Concevoir et mettre en oeuvre des méthodes pour la spécification, l'analyse et la vérification de logiciels et de systèmes sont les principaux moteurs des activités de recherche présentées dans ce manuscrit. Dans ce cadre, nos travaux se positionnent dans la catégorie dite des méthodes formelles appartenant à la communauté plus large du génie logiciel. A l'interface des travaux théoriques et applicatifs, notre objectif est de contribuer aux méthodes permettant d'assurer la correction et la sûreté des systèmes (fonctionnalité, sécurité, fiabilité, ...) en développant ou en améliorant des langages de spécification, des techniques et des outils permettant leur analyse formelle. Dans ce but, nous nous sommes attaché dans cette thèse à proposer et à étudier un cadre formel permettant la définition de politiques de sécurité et la vérification de leurs propriétés. A cet effet, nous avons proposé un cadre pour la spécification de politiques de sécurité basé sur une approche modulaire dans laquelle une politique est vue comme la composition d'un modèle de sécurité et d'une configuration. Nous avons investigué les possibilités offertes par de telles spécifications lorsque les modèles sont exprimés au moyen de contraintes du premier ordre et les configurations au moyen de programmes logiques. En particulier, nous avons proposé un algorithme permettant de transformer une politique exprimée dans un modèle donné vers une autre politique équivalente (au sens où elle engendre les mêmes autorisations) exprimée dans un autre modèle. Dans un second temps, nous nous sommes proposé de tenir compte des aspects dynamiques de la configuration d'une politique vue comme un état du système sur lequel la politique est mise en oeuvre et où chaque action est associée à une procédure de modification des états. Nous avons proposé un langage formel simple pour spécifier séparément les systèmes et les politiques de sécurité puis avons donné une sémantique des spécifications exprimées dans ce cadre sous la forme de systèmes de réécriture. Nous nous sommes ensuite attachés à montrer que les systèmes de réécriture obtenus permettent l'étude de propriétés de sécurité. Dans une troisième partie, nous nous sommes focalisé sur les mécanismes permettant la mise en oeuvre de politiques de sécurité dans les réseaux. Dans ce cadre, nous avons proposé une spécification des firewalls et de leurs compositions basée sur les automates d'arbres et les systèmes de réécriture puis avons montré en quoi ces spécifications nous permettent d'analyser de façon automatique les politiques de sécurité sous-jacentes. / Designing and applying formal methods for specifying, analyzing and verifying softwares and systems are the main driving forces behind the work presented in this manuscript. In this context, our activities fall into the category of formal methods belonging to the wider community of software engineering. At the interface between theoretical and applied research, our aim is to contribute to the methods ensuring the correction and the safety of systems (security, reliability, ...) by developing or by improving specification languages, techniques and tools allowing their formal analysis. In this purpose, we became attached in this thesis to propose and to study a formal framework allowing the specification of security policies and the verification of their properties. We first proposed a framework for specifying security policies based on a modular approach in which policies are seen as a composition of security models and configurations. We investigated the possibilities opened by such specifications when models are expressed by means of first order constraints and configurations by means of logical programs. In particular, we proposed an algorithm allowing the transformation of a security policy expressed in a given model towards another equivalent policy expressed in another model. Secondly, we suggested taking into account dynamic aspects of policy configurations which can be seen as states of the system on which the policy is applied and where each action is associated with a procedure of states modification. We proposed a simple formal language to specify separately systems and security policies and then gave a semantics of specifications expressed in this framework under the form of rewriting systems. We then attempted to show that the obtained rewriting systems allow the analysis of security properties. In the third part, we focused on mechanisms enforcing security policies in networks. In this context, we proposed a specification of firewalls and their compositions based on tree automata and rewriting systems and then showed how these specifications allow us to analyze in an automatic way the underlying security policies.

