Sémantique opérationnelle des interactions pour la vérification d'exécutions partiellement observées de systèmes distribués

An operational semantics of interactions for verifying partially observed executions of distributed systems

• Auteur / Autrice : Erwan Mahe
• Direction : Pascale Le Gall, Christophe Gaston
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 15/07/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interfaces : matériaux, systèmes, usages (Palaiseau, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Mathématiques et informatique pour la complexité et les systèmes (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2006-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Stefan Haar
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xavier Urbain, Gwen Salaün, Delphine Longuet, Bernhard K. Aichernig, Yliès Carlo Falcone
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Xavier Urbain, Gwen Salaün

Mots clés

Mots clés contrôlés

Parallélisme (informatique)

Sémantique opérationnelle

Traitement réparti

Mots clés libres

Systèmes concurrents et distribués

Sémantique dénotationnelle et opérationnelle

Réécriture de terme

Analyse de logs distribués

Observation partielle

Exécution symbolique

Distributed and concurrent systems

Denotational and operational semantics

Term rewriting

Distributed log analysis

Partial observation

Symbolic execution

Résumé

Les interactions représentent des communications asynchrones dans un contexte distribué et sont associées à des diagrammes qui sont faciles à prendre en main tout en pouvant spécifier des comportements précis. Dans cette thèse nous formalisons ce type de modèles avec un Langage d'Interactions (LI) se présentant sous la forme d'une algèbre de termes incluant des opérateurs pour le séquencement strict et faible, la composition alternative et parallèle ainsi que quatre boucles distinctes.Notre LI est équipé d'une sémantique associant à chaque interaction un ensemble de traces (séquences d’événements) pouvant être exprimées. Nous proposons deux sémantiques dont nous avons prouvé l'équivalence. La première formulation dénotationnelle est donnée sous la forme d'un homomorphisme d'algèbres, donnant accès aux techniques de réécriture afin de définir des classes d'équivalence et des formes normales. Une seconde formulation, opérationnelle, permet diverses applications en vérification formelle.Les exécutions d'un système distribué peuvent être observées au travers de logs des événements de communication collectés localement. Sans horloge globale il n'est pas possible de réordonner ces événements globalement. Analyser une exécution revient donc à analyser un ensemble de traces qu'on appelle une multi-trace. De plus, sur chaque composante locale, il se peut que l'observation ait commencé trop tard ou ait cessé trop tôt. Ainsi, une multi-trace peut correspondre à une observation partielle d'une exécution. Tirant parti de la sémantique opérationnelle nous proposons des algorithmes d'analyse permettant d'identifier une multi-trace comme étant une observation d'un comportement spécifié par une interaction.Notre approche a été implémentée au sein d'un outil appelé HIBOU qui permet de spécifier et dessiner des interactions, d'explorer leur sémantiques, de calculer des formes normales ou d'analyser des multi-traces.Nous avons étendu notre LI pour inclure des données sous la forme de variables définies localement. Des gardes, expressions booléennes sur les variables, peuvent conditionner l'exécution d'actions et les messages peuvent porter des données exprimées à l'aide des variables. L'extension aux données a été implémentée en utilisant les techniques d'exécution symbolique. Cet outil étendu a été utilisé pour un cas d'usage industriel dans le cadre du projet FUI DisTA.

Interactions represent asynchronous communications in a distributed context and can be represented graphically in an intuitive manner while allowing the specification of precise scheduling policies for ordering events. In this thesis, we formalize such models as an Interaction Language (IL) taking the form of a term algebra which includes strict and weak sequencing, alternative and parallel composition and four semantically distinct loops to express nuances when repeating behaviors.This IL is equipped with a semantics associating a set of traces (sequences of events) to each interaction. A denotational formulation as a homomorphism allows the use of rewriting to define equivalence classes and normal forms. An operational formulation, proven equivalent to the first, allows further applications in formal verification.During the execution of a distributed system, communication logs might be collected locally. Without a global clock, events cannot be reordered globally. Hence analyzing an execution comes back to analyzing a set of local traces that we call a multi-trace. In addition one might start the observation too late or end it too early on any local component. As a result, a multi-trace might correspond to a partially observed execution. Taking advantage of the operational semantics we define algorithms for identifying multi-traces as being observations of behaviors specified by an interaction model.We have implemented our approach in a formal verification tool: HIBOU, which allows the specification and drawing of interactions, the exploration of their semantics, the computation of normal forms or the analysis of multi-traces.The IL can be extended to include data in the form of locally defined variables. Guards, formulated as Boolean expressions on variables can condition the execution of individual actions, while messages can carry data.This extension has also been implemented and we use symbolic execution to animate models and perform the analyses. An industrial case study has been carried out in the context of the DisTA FUI project.