Dans notre travail nous nous sommes intéressés à la vérification<br /> automatique de propriétés comportementales d'applications réparties par des<br /> méthodes fondées sur les<br />modèles. En particulier, nous étudions le problème de<br />génération de modèles <br />à partir de programmes Java répartis et représentés par des systèmes de transitions<br />communiquants.<br /><br />Pour ce faire, nous définissons une sémantique comportementale de programmes ProActive, une<br />librairie Java pour la programmation parallèle, distribuée et<br />concurrente. À partir de cette sémantique nous construisons des modèles<br />comportementaux pour<br />des abstractions finies d'applications écrites dans ce langage. Ces<br />modèles sont basés sur la sémantique des algèbres de<br />processus et peuvent donc être construits de manière compositionnelle et<br />hiérarchique.<br />La construction de modèles finis n'est pas toujours possible. Pour<br />pouvoir traiter des problèmes prenant en compte des données, ainsi que<br />des problèmes concernant des topologies non bornées d'objets<br />répartis, nous définissons une nouvelle notion de modèleles<br />hiérarchiques, à base de systèmes de transitions paramétrés et de<br />réseau de synchronisation paramétrés. Moyennant des abstractions ces modèles permettent de<br />spécifier des applications possiblement infinies par des représentations<br />expressives, finies, et plus proche de la structure du code. <br />Par ailleurs, nous définissons un système de règles sémantiques<br />permettant de générer automatiquement ces modèles (finis ou<br />paramétrés) à partir d'une forme intermédiaire, obtenue par analyse statique,<br />des programmes analysés.<br />Les modèles ainsi générés sont exploitables directement ou après<br />instantiation par des outils de vérification.

Cette thèse est consacrée au problème de la vérification automatique des protocoles cryptographiques d'un point de vue logique et calculatoire.<br />Dans une première partie, nous abordons la sécurité des protocoles dans le cadre logique (formel). Nous montrons comment spécifier différentes propriétés de sécurité des protocoles (secret, authentification, <br />résistance aux attaques par dictionnaire) au moyen d'un langage de processus et comment les analyser de manière automatique pour un nombre borné de sessions.<br />La seconde partie traite de la justification cryptographique des modèles logiques. Nous nous intéressons ici à la notion d'équivalence statique, appliquée en particulier au chiffrement et aux données vulnérables aux attaques par dictionnaire (par ex. des mots de passe). Dans ce cadre, nous montrons que sous certaines conditions simples, toute preuve logique d'équivalence statique implique d'indistinguibilité cryptographique des données modélisées.

Qu'il s'agisse de téléphones portables ou de serveurs web, d'applets ou de paquets réseau, les systèmes matériels et logiciels sont contraints par des limitations sur les ressources telles que la mémoire, l'utilisation du disque ou les connexions au réseau. En particulier, il est nécessaire de contrôler l'allocation et la désallocation des ressources ainsi que le respect de protocoles, afin de prévenir les dépassements de capacité ou d'autres formes d'attaque ou d'accidents. Ce aspect, pourtant central dans la conception d'applications mobiles et communicantes, est ignoré par la majorité des algèbres de processus. Afin de contribuer à résoudre ce problème, nous avons étudié la notion de ressources. Nous avons formalisé cette notion dans le contexte de calculs conçus autour de la mobilité de sites, tels que les Mobile Ambients, ou de la mobilité de noms, comme le pi-calcul. Nous avons ainsi mis en évidence les mécanismes d'allocation et de désallocation de ressources et dégagé des méthodes pour prendre en compte les ressources et de les réutiliser intelligemment. De plus, les systèmes de types que nous avons conçus permettent de garantir statiquement qu'un système, au cours de son exécution, ne nécessitera pas plus de ressources qu'il n'est autorisé à en utiliser.

Nous présentons un système de retour arrière distribué basé sur le Calcul des Systèmes Communicants de Robin Milner. L'algèbre de pro- cessus réversible ainsi définie (RCCS) nous permet de poser les fondements théoriques du retour arrière dans un calcul concurrent. En particulier, étant donné un processus et un passé, nous montrons que RCCS permet de re- venir en arrière dans tout passé causalement équivalent. Nous exprimons aussi l'équivalence comportementale associée aux processus réversibles en utilisant une notion de bisimulation mettant en relation les traces causales des processus. Il en résulte une méthode de programmation déclarative de systèmes transactionnels qui peuvent être efficacement vérifiés à l'aide d'un algorithme basé sur des structures d'événements. Par l'intermédiaire d'une construction catégorique, nous montrons que cette méthode peut être géné- ralisée à une large classe de calculs concurrents.

