ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐỖ VĂN CHIỂU MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐẶC TẢ HÌNH THỨC CÁC GIAO DIỆN THÀNH PHẦN CÓ CHỨA CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ VÀ TÍNH TƯƠNG TRANH LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội – 2014 Công trình được hoàn thành tại khoa Công nghệ Thông tin, Trường Đại học Công nghệ , Đại học Quốc Gia Hà Nội. Người hướng dẫn khoa học: TS. Đặng Văn Hưng PGS.TS. Nguyễn Việt Hà Phản biện 1: ……………… Phản biện 2: ……………… Phản biện 3: ……………… Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Trung tâm Thông tin – Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội 1 Chương 1 Giới thiệu 1.1 Giới thiệu Trong luận án này, chúng tôi tập trung nghiên cứu đề xuất phương pháp hình thức hỗ trợ mô hình hóa và đặc tả các giao diện thành phần có chứa các ràng buộc thời gian và tính tương tranh và xây dựng ứng dụng. Ý tưởng cơ bản của phương pháp đề xuất trong luận án là mở rộng về thời gian trên vết Marzukiewicz. Kết quả của mở rộng này là đưa ra lý thuyết về vết thời gian, ô-tô-mát đoán nhận ngôn ngữ vết và logic đặc tả thuộc tính vết cũng như mối quan hệ giữa chúng. Để chứng minh tính hiệu quả của phương pháp đề xuất, chúng tôi áp dụng lý thuyết này mở rộng một số mô hình thiết kế hệ thống hướng thành phần để hỗ trợ đặc tả các thuộc tính tương tranh có các ràng buộc thời gian. Thứ nhất, chúng tôi đề xuất một phương pháp hình thức cho đặc tả các hệ thống tương tranh thời gian thực hướng thành phần dựa trên mô hình của lý thuyết rCOS. Thứ hai, luận án đề xuất mở rộng mô hình thiết kế dựa trên giao diện cho các hệ tương tranh có ràng buộc thời gian bằng các ô-tô-mát giao diện tương tranh thời gian. Thứ ba, luận án đã xây dựng một ứng dụng của vết thời gian hỗ trợ đặc tả và kiểm chứng cho một hệ thống phân tán. Các kết quả trong luận án đã được minh chứng qua các công trình đã được xuất bản và có ý nghĩa lớn trong việc nghiên cứu, sử dụng để đặc tả các hệ có ràng buộc thời gian và tương tranh. 1.2 Bố cục của luận án Dựa trên các mục tiêu và đối tượng nghiên cứu, luận án được bố cục gồm các chương sau. Chương 2 trình bày tóm tắt các nghiên cứu nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo của luận án. Chương 3 đưa ra lý thuyết vết thời gian dựa trên vết Mazurkiewicz. Chương 4 trình bày một ứng dụng của lý thuyết vết trong việc mô hình hóa hệ thống tương tranh thời gian thực 2 dựa trên việc sử dụng vết thời gian cho đặc tả các thể thức giao diện thành phần được mở rộng từ lý thuyết rCOS. Chương 5 giới thiệu một phát triển của lý thuyết vết trên cơ sở xây dựng một phương pháp phát triển hệ tương tranh thời gian thực. Chương 6 đề xuất mở rộng hệ phân tán dựa trên việc mô hình bằng các hệ dịch truyển phân tán. Các kết luận về luận án và các nghiên cứu tiếp theo của luận án được chúng tôi trình bày trong chương 7. Chương 2 Kiến thức nền tảng 2.1 Công nghệ phần mềm