In this dissertation, we present a novel foundational framework that lays out a theoretical underpinning for the emerging services science. The proposed framework provides disciplined and systematic support for efficient access to Web services' functionalities. The key components of the proposed framework centers around a novel service model that provides a formal abstraction of the Web services within an application domain. A service calculus and a service algebra are defined to facilitate users in accessing services via declarative service queries. We provide the implementation of the service algebra. This enables the generation of Service Execution Plans (SEPs) that can be used by users to directly access services. We present an optimization algorithm to efficiently select the SEPs with the best QoWS. We then propose a multi-objective optimization approach that releases users from the tedious weight assigning process. We develop service skyline computation techniques that return a set of most interesting SEPs. The service skyline guarantees to include the user desired SEPs. We further explore a set of novel heuristics for computing service skylines over sets of services. This enables users to efficiently and optimally access multiple services simultaneously as an integrated service package. Finally, we consider the performance fluctuation of service providers due to the dynamic service environment. We propose an uncertain QoWS model and a novel concept called p-dominant service skyline. We develop new indexing structures and algorithms to efficiently compute the p-dominant service skyline. We derive analytical models and conduct extensive sets of experiments to evaluate the proposed framework and service query optimization algorithms. / Ph. D.

Les Architectures Orientées Services (SOA) sont adoptées aujourd'hui par de nombreuses entreprises car elles représentent une solution flexible pour la construction d'applications distribuées. Une Application Basée sur des Services (SBA) peut se définir comme un workflow qui coordonne de manière dynamique l'exécution distribuée d'un ensemble de services. Les services peuvent être sélectionnés et intégrés en temps réel en fonction de leur Qualité de Service (QoS), et la composition de services peut être dynamiquement modifiée pour réagir à des défaillances imprévues pendant l'exécution. Les besoins des architectures orientées services présentent des similarités avec la nature: dynamicité, évolutivité, auto-adaptabilité, etc. Ainsi, il n'est pas surprenant que les métaphores inspirées par la nature soient considérées comme des approches appropriées pour la modélisation de tels systèmes. Nous allons plus loin en utilisant le paradigme de programmation chimique comme base de construction d'un middleware. Dans cette thèse, nous présentons un middleware "chimique'' pour l'exécution dynamique et adaptative de SBA. La sélection, l'intégration, la coordination et l'adaptation de services sont modélisées comme une série de réactions chimiques. Tout d'abord, l'instantiation de workflow est exprimée par une série de réactions qui peuvent être effectuées de manière parallèle, distribuée et autonome. Ensuite, nous avons mis en oeuvre trois modèles de coordination pour exécuter une composition de service. Nous montrons que les trois modèles peuvent réagir aux défaillances de type panne franche. Enfin, nous avons évalué et comparé ces modèles au niveau d'efficacité et complexité sur deux workflows. Nous montrons ainsi dans cette thèse que le paradigme chimique possède les qualités nécessaires à l'introduction de la dynamicité et de l'adaptabilité dans la programmation basée sur les services.