Dans cette thèse, trois calculs de processus sont étudiés et appliqués à l'analyse de processus biologiques : une variante du π -calcul introduite ici, le Iπ-calcul; le κ-calcul de Danos et Laneve et sa variante à grain plus fin, le mκ-calcul; et les systèmes réactifs bigraphiques de Milner. Le manuscrit comporte trois parties. <br />Dans la première partie, nous modélisons la transduction du signal, et plus spécifiquement le processus d'activation de la protéine "ras". On introduit une nouvelle extension du π-calcul, le Iπ-calcul, pour modéliser ce processus biologique en présence d'aberrance. Le calcul est obtenu en ajoutant deux actions aberrantes au Iπ-calcul. Le Iπ-calcul, quoique déjà assez expressif pour exprimer l'aberrance, peut être encore précisé par l'introduction d'informations supplémentaires dans la syntaxe, soit sous forme de "tags" soit sous forme de types. Les tags sont plus intuitifs, mais ils introduisent de la redondance, qui est éliminée dans la présentation de cette information sous forme de types. Nous montrons l'équivalence entre les deux espèces de décoration. Le système de types / tags présenté ici est très rudimentaire, mais notre espoir est de l'enrichir pour intégrer des paramètres quantitatifs tels que la température, la concentration, etc... dans la modélisation des processus biologiques.<br />Dans la seconde partie, nous abordons d'un point de vue formel la question de l'auto-assemblage dans le κ-calcul, un langage de description d'interactions protéine-protéine. Nous définissons un sous-ensemble de règles de calcul réversibles nous permettant d'assurer un codage sans blocage du calcul "à gros grain" (le κ-calcul) dans un calcul "à grain fin" (le mκ-calcul). Nous prouvons la correction de cette simulation de manière interne (à l'aide des règles réversibles), améliorant ainsi les résultats de Danos et Laneve.<br />Enfin, dans une partie plus prospective, nous suggérons comment l'on peut utiliser les bigraphes pour modéliser et analyser les processus biologiques. Nous montrons d'abord commment coder l'exemple "ras" dans ce formalisme. Puis nous indiquons sur un exemple comment l'on peut traduire le κ--calcul dans les bigraphes.

Durant leur exécution, les systèmes concurrents manipulent diverses ressources dynamiques en nombre : fichiers, liens de communication, mémoire, etc. Les propriétés comportementales de ces systèmes sont alors étroitement liées aux manipulations de ces ressources qu'ils allouent, utilisent, puis détruisent. Nous proposons dans cette thèse une analyse quantitative, effectuée de manière statique, de ce type de ressources pour les systèmes concurrents et dynamiques. Les systèmes que l'on considère peuvent être des programmes concurrents et parallèles (le langage Piccolo développé dans le cadre de ce travail en est un exemple), ou encore la modélisation de systèmes plus généraux. Pour atteindre cette généricité, notre travail repose fortement sur les algèbres de processus, et plus particulièrement sur le pi-calcul pour lequel nous proposons une variante sémantique ainsi que plusieurs abstractions adaptées à l'observation des ressources en particulier. Le socle théorique de notre analyse est présenté sous la forme d'un nouveau type d'automates nominaux : les nu-automates. Ils permettent de raisonner spécifiquement sur les ressources dynamiques, tant pour caractériser les notions quantitatives de consommation en ressources que pour de futures analyses qualitatives. À partir de ce formalisme nous réalisons ensuite un ensemble d'algorithmes ayant pour but de mettre en oeuvre les résultats introduits sur les nu-automates. Enfin, nous proposons plusieurs expérimentations, sur la base d'exemples classiques du pi-calcul, de notre prototype d'analyse de ressources. / Concurrent activities involve undoubtedly many dynamic resources manupulations: files, communication links, memory, etc. Then, the behavioral properties of such systems are closely linked to their usage of those resources that they allocate, use, and finally destroy. In this work, we develop a quantitative static analysis of concurrent and parallel systems for this kind of resources. Systems that we consider can be concurrent and parallel programs (written for example in the Piccolo programming language which was developped during this thesis), or models descriptions of more general systems. To be generic, our work lies on process algebra, specifically pi-calculs for which we propose a variant semantics in addition to several resources abstractions strategies. The underlying theory is developped as a nominal automata framework (namely the nu-automata). They allow one to reason about dynamic resources usage to charaterize both quantitative and qualitative properties. From this formalism we establish an algorithmic framework that enforce the qualitative results defined on nu-automata. Finally, our resources abstractions and resources analysis are tested experimentally on classical pi-calculus examples using our prototype analysis tool.