trên thành phần 2.1.1 Các công nghệ hiện nay Một số công nghệ hiện nay được nhiều người quan tâm sử dụng bao gồm: 1. CORBA: là một chuẩn mở cho khả năng tương tác ứng dụng được định nghĩa và được hỗ trợ bởi tập đoàn quản lý đối tượng (Object Management Group - OMG), một tổ chức của hơn 400 nhà cung cấp phần mềm và người sử dụng (http://www.omg.org/corba/whatiscorba.html) 2. COM và DCOM: COM là mô hình đối tượng thành phần (Component Object Model-COM) là một kiến trúc chung cho phần mềm thành phần, COM phân tán (DCOM), là một giao thức cho phép các thành phần phần mềm giao tiếp trực tiếp qua mạng một cách đáng tin cậy, an toàn và hiệu quả. 3. Mô hình thành phần dựa trên Java của Sun: phần JavaBeans để phát triển thành phần phía máy khách và Enterprise JavaBeans (EJB) cho phát triển thành phần phía máy chủ 2.1.2 Đảm bảo chất lượng Vòng đời của hệ thống phần mềm dựa trên thành phần có thể được tóm tắt như sau: (1)Phân tích các yêu cầu, (2) Lựa chọn 3 kiến trúc phần mềm , xây dựng, phân tích, và đánh giá; (3) Xác định và tùy biến thành phần; (4) Tích hợp hệ thống, (5) Kiểm thử hệ thống; (6) Bảo trì phần mềm. Nhiều nghiên cứu đã đề xuất một danh sách các đặc điểm về chất lượng của các thành phần gồm: (1) Chức năng, (2) Giao diện; (3) Khả năng sử dụng; (4) Khả năng kiểm thử; (5) Bảo trì, (6) Độ tin cậy. 2.1.3 Mô hình đảm bảo chất lượng Các thực nghiệm chính liên quan đến thành phần và các hệ thống trong mô hình này bao gồm các giai đoạn sau đây: (1) phân tích yêu cầu thành phần (2) phát triển thành phần (3) chứng nhận thành phần (4) tùy chỉnh thành phần; (5) thiết kế kiến trúc hệ thống ; (6) tích hợp hệ thống, (7) kiểm nghiệm hệ thống và (8) Bảo trì hệ thống. 2.2 Ô-tô-mát thời gian 2.2.1 Ô-tô-mát thời gian Định nghĩa 2.1 (Từ thời gian) Một từ gian gian          là một thành phần của     và thường được viết là   với  là một từ trên * và  là một chuỗi thời gian trên T*. Gọi X là tập hữu hạn các biến đồng hồ, một giá trị đồng hồ trên X là một ánh xạ     gán mỗi đồng hồ một giá trị thời gian. Định nghĩa 2.2 Tập các ràng buộc trên tập đồng hồ X được kí hiệu là  được định nghĩa như sau         với              . Một ô-tô-mát thời gian (TA) trên T là một bộ            với •  là một tập hữu hạn các hành động, • Q là tập hữu hạn các trạng thái của ô-tô-mát. 4 • X là tập hữu hạn các đồng hồ, •     là tập các trạng thái khởi đầu, •    là tập các trạng thái kết thúc, •             là một tập hữu hạn các dịch chuyển trạng thái. Cấu hình của TA được kí hiệu là   với    và     . Ngữ nghĩa của TA là một hệ dịch chuyển với mỗi trạng thái là một cấu hình và quan hệ chuyển được định nghĩa theo luật sau:         nếu  và   ,         nếu        và   . Một thực thi (run) của một ô-tô-mát trên một từ thời gian  là một dãy các dịch chuyển có dạng:                                                   . Một thực thi  của TA  được gọi là một thực thi chấp nhận (accepted run) nếu     Một từ thời