Ce document présente une méthode de dérivation automatique des spécifications algébriques vers un langage impératif. Par langage impératif nous désignons un langage de programmation ``traditionnel'' avec déclarations des variables (état) et dont les programmes sont des suites d'instructions qui modifient l'état. L'instruction caractéristique est l'affectation destructrice d'une valeur à une variable. Une spécification algébrique est composée de sortes, de constructeurs qui définissent l'ensemble des valeurs atteignables (que l'on peut dénoter), et d'opérateurs axiomatisés par des équations conditionnelles orientées. Nous définissons un lien d'implémentation entre les objets du domaine abstrait des spécifications algébriques et ceux du domaine concret des programmes impératifs. Ce lien permet de paramétrer la dérivation d'une spécification. L'implémentation des opérateurs respecte le choix de la forme de dérivation et celui de la bibliothèque importée. Elle résout les conflits d'accès aux variables et minimise les coûts en recopies de valeurs engendrées par le passage du fonctionnel à l'impératif. De manière analogue au lien d'implémentation entre une spécification algébrique et un programme impératif, nous définissons un lien d'implémentation dite abstraite entre les sortes et constructeurs de deux spécifications algébriques. Nous proposons pour les constructeurs, soit d'effectuer une dérivation systématique en un type de donnée impératif, soit de calculer les liens d'implémentation abstraite potentiels vers les sortes dont les implémentations des constructeurs sont réutilisables. Une méthode de transformation de la spécification algébrique est enfin proposée, qui favorise les modifications ``en-place'' de données, dans une variante de la méthode de dérivation précédente.

Les travaux de cette thèse s'inscrivent dans le cadre de la vérification des logiciels et plus particulièrement du test à partir de spécifications algébriques. La soumission d'un jeu de tests exhaustif pour trouver toutes les erreurs d'un programme est généralement impossible. Il faut donc sélectionner un jeu de tests le plus judicieusement possible. Nous avons donc donné une méthode de sélection de tests par dépliage des axiomes de spécifications conditionnelles positives (clauses de Horn pour la logique équationnelle). Celle-ci permet de partitionner le jeu exhaustif des tests. Nous utilisons pour cela un critère de sélection qui utilise les axiomes de la spécification et qui peut être appliqué plusieurs fois de suite. Pour garantir de bonnes propriétés sur ce critère de sélection, nous avons également donné un cadre général pour la normalisation d'arbre de preuve. Il fonctionne pour n'importe quel système formel, et permet d'unifier un grand nombre de résultats en logique.

Les spécifications formelles et la modélisation par objets sont considérés comme deux champs ayant un fort potentiel d'influence sur l'avenir du génie logiciel. Dans un premier temps, nous étudions cette affirmation en dégageant les caractéristiques essentielles du développement du logiciel. L'intersection des deux champs est un domaine nouveau et prometteur. Nous en étudions les différents variantes et nous synthétisons les choix faits dans les méthodes formelles à objets actuelles. Dans ce contexte, cette thèse propose une méthode de spécification et de conception de composants logiciels destinée à faciliter la formalisation, automatiser partiellement le processus de conception, permettre le contrôle et la réutilisation des classes avant implantation. L'accent est mis sur la séparation entre les niveaux de description pour clarifier le processus de conception et sur l'uniformisation à l'intérieur des niveaux de description pour assurer la cohérence. Deux modèles sont décrits. Le premier modèle, dit des types abstraits graphiques, définit les composants suivant un axe dynamique et suivant un axe fonctionnel. La modélisation dynamique, naturelle pour des objets est donnée en termes d'automates d'états finis gardés. Outre sa lisibilité, le modèle dynamique a pour intérêt majeur la construction guidée de spécifications algébriques, support de l'axe fonctionnel. Le second modèle, dit des classes formelles, est un modèle général, formel et abstrait pour la conception à objets. Basé sur les types abstraits algébriques, il permet le raisonnement abstrait et ma mise en oeuvre dans différents langages de programmation à objets. Les modèles présentés sont indépendants et sont adaptables dans d'autres méthodes de développement. Nous proposons une méthode de transition entre ces deux modèles, qui favorise le contrôle et la réutilisation des spécifications. Plusieurs outils d'écriture et de preuve sont communs aux deux modèles et nous insistons sur l'ouverture vers d'autres environnements de spécification.