La construction de programmes nécessite l'utilisation d'outils adaptés. Un outil particulier est le langage de programmation. Les langages logico-fonctionnels sont des langages de programmation dits déclaratifs qui se basent sur les notions mathématiques de fonction et de prédicat. Ce fondement théorique solide facilite à la fois la description d'un système à un niveau proche de la spécification ainsi que la validation de programmes. Néanmoins, les concepts sous-jacents aux langages logico-fonctionnels sont insuffisants pour la description aisée de systèmes complexes qui nécessitent l'interactivité, la concurrence et la distribution. Pour la modélisation de ces systèmes, la notion de processus a été introduite. Dans le contexte des algèbres de processus, un processus est caractérisé par les actions qu'il est capable d'exécuter. Cependant, les langages fondés uniquement sur les algèbres de processus doivent être étendus afin d'éviter le codage de fonctions et de prédicats en termes de processus. Dans cette thèse nous proposons un modèle de calcul qui intègre la programmation concurrente et déclarative. Nous suggérons de modéliser un système par un ensemble de composants. Chacun de ces composants comporte un programme déclaratif, appelé store, et un ensemble de processus interagissant par l'exécution d'actions. De plus, un composant peut contenir de nouvelles actions définissables par le programmeur. L'interaction entre composants est fondée sur le même principe, c.-à.-d. un processus peut exécuter des actions sur les stores des autres composants. Les différents composants d'un système peuvent utiliser des langages déclaratifs différents pour la description de leurs stores respectifs, ce qui nécessite la traduction des valeurs communiquées. Nous donnons une sémantique compositionnelle ainsi qu'une analyse de la confidentialité pour les processus d'un composant, et présentons les principes d'un prototype implanté

Dans cette thèse, nous proposons un langage formel, le gk-calcul, issu de la famille des algèbres de processus. Ce langage se distingue notamment des langages concurrents habituels par la rupture de la dissymétrie inhérente à la notion d'émetteur et de récepteur traditionnellement considérée. Cette rupture permet alors de voir les interactions entre les éléments du langage comme des phénomènes de collisions, approche bien adaptée aux questions d'auto-organisation qui font l'objet de la première partie de cette thèse.<br /><br />La question qui se pose est celle de la construction concurrente et décentralisée de formes géométriques abstraites (arbres et graphes) ainsi que de phénomènes plus génériques décrits sous forme de transfert d'information dans des systèmes à base de réécriture de graphes, éventuellement hiérarchisés dans l'optique d'une application à la biologie moléculaire. Cette première partie s'accompagne notamment d'une implémentation en Ocaml simulant un algorithme d'auto-assemblage de graphes.<br /><br />Dans un second temps, nous développons un sous-ensemble du langage présenté, en enrichissant une version restreinte aux interactions binaires avec une notion de membrane et d'interactions entre membranes. Ce nouveau langage se montre à même de décrire une biologie moléculaire simplifiée, qualitative, basée sur les interactions entre protéines et membranes. Cette partie de la thèse s'attache alors à montrer la valeur descriptive de ce langage sur quelques exemples et à explorer des définitions pertinentes d'équivalence entre solutions biologiques.