gian  được gọi là được đoán nhận bởi TA  nếu tồn tại một thực thi chấp nhận  trên . Tập tất cả các từ thời gian được đoán nhận bởi ô-tô-mát thời gian  được kí hiệu là  là ngôn ngữ được đoán nhận bởi . Ta có kết quả quan trọng sau Hệ quả 2.1 Bài toán kiểm tra tính rỗng của ngôn ngữ của một ô-tô-mát thời gian là quyết định được 2.2.2 Công cụ Uppaal UPPAAL là một bộ kiểm chứng mô hình cho việc mô hình, mô phỏng và kiểm chứng các ô-tô-mát thời gian. Thành phần quan trọng chính trong ngôn ngữ mô hình của UPPAAL là các ô-tô-mát thời gian. Các mô hình trong đây gồm: 1. Mô hình mạng các Ô-tô-mát thời gian, 2. Các biến nguyên được chia sẻ, 3. Kênh khẩn cấp, 5 4. Vị trí (trạng thái) cam kết. 2.2.2.1 Kiểm chứng với UPPAAL Mô hình kiểm chứng của UPPAAL được thiết kế để kiểm tra một tập con của công thức TCTL cho các mạng các TA. Công thức có các dạng biểu diễn như sau: •    •      •       •     •       always lead to . 2.2.2.2 Kiến trúc UPPAAL Mô hình kiến trúc được chỉ ra trong hình 1. Hình 1: Kiến trúc hệ thống của UPPAAL 2.3 Lý thuyết vết 2.3.1 Vết Mazurkiewicz Một bảng chữ cái phụ thuộc là một cặp   với  là một bảng chữ cái hữu hạn và      là một quan hệ hai ngôi có tính phản xạ và đối xứng trên  và được gọi là quan hệ phụ thuộc. 6 Định nghĩa 2.3 Một vết Mazurkiewicz (gọi tắt là vết) là một lớp tương đương của một thứ tự bộ phận được gán nhãn      vơi  là tập các nút, là một quan hệ thứ tự bộ phận trên , và     là một hàn gán nhãn thỏa mãn điều kiện sau: • Với mỗi    tập         là hữu hạn, • Với mọi     Nếu     thì    hoặc   , và  kéo theo     , với     là quan hệ dẫn trực tiếp trong . Nếu V là hữu hạn, vết T được gọi là vết hữu hạn. Tập tất cả các vết trên   kí hiệu là  . Một nhát cắt của  là một tập lớn nhất của các đỉnh không so sánh được trong . Một từ trong   được gắn với một vết trên   bằng ánh xạ       được định nghĩa như sau: Cho       là vết    với: •     . •  là thứ tự nhỏ hơn bộ phận trên  thỏa mãn: cho     nếu  là tiền tố của  và nếu     thì   , •   . Ánh xạ       là       là một sự tuyến tính hóa của   . Gọi      là một vết trên  . Gọi C là tập các sự kiện   . Lịch sử của C, ký hiệu là  , được định nghĩa như sau:        . Một cấu hình của T là một tập hữu hạn    sao cho      là tập tất cả các cấu hình của vết . 2.3.2 Ô-tô-mát đoán nhận ngôn ngữ vết Có hai nghiên cứu lý thuyết về ô-tô-mát đoán nhận các ngôn ngữ vết là: 1. Ô-tô-mát Alternating Büchi, 2. và Ô-tô-mát bất đồng bộ. 7 2.3.3 Cấu hình Gọi      là một vết trên   . Ký hiệu         Định nghĩa 2.4 Gọi      là một vết trên  . Gọi C là tập các sự kiện   . Lịch sử của C, ký hiệu là  , được định nghĩa như sau:        . Một cấu hình của T là một tập hữu hạn    sao cho     Chúng ta định nghĩa conf(T) là tập tất cả các cấu hình của vết T. 2.3.4 Logic trên vết 2.3.4.1 Cú pháp Tập các công thức của LTL trên một bảng chữ cái độc lập   được ký hiệu là     và được cho theo cú pháp sau:  ::=      . Chúng ta thường