Validation of reasoning engines an adaptation mechanisms for self-adaptive systems

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by  Freddy Munoz

Validation of reasoning engines an adaptation
mechanisms for self-adaptive systems
Freddy Munoz
To cite this version:
Freddy Munoz. Validation of reasoning engines an adaptation mechanisms for self-adaptive systems.
Software Engineering [cs.SE]. Université Rennes 1, 2010. English. ￿NNT: ￿. ￿tel-00538565￿
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No d’ordre : 4186 ANNÉE 2010
THÈSE / UNIVERSITÉ DE RENNES 1
sous le sceau de l’Université Européenne de Bretagne
pour le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE RENNES 1
Mention : Informatique
Ecole doctorale MATISSE
présentée par
Freddy Munoz
préparée à l’unité de recherche UMR 6074 IRISA
Institut de Recherche en Informatique et Systm`es Alátoires
Composante Universitaire : IFSIC
Thèse soutenue à Rennes
Validation of le 29 Septembre 2010
devant le jury composé de :
reasoning engines and Olivier RIDOUX
Professeur à l’Université de Rennes 1/président
adaptation mechanisms Yves LE TRAON
Professeur à l’Université de Luxembourg/examina-
teur
for self -adaptive systems Robert FRANCE
Professeur, Colorado State University/rapporteur
Franck BARBIER
Professeur à l’Université de Pau et des Pays de
l’Adour/rapporteur
Jean-Marc JÉZÉQUEL
Professeur à l’Université de Rennes 1/directeur de
thèse
Benoit BAUDRY
Chargé de Recherche, INRIA Rennes Bretagne At-
lantique/Encadrant de thèse
2
3
Con fe lo imposible soñar
al mal combatir sin temor
triunfar sobre el miedo invencible
en pie soportar el dolor
Amar la pureza sin par
buscar la verdad del error
vivir con los brazos abiertos
creer en un mundo mejor
Es mi ideal
la estrella alcanzar
no importa cuan lejos
se pueda encontrar
luchar por el bien
sin dudar ni temer
y dispuesto al infierno llegar si lo dicta el deber
Y yo sé
que si logro ser fiel
a mi sueño ideal
estará mi alma en paz al llegar
de mi vida el final
Será este mundo mejor
si hubo quien despreciando el dolor
combatió hasta el último aliento
Con fé lo imposible soñar
y la estrella alcanzar
El sueño imposible – Don Quijote de la Mancha
4
5
Remerciements
First, I would like to thank the members of my examination jury. My examiners Robert
France, Frank Barbier, and Yves Le-Traon, who where generous with their comments and
feedback on my research. I value your assessment and input to its improvement. Olivier
Rideaux for agreeing to preside over this thesis jury. I was flattered by the quality of the
jury,andgratefulfortheinsightoftheirfeedbackandquestions.Jean-MarcJézéquel,who
accepted to grant me the opportunity to work with Triskell and who directed this thesis. I
appreciate your trust on me and your leadership capabilities.
I must specially thank Benoit Baudry, who four years before accepted to advise. Thank
you for being my friend and letting me the free to drive my own ideas while advising me
where was better to go. Your thoughtful advise and friendship was and is a real guide to
me.
Je remercie les membres de l’équipe Triskell pour leur chaleureuse accueil et support
pendantsmesquatreannéesaveceux.Jevoudraisbienremerciermescollèguesdebureau
Cyril Faucher, Romain De-Lamaire, Gregory Nain et Juan Jose Cadavid; c’était un plaisir
partager un espace de travaille avec vous. Je voudrai aussi remercier Sagar Sen et Brice
Morin qui ont toujours étés disponibles pour des discussions enrichissantes sur nos études
et sur l’avenir de nos thèses. Je remercie aussi Loïc Lesage pour m’a aider quand j’avais
besoin d’une main avec les affaires administratives.
Finalmentedeboagradeceraaquellosquemehanapoyadodurantetodoestosaños,se
han alegrado con mis logros y no han dejado de creer en mis ideas. Mi esposa Constanza,
quienmedioapoyoincondicionalenestaaventura.Mispadres–FreddyyCynthia–ymis
hermanas quienes me siempre me han brindado su apoyo y confianza para cumplir mis
sueños.Mitíosquienesmebrindaronelapoyofundamentalparacomenzarlaempresaque
culminaconestatesis.Misabuelosquienescomomispadreshancreídoenmiscapacidades
ymehanapoyadoaseguiradelante.Finalmente,deboagradeceramisamigos–Leo,Daniel
y Juan Pablo–, quienes me apoyaron y entendieron los días de larga ocupación, aceptaron
tener largas fatigantes reuniones y nunca criticaron mis ausencias.
This thesis no only belong to me, but to all those who supported and encouraged me
to get here. Thank you all.
Per Ardua Ad Astra – Freddy Munoz