Dans le but de faciliter la tâche d'évaluation du niveau de sécurité incendie aux ingénieurs et permettre aux spécialistes impliqués dans le domaine d'utiliser leurs langages et outils préférés, nous proposons de créer un langage dédié au domaine de la sécurité incendie générant automatiquement une simulation en prenant en considération les langages métiers utilisés par les spécialistes intervenants dans le domaine. Ce DSL nécessite la définition, la formalisation, la composition et l'intégration de plusieurs modèles, par rapport aux langages spécifiques utilisés par les spécialistes impliqués dans le domaine. Le langage spécifique dédié au domaine de la sécurité incendie est conçu par composition et intégration de plusieurs autres DSLs décrits par des langages techniques et naturels (ainsi que des langages naturels faisant référence à des langages techniques). Ces derniers sont modélisés de manière à ce que leurs composants soient précis et fondés sur des bases mathématiques permettant de vérifier la cohérence du système (personnes et matériaux sont en sécurité) avant sa mise en œuvre. Dans ce contexte, nous proposons d'adopter une approche formelle, basée sur des spécifications algébriques, pour formaliser les langages utilisés par les spécialistes impliqués dans le système de génération, en se concentrant à la fois sur les syntaxes et les sémantiques des langages dédiés. Dans l'approche algébrique, les concepts du domaine sont abstraits par des types de données et les relations entre eux. La sémantique des langages spécifiques est décrite par les relations, le mapping (correspondances) entre les types de données définis et leurs propriétés. Le langage de simulation est basé sur un langage conçu par la composition de plusieurs DSL spécifiques précédemment décrits et formalisés. Les différents DSLs sont implémentés en se basant sur les concepts de la programmation fonctionnelle et le langage fonctionnel Haskell bien adapté à cette approche. Le résultat de ce travail est un outil informatique dédié à la génération automatique de simulation, dans le but de faciliter la tâche d'évaluation du niveau de sécurité incendie aux ingénieurs. Cet outil est la propriété du Centre Scientifique et Technique du bâtiment (CSTB), une organisation dont la mission est de garantir la qualité et la sécurité des bâtiments, en réunissant des compétences multidisciplinaires pour développer et partager des connaissances scientifiques et techniques, afin de fournir aux différents acteurs les réponses attendues dans leur pratique professionnelle. / In order to facilitate the engineers task of evaluating the fire safety level, and to allow the specialists involved in the field to use their preferred languages and tools, we propose to create a language dedicated to the field of fire safety, which automatically generates a simulation, taking into account the specific languages used by the specialists involved in the field. This DSL requires the definition, the formalization, the composition and the integration of several models, regardig to the specific languages used by the specialists involved in the field. The specific language dedicated to the field of fire safety is designed by composing and integrating several other DSLs described by technical and natural languages (as well as natural languages referring to technical ones). These latter are modeled in a way that their components must be precise and based on mathematical foundations, in order to verify the consistency of the system (people and materials are safe) before it implementation. In this context, we propose to adopt a formal approach, based on algebraic specifications, to formalize the languages used by the specialists involved in the generation system, focusing on both syntaxes and semantics of the dedicated languages. In the algebraic approach, the concepts of the domain are abstracted by data types and the relationships between them. The semantics of specific languages is described by the relationships, the mappings between the defined data types and their properties. The simulation language is based on a composition of several specific DSLs previously described and formalized. The DSLs are implemented based on the concepts of functional programming and the Haskell functional language, well adapted to this approach. The result of this work is a software dedicated to the automatic generation of a simulation, in order to facilitate the evaluation of the fire safety level to the engineers. This tool is the property of the Scientific and Technical Center for Building (CSTB), an organization whose mission is to guarantee the quality and safety of buildings by combining multidisciplinary skills to develop and share scientific and technical knowledge, in order to provide to the different actors the expected answers in their professional practice.