méthodes que nous proposons surpassent les approches l'ordonnancement existantes sur tous les critères cités précédemment.

L'étude de la qualité numérique est cruciale pour les codes industriels tels que ceux développés à EDF R&D. C'est d'autant plus important dans le contexte actuel où les simulations numériques sont faites sur des architectures pouvant exécuter des milliards d'opérations flottantes par seconde. Des études ont montré que la bibliothèque CADNA est un outil adapté à la validation numérique des codes industriels. Toutefois, CADNA ne peut être utilisée simplement sur des grands codes industriels, ces derniers faisant appel à des bibliothèques externes (MPI, BLACS, BLAS, LAPACK). Il est donc nécessaire de développer des extensions compatibles avec l'outil CADNA. L'implémentation de ces diverses extensions pose un problème de performance, la complexité algorithmique et la taille des logiciels de calcul numérique impliquant d'importants temps d'exécution. A titre d'exemple, l'implémentation directe de CADNA dans la routine de produit matriciel DGEMM des BLAS, introduit un surcoût supérieur à 1000 pour une matrice carrée de taille 1024. Les raisons de ce surcoût sont expliquées dans ce mémoire. Nous présentons également, à travers notre routine DgemmCADNA, la méthodologie pour réduire ce surcoût. Cette routine a permis de réduire ce surcoût d'un facteur 1100 à un facteur 35 par rapport à la version GotoBLAS. Une deuxième partie de notre travail a été consacrée à l'étude de la qualité numérique du code Telemac-2D. Pour valider entièrement le code, nous avons implémenté une extension de CADNA pour le standard MPI. Le débogage numérique à l'aide de CADNA a montré que plus de 30% des instabilités détectées apparaissent dans les produits scalaires. L'utilisation des algorithmes de produit scalaire compensé permet d'améliorer la précision des résultats sans dégrader les performances du code.