Nous nous intéressons à l'analyse des exigences de performabilité des systèmes communicants mobiles par model checking. Nous modélisons ces systèmes à l'aide d'un formalisme de haut niveau issu du π-calcul, permettant de considérer des comportements stochastiques, temporels, déterministes, ou indéterministes. Cependant, dans le π-calcul, la primitive de communication de base des systèmes est la communication en point-à-point synchrone. Or, les systèmes mobiles, qui utilisent des réseaux sans fil, communiquent essentiellement par diffusion locale. C'est pourquoi, dans un premier temps, nous définissons la communication par diffusion dans le π-calcul, afin de mieux modéliser les systèmes que nous étudions. Nous proposons d'utiliser des versions probabilistes et stochastiques de l'algèbre que nous avons défini, pour permettre des études de performance. Nous en définissons une version temporelle permettant de considérer le temps dans les modèles. Mais l'absence d'outils d'analyse des propriétés sur des modèles spécifiés en une algèbre issue du π-calcul est un obstacle majeur à notre travail. La définition de règles de traduction en langage PRISM, nous permet de traduire nos modèles, en modèles de bas niveau supports du model checking, à savoir des chaînes de Markov à temps discret, à temps continu, des automates temporisés, ou des automates temporisés probabilistes. Nous avons choisi l'outil PRISM car, à notre connaissance, dans sa dernière version, il est le seul outil à supporter les formalismes de bas niveau que nous venons de citer, et ainsi il permet de réaliser des études de performabilité complètes. Cette façon de procéder nous permet de pallier à l'absence d'outils d'analyse pour nos modèles. Par la suite, nous appliquons ces concepts théoriques aux réseaux de capteurs sans fil mobiles.

Les architectures des systèmes sur puce (System-on-Chip, SoC) actuelles intègrent de nombreux composants différents tels que les processeurs, les accélérateurs, les mémoires et les blocs d'entrée/sortie, certains pouvant contenir des caches. Vu que l'effort de validation basée sur la simulation, actuellement utilisée dans l'industrie, croît de façon exponentielle avec la complexité des SoCs, nous nous intéressons à des techniques de vérification formelle. Nous utilisons la boîte à outils CADP pour développer et valider un modèle formel d'un SoC générique conforme à la spécification AMBA 4 ACE récemment proposée par ARM dans le but de mettre en œuvre la cohérence de cache au niveau système. Nous utilisons une spécification orientée contraintes pour modéliser les exigences générales de cette spécification. Les propriétés du système sont vérifié à la fois sur le modèle avec contraintes et le modèle sans contraintes pour détecter les cas intéressants pour la cohérence de cache. La paramétrisation du modèle proposé a permis de produire l'ensemble complet des contre-exemples qui ne satisfont pas une certaine propriété dans le modèle non contraint. Notre approche améliore les techniques industrielles de vérification basées sur la simulation en deux aspects. D'une part, nous suggérons l'utilisation du modèle formel pour évaluer la bonne construction d'une unité de vérification d'interface. D'autre part, dans l'objectif de générer des cas de test semi-dirigés intelligents à partir des propriétés de logique temporelle, nous proposons une approche en deux étapes. La première étape consiste à générer des cas de tests abstraits au niveau système en utilisant des outils de test basé sur modèle de la boîte à outils CADP. La seconde étape consiste à affiner ces tests en cas de tests concrets au niveau de l'interface qui peuvent être exécutés en RTL grâce aux services d'un outil commercial de génération de tests dirigés par les mesures de couverture. Nous avons constaté que notre approche participe dans la transition entre la vérification du niveau interface, classiquement pratiquée dans l'industrie du matériel, et la vérification au niveau système. Notre approche facilite aussi la validation des propriétés globales du système, et permet une détection précoce des bugs, tant dans le SoC que dans les bancs de test commerciales. / State-of-the-art System-on-Chip (SoC) architectures integrate many different components, such as processors, accelerators, memories, and I/O blocks. Some of those components, but not all, may have caches. Because the effort of validation with simulation-based techniques, currently used in industry, grows exponentially with the complexity of the SoC, this thesis investigates the use of formal verification techniques in this context. More precisely, we use the CADP toolbox to develop and validate a generic formal model of a heterogeneous cache-coherent SoC compliant with the recent AMBA 4 ACE specification proposed by ARM. We use a constraint-oriented specification style to model the general requirements of the specification. We verify system properties on both the constrained and unconstrained model to detect the cache coherency corner cases. We take advantage of the parametrization of the proposed model to produce a comprehensive set of counterexamples of non-satisfied properties in the unconstrained model. The results of formal verification are then used to improve the industrial simulation-based verification techniques in two aspects. On the one hand, we suggest using the formal model to assess the sanity of an interface verification unit. On the other hand, in order to generate clever semi-directed test cases from temporal logic properties, we propose a two-step approach. One step consists in generating system-level abstract test cases using model-based testing tools of the CADP toolbox. The other step consists in refining those tests into interface-level concrete test cases that can be executed at RTL level with a commercial Coverage-Directed Test Generation tool. We found that our approach helps in the transition between interface-level and system-level verification, facilitates the validation of system-level properties, and enables early detection of bugs in both the SoC and the commercial test-bench.