7
Contents
Remerciements 5
Sistèmes auto-adaptatives 11
0.1 Introduction generale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
0.2 Sistèmes auto-adaptatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
0.3 Défis por la validation des systèmes auto-adaptatives . . . . . . . . . . . . . 14
0.3.1 Défis de la validation des moteurs de raisonnement . . . . . . . . . . 15
0.3.2 Défis de la validation de l’AOP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
0.4 Contributions de cette these . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
0.4.1 Test des moteurs de raisonnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
0.4.2 Specification des mechanismes orientes aspects . . . . . . . . . . . . 20
0.5 D’autres contributions á la validation des systèmes auto-adaptatives . . . . . 22
1 Introduction 25
1.1 Self-adaptive systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.2 Challenges of the validation of self-adaptive systems . . . . . . . . . . . . . 27
1.3 Contributions of this thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.3.1 Test data selection from reasoning engines . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.3.2 Specification of aspect-oriented adaptation mechanism . . . . . . . . 29
1.4 Organization of this thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2 Background and Motivation 31
2.1 Self-Adaptive Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.1.1 Environment representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.1.2 Autonomous reasoning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.1.3 Adaptation Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.2 Validation and Verification of self-adaptive system . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.2.1 Testing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.2.2 Verification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.2.3 Positioning with respect to Testing and Verification . . . . . . . . . . 62
2.2.4 Specifications for aspect-oriented adaptation. . . . . . . . . . . . . . 64
8 CONTENTS
2.2.5 Positioning with respect to the specifications for aspects . . . . . . . 65
2.3 Contribution of this thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3 Testing Reasoning Engines 69
3.1 Inter-variable and Intra-variable Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.2 Mixed Level Covering Arrays. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.3 Limits of MCA for sampling the reasoning space . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.4 Multi-Dimensional Covering Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.5 Constructing MDCAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.5.1 Optimal value . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.5.2 Genetic Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.5.3 Bacteriologic Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.5.4 Hybrid Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.6 Experimental Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.6.1 Experimental subjects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.6.2 Research questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.6.3 Experimental SetUp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.6.4 GA v/s BA v/s Hybrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.6.5 Comparing generation sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.6.6 Threats to validity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.7 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4 Specifying aspect-oriented adaptation mechanism 95
4.1 A brief introduction to AOP and AspectJ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.2 Motivating Case Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.2.1 A chat application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.2.2 Initial version . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.2.3 Crosscutting concerns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.2.4 Validating the initial version . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.2.5 Evolving the chat application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.2.6 Validating the new version . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.2.7 Reasoning about the problems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.2.8 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.3 Specifying aspects-base system interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.3.1 Aspect specification. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.3.2 Core specification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.3.3 Specification matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.3.4 Obliviousness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.4 A specification framework for interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.4.1 Automatic classification of aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.4.2 Specifications in the base system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
CONTENTS 9
4.4.3 Displaying violations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.4.4 Contribution of the ABIS framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.4.5 Writing specifications in the base system . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.5 Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.5.1 Revisiting the initial version . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.5.2 Evolution, problems detection, and problem solving. . . . . . . . . . 120
4.5.3 Benefits for validation and validation effort . . . . . . . . . . . . . . 121
4.6 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5 Conclusion and Perspectives 125
5.1 Summary and Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.2 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.2.1 Perspectives for Reasoning Engine Validation . . . . . . . . . . . . . 127
5.2.2 Perspectives for Adaptation Mechanism Validation . . . . . . . . . . 128
A Tuple counting procedure 131
B Authentication mechanism for the chat application using aspects 133
C Alloy Specifications 137
Glossary 145
Bibliographie 147
List of Figures 169
List of listings 171
Publications 173