sử dụng ký hiệu như      cho biểu diễn công thức. Khi ngữ cảnh là rõ ràng, chúng ta có thể viết     bằng  , tức là bỏ ký hiệu _t (hiểu là vết) đi. 2.3.4.2 Ngữ nghĩa Cho vết T   , một cấu hình C  conf(T), và một công thức    , ngữ nghĩa của khái niệm   được định nghĩa một cách đệ quy như sau" •  . •   nếu và chỉ nếu  . •     nếu và chỉ nếu   hoặc   •   nếu và chỉ nếu tồn tại một cấu hình C’  conf(T) sao cho     C’ và   8 •   nếu và chỉ nếu tồn tại một cấu hình C’  conf(T) với    sao cho   và với mọi C"  conf(T) với     , chúng ta có  . 2.3.4.3 Một số kết quả 1. Bài toán về tính thỏa của   là quyết định được, 2. Biểu diễn của   là đầy đủ tương ứng với biểu diễn của FO trên vết, 3. Với mọi công thức     , tồn tại một công thức     sao cho   , 4. Với mọi công thức     , tồn tại một công thức     sao cho   . Định lý 2.1 Cho  là một công thức của     và ký hiệu ô-tô-mát Alternating trên bảng chữ cái  là   . Khi đó      khi và chỉ khi     đối với mọi     . Định lý 2.2 Cho một công thức LTL   và một ô-tô-mát bất đồng bộ , tồn tại một thuật toán quyết định xem  với mọi   . [...]... việc đặc tả các ràng buộc tương tranh có yếu tố thời gian Để thể hiện sự hiệu quả của việc sử dụng lý thuyết vết vào trong một số mô hình thiết kế hệ thống hướng thành phần tạo cho các mô hình này có thể mô hình hóa được các hệ thống có đặc tả tương tranh và thời gian Các mô hình chúng tôi sử dụng bao gồm: Mô hình dựa thiết kế hệ thống hướng thành phần rCOS, mô hình thiết kế hệ thống dựa trên giao diện. .. công thức TLTL‘1 bất kỳ 𝜑 luôn tồn tại một ô-tô-mát khoảng bất đồng bộ 𝐴 sao cho 𝑡𝑇𝑟𝐿(𝜑) = 𝑡𝑇𝑟𝐿(𝐴) và ngược lại Chương 4 Một mô hình cho hệ thống tương tranh có ràng buộc thời gian 4.1 Kiến trúc thành phần và các giao thức tương tác của chúng Hệ thống có hai phần riêng biệt: Phần thụ động là một thành phần đóng được ghép từ tập các thành phần và phần chủ động là một tập các tiến trìn mà tương tác với các. .. phương thức là một bộ 〈𝛼, 𝐹𝑃, 𝐹𝑁〉, với 𝛼 ký hiệu tập các (chương trình) biến, 𝐹𝑃 ký hiệu đặc tả chức năng của phương thức có dạng (𝑝‘ 𝑅), và 𝐹𝑁 ký hiệu đặc tả có yếu tố thời gian thi có hình thức 𝑙 ≤ 𝑑𝑢𝑟 ≤ 𝑢, với 𝑙, 𝑢 là các số thực không âm, 𝑙 ≤ 𝑢 Chúng tôi cũng đưa ra các khái niệm về làm mịn và ghép tuần tự các thiết kế 4.3.2 Giao diện và hợp đồng Ký hiệu 𝐹𝑑 - một khai báo đặc trưng là một tập các. .. gian và sử dụng dịch vụ từ phần thụ động để thỏa mãn các yêu cầu từ các nhân tố bên ngoài của hệ thống Kiến trúc hệ thống này được mô tả trong hình 2 12 Hình 2: Kiến trúc hệ thống 4.2 Vết thời gian và biểu diễn của nó Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng biểu thức chính quy để biểu diễn vết thời gian Biểu thức chính quy có dạng ((Σ, 𝐷, 𝐽), 𝑅) 4.3 Mô hình thành phần 4.3.1 Thiết kế Dùng để mô tả các. .. và được ký hiệu là 𝑄 ± 𝑃 nếu: • 𝐼 𝑄 ⊆ 𝐼 𝑃 , 𝑂 𝑃 ⊆ 𝑂 𝑄 , và • tồn tại một quan hệ làm mịn trạng thái từ 𝑃 vào 𝑄 𝑄 𝑃 mà 𝑢 ∈ 𝑆 𝑖𝑛 , 𝑣 ∈ 𝑆 𝑖𝑛 ta có 𝑣 ± 𝑢 Định lý 5.2 Cho 