Context: Software-intensive systems have been increasingly interoperated forming alliances termed as Systems-of-Systems (SoS). SoS comprises a collection of systems joined to achieve a set of missions that none of the systems can accomplish on its own. Each constituent system keeps its own management, goals, and resources while coordinating within the SoS and adapting to meet SoS goals. Applications of SoS range from traffic control to emergency response and crisis management. As SoS often support critical domains, such systems must be correct by dealing with malfunction or defects and avoiding failures that could cause extensive damage and losses to the users. Problem: Correct SoS operations depend on a precise specification and a rigorous attestation of its operational consistency. However, besides limitations on languages to jointly capture SoS structure and behavior, predictions on the SoS operational consistency rely on constituent systems not totally known at design-time. Therefore, SoS have been developed and deployed without evaluating their operations, since current languages do not support such precision in evaluation. Objectives: This thesis provides solutions founded on a formal architectural description language to support an early evaluation of SoS operation regarding SoS structure and behavior by means of simulations. Contribution: The main contributions of this project comprise (i) a model transformation approach for automatically producing simulation models from SoS software architecture descriptions, combining SoS structure and behavior description in a same solution, (ii) a SoS software architecture evaluation method for SoS operation prediction considering the inherent changes that can occur, (iii) environment modelling and automatic generation of stimuli generators to sustain the SoS simulation, delivering data to feed such simulation, and (iv) a method for the automatic synchronization between the runtime descriptive architecture (changed at runtime due to dynamic architecture) and its original prescriptive architecture based on model discovery and recovery mechanisms and a backward model transformation. Evaluation: We conducted case studies to assess our solutions using Flood Monitoring SoS and Space SoS. Results: Our solutions support a high accuracy to (i) produce fault-free and fully operational simulations for SoS software architectures, (ii) support evaluation and prediction of SoS operation at design-time, (iii) automatically generate stimuli generators to sustain and feed the simulation execution, and (iv) maintain the synchronization between the runtime architecture and the intended version of the SoS architecture. Conclusions: We concluded that the proposed solutions advance the state of the art in SoS software architecture evaluation by offering solutions to predict the SoS operations effectiveness to maintain a continuous operation despite architectural changes, providing more trust for users that futurely shall rely on SoS services. / Contexto: Sistemas intensivos em software tem sido interoperados para formar alianças conhecidas como Sistemas-de-Sistemas (SoS). Domínios de aplicação de SoS variam do controle de tráfego ao gerenciamento de situações de crises e emergência. Devido à criticidade destes domínios, tais sistemas precisam ser confiáveis e robustos, lidando com potenciais defeitos e mal funcionamento, e evitando falhas que poderiam causar ameaças à integridade dos usuários. Problema: O funcionamento correto de um SoS depende da especificação precisa e da garantia rigorosa da consistência de suas operações. Entretanto, além das limitações nas linguagens quanto à especificação de ambos estrutura e comportamento do SoS, prever seu comportamento depende da especificação de constituintes que não são totalmente conhecidos em tempo de projeto e de seu comportamento emergente. Neste sentido, SoS têm sido desenvolvidos e implantados sem a devida avaliação de seus comportamentos, uma vez que as linguagens disponíveis atualmente não dão suporte a uma especificação precisa destes comportamentos. Objetivos: Este projeto de doutorado relata avanços teóricos e práticos fundamentados em uma linguagem de descrição arquitetural formal para permitir a predição e avaliação do comportamento e estrutura dos SoS com base em simulações. Contribuições: As principais contribuições deste projeto envolvem (i) uma transformação de modelos para produzir automaticamente modelos de simulação para descrições de arquitetura de software de SoS, combinando estrutura e comportamento em uma mesma solução, (ii) um método de avaliação de arquitetura de software de SoS para prever o comportamento do SoS considerando sua dinâmica inerente, (iii) modelagem do ambiente e derivação automática de geradores de estímulos entregando dados continuamente e sustentando a execução de simulações de SoS, e (iv) um método para promover a sincronização automática entre modelos descritivos e prescritivos de arquitetura de software de SoS baseados em mecanismos de descoberta e recuperação de modelos, e transformação de modelos reversa. Avaliação: Estudos de caso foram conduzidos para avaliar as soluções nos domínios de Monitoramento de Enchentes e Espacial. Resultados: As abordagens propostas exibem alta acurácia no que tange (i) a produzir simulações operacionais e sem falhas para arquiteturas de software de SoS, (ii) ao suporte á avaliação, ainda em tempo de projeto, do comportamento que emerge da operação do SoS, (iii) à derivação automática de geradores de estímulos para entrega contínua de dados e manutenção da execução das simulações geradas, e (iv) à manutenção do alinhamento entre os modelos descritivos e prescritivos da arquitetura do SoS avaliado. Conclusões: Conclui-se que as abordagens propostas avançam o estado da arte no projeto de arquiteturas de Software de SoS ao permitir prever, em tempo de projeto, como o SoS vai operar em tempo de execução, permitindo estabelecer estratégias para manter a simulação rodando, e sua operação contínua, mesmo com as mudanças arquiteturais inerentes ao seu funcionamento, provendo mais confiabilidade para os usuários futuramente dependerão de seus serviços.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-06072018-110150 |
| Date | 27 March 2018 |
| Creators | Graciano Neto, Valdemar Vicente |
| Contributors | Nakagawa, Elisa Yumi |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | English |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | Tese de Doutorado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Liberar o conteúdo para acesso público. |
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