Systems-of-Systems (SoS) encompass diverse and independent systems that must cooperate with each other for performing a combined action that is greater than their individual capabilities. In parallel, architecture descriptions, which are the main artifact expressing software architectures, play an important role in fostering interoperability among constituents by facilitating the communication among stakeholders and supporting the inspection and analysis of the SoS from an early stage of its life cycle. The main problem addressed in this thesis is the lack of adequate architectural descriptions for SoS that are often built without an adequate care to their software architecture. Since constituent systems are, in general, not known at design-time due to the evolving nature of SoS, the architecture description must specify at design-time which coalitions among constituent systems are feasible at run-time. Moreover, as many SoS are being developed for safety-critical domains, additional measures must be placed to ensure the correctness and completeness of architecture descriptions. To address this problem, this doctoral project employs SoSADL, a formal language tailored for the description of SoS that enables one to express software architectures as dynamic associations between independent constituent systems whose interactions are mediated for accomplishing a combined action. To synthesize concrete architectures that adhere to one such description, this thesis develops a formal method, named Ark, that systematizes the steps for producing such artifacts. The method creates an intermediate formal model, named TASoS, which expresses the SoS architecture in terms of a constraint satisfaction problem that can be automatically analyzed for an initial set of properties. The feedback obtained in this analysis can be used for subsequent refinements or revisions of the architecture description. A software tool named SoSy was also developed to support the Ark method as it automates the generation of intermediate models and concrete architectures, thus concealing the use of constraint solvers during SoS design and development. The method and its accompanying tool were applied to model a SoS for urban river monitoring in which the feasibility of candidate abstract architectures is investigated. By formalizing and automating the required steps for SoS architectural synthesis, Ark contributes for adopting formal methods in the design of SoS architectures, which is a necessary step for obtaining higher reliability levels. / Sistemas-de-sistemas (SoS) englobam sistemas diversos e independentes que cooperam entre si para executar uma ação combinada que supera suas competências individuais. Em paralelo, descrições arquiteturais são artefatos que expressam arquiteturas de software, desempenhando no contexto de SoS um importante papel na promoção da interoperabilidade entre constituintes ao facilitar a comunicação entre interessados e apoiar atividades de inspeção e análise desde o início de seu ciclo de vida. O principal problema abordado nessa tese consiste na falta de descrições arquiteturais adequadas para SoS que estão sendo desenvolvidos sem um devido cuidado à sua arquitetura de software. Uma vez que os sistemas constituintes não são necessariamente conhecidos em tempo de projeto devido à natureza evolucionária dos SoS, a descrição arquitetural precisa definir em tempo de projeto quais coalisões entre sistemas constituintes são possíveis em tempo de execução. Como muitos desses sistemas são desenvolvidos para o domínio crítico de segurança, medidas adicionais precisam ser adotadas para garantir a correção e completude da descrição arquitetural. Visando tratar esse problema, esse projeto de doutorado emprega SosADL, uma linguagem formal criada especialmente para o domínio de SoS que permite expressar arquiteturas de software como associações dinâmicas entre sistemas independentes em que as interações devem ser mediadas para desempenhar uma ação conjunta. Em particular, é proposto um novo método formal, denominado Ark, para sistematizar os passos necessários na síntese de arquiteturas concretas aderentes a essa descrição. Para isso, o método cria um modelo formal intermediário, denominado TASoS, que expressa a arquitetura do SoS em termos de um problema de satisfatibilidade de restrições, possibilitando desse modo a verificação automática de um conjunto inicial de propriedades. O resultado obtido por essa análise pode ser utilizado em refinamentos e revisões subsequentes da descrição arquitetural. Uma ferramenta de apoio denominada SoSy também foi desenvolvida para automatizar a geração de modelos intermediários e arquiteturas concretas, ocultando o uso de solucionadores de restrições no projeto e desenvolvimento de SoS. O método e sua ferramenta foram aplicados em um modelo de SoS para monitoramento de rios em áreas urbanas em que a viabilidade de arquiteturas abstratas foi investigada. Ao formalizar e automatizar os passos necessários para a síntese arquitetural de SoS, é possível adotar métodos formais no projeto arquitetural de SoS, que são necessários para alcançar níveis maiores de confiabilidade.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:teses.usp.br:tde-06022018-105449 |
| Date | 27 September 2017 |
| Creators | Milena Guessi Margarido |
| Contributors | Elisa Yumi Nakagawa, Paris Avgeriou, Itana Maria de Souza Gimenes, Flávio Oquendo, Carlos Enrique Cuesta Quintero, Claudia Maria Lima Werner |
| Publisher | Universidade de São Paulo, Ciências da Computação e Matemática Computacional, USP, BR |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP, instname:Universidade de São Paulo, instacron:USP |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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