3 TCIA 𝑃, 𝑄, 𝑅, nếu 𝑃 ± 𝑄 và 𝑄 ± 𝑅 thì 𝑃 ± 𝑅 Cho ba TCIA 𝑃, 𝑄 và 𝑅 sao cho 𝑄 và 𝑅 là có khả năng ghép nối và 𝐼 𝑄 ∩ 𝑂 𝑅 ⊆ 𝐼 𝑃 ∩ 𝑂 𝑅 Nếu 𝑃 và 𝑅 là tương thích và 𝑄 ± 𝑃 thì 𝑄 và 𝑅 là tương thích và 𝑄 ∥ 𝑅 ± 𝑃 ∥ 𝑅 Chương 6 Mô hình đặc tả và. .. pháp hiệu quả hỗ trợ cho việc mô hình hóa và đặc tả các hệ thống có ràng buộc tương tranh và thời gian bằng việc mở rộng về thời gian của lý thuyết vết Marzukiewicz Phương pháp đề xuất đưa ra các khái niệm về ngôn ngữ vết thời gian, ô-tô-mát đoán nhận ngôn ngữ vết thời gian và một cách thức dùng để đặc tả các thuộc tính logic của hệ thống là logic thời gian trên vết thời gian Các kết quả về lý thuyết đã... (𝐴𝑐𝑡𝐶𝑜𝑚𝑝, 𝐶𝑜𝑚𝑝′′) cũng là một hệ thống tương đương với 𝑆 Chương 5 Phương pháp đặc tả giao diện của các thành phần trong hệ tương tranh có yếu tố thời gian 16 Một Ô-tô-mát giao diện tương tranh có ràng buộc thời gian (Timed Concurrent Interface Automata - TCIA) là một bộ 3 𝑃 = 〈𝐼, 𝑂, (𝐴 𝐷 , 𝐽)〉, với 𝐼 là tập các hành động đầu vào, 𝑂 là tập các hành động đầu ra và 𝐷 (𝐴 , 𝐽) = ({𝑆 𝑖 } 𝑖∈𝑃𝑟𝑜𝑐 𝐴 , → 𝒜 ,... 𝑀𝑑 𝑝 , 𝐹𝑑 = 𝐹𝑑 𝑟 ∪ 𝐹𝑑 𝑝 • 𝐼𝑛𝑖𝑡 là một sự tạo giá trị ban đầu • MSpec là một hàm đặc tả phương thức • 𝐼𝑛𝑣 𝑝 biểu diễn một thuộc tính bất biến của các biến trong trong đặc tả đặc trưng 𝐹𝑑 𝑝 𝐼𝑛𝑣 𝑟 biểu diễn các thuộc tính mà được yêu cầu cho giá trị của các biến trong 𝐹𝑑 𝑟 • 𝑃𝑟𝑜 𝑝 và 𝑃𝑟𝑜 𝑟 là các đặc tả giao thức, mà là các vết thời gian Định nghĩa 4.1 Hợp đồng 𝐶𝑡𝑟1 = 〈(𝐼 𝑝1 , 𝐼 𝑟1 ), 𝑀𝑆𝑝𝑒𝑐1 , 𝐼𝑛𝑖𝑡1... thành phần Định nghĩa 4.2 Một giao diện hệ thống là một bộ 𝑆𝐼 = (𝐸, 𝐹𝑑, 𝑆𝑀𝑑 𝑝 ), với 𝑆𝑀𝑑 𝑝 là một tập hữu hạn các phương thức, 𝐹𝑑 là một tập các đặc trưng, và 𝐸 là tập hữu hạn các sự kiện Định nghĩa 4.3 Một hợp đồng hệ thống là một bộ 𝑆𝑦𝑠𝐶𝑡𝑟 = 〈𝑆𝐼, 𝑆𝑀𝑆𝑝𝑒𝑐, 𝐼𝑛𝑣, 𝐵𝑒ℎ𝑎𝑣〉, với • 𝑆𝐼 = (𝐸, 𝐹𝑑, 𝑆𝑀𝑑 𝑝 ) là một giao diện hệ thống • 𝐼𝑛𝑣 là thuộc tính mô tả giá trị của các đặc trưng trong 𝐹𝑑 • 𝑆𝑀𝑆𝑝𝑒𝑐 là hàm đặc. .. một khai báo phương thức, mỗi phương thức 𝑚 ∈ 𝑀𝑑 có dạng 𝑜𝑝(𝑖𝑛, 𝑜𝑢𝑡), với 𝑖𝑛 và 𝑜𝑢𝑡 là tập các biến Một giao diện là một cặp 𝐼 = (𝐼 𝑝 , 𝐼 𝑟 ) , với 𝐼 𝑝 = 〈𝐹𝑑 𝑝 , 𝑀𝑑 𝑝 〉 , và 𝐼 𝑟 = (𝐹𝑑 𝑟 , 𝑀𝑑 𝑟 ) 𝐼 𝑝 được gọi là giao diện cung cấp của 𝐼, và 𝐼 𝑟 là giao diện yêu cầu của 𝐼 Một hợp đồng là một bộ 〈𝐼, 𝐼𝑛𝑖𝑡, 𝑀𝑆𝑝𝑒𝑐, 𝐼𝑛𝑣 𝑝 , 𝐼𝑛𝑣 𝑟 , 𝑃𝑟𝑜 𝑝 , 𝑃𝑟𝑜 𝑟 〉, với: 13 • 𝐼 = (𝐼 𝑝 , 𝐼 𝑟 ) là một giao diện 𝑀𝑑 = 𝑀𝑑 𝑟 ∪ 𝑀𝑑 . CÔNG NGHỆ ĐỖ VĂN CHIỂU MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐẶC TẢ HÌNH THỨC CÁC GIAO DIỆN THÀNH PHẦN CÓ CHỨA CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ VÀ TÍNH TƯƠNG TRANH LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH CÔNG. trung nghiên cứu đề xuất phương pháp hình thức hỗ trợ mô hình hóa và đặc tả các giao diện thành phần có chứa các ràng buộc thời gian và tính tương tranh và xây dựng ứng dụng. Ý tưởng cơ bản. trúc thành phần và các giao thức tương tác của chúng Hệ thống có hai phần riêng biệt: Phần thụ động là một thành phần đóng được ghép từ tập các thành phần và phần chủ động là một tập các