Formal Modeling of Fog Systems : Towards the Analysis and Validation of their Behaviour
Modélisation Formelle des Systèmes Fog : vers l'Analyse et la Validation de leur Comportement
Résumé
Fog computing is a new emerging paradigm with a variety of significant challenges. Based on IoT (Internet of Things) systems, Fog systems are defined to bring data processing and storage closer to IoT devices. As a result, latency is reduced and the development of critical systems using this paradigm is a wise choice. However, developing such a complex system turns out to be a particularly challenging task. Therefore, the design of a Fog system is crucial, especially from the point of view of heterogeneity, geographical dispersion, reactivity, service portability and interoperability between its different components.In this thesis, we propose a modelling language specific to Fog computing noted Fog-DSML in order to address the various challenges of Fog systems. This language includes 1) an abstract syntax composed of diagrams representing the entities of a Fog system and their global behaviour, 2) a concrete syntax represented by a multi-layer architecture of Fog systems providing a graphical and conceptual description of a Fog system and 3) a formal semantics based on BiAgents* (Bigraphical Agents) which is an extension of bigraphic systems (BRS) by intelligent agents to provide a rigorous description of the physical, virtual and behavioural aspects of Fog systems.The proposed approach is validated through a case study: LIS (Luggage Inspection System). We also proceed to the encoding of the different BiAgents* notations in Maude strategy language and implement their concepts through different execution scenarios. Furthermore, we verify the correctness of relevant properties of Fog systems, which are data portability and interoperability. The integration of Maude strategies in the rewriting of the Fog system states aime to guide the model execution and its analysis.
Le Fog computing est un nouveau paradigme émergent présentant un nombre important de défis. Basés sur les systèmes IoT (Internet of Things), les systèmes Fog sont définis afin de rapprocher les traitements et le stockage des données des dispositifs IoT. De ce fait, le temps de latence diminue et l'élaboration de systèmes critiques à l'aide de ce paradigme se trouve être un choix judicieux. Cependant, développer un système aussi complexe se révèle être une tâche particulièrement difficile. Par conséquent, la conception d'un système Fog est cruciale, notamment du point de vue de l'hétérogénéité, de la dispersion géographique, de la réactivité, de la portabilité des services et de l'interopérabilité entre ses différents éléments.Dans le cadre de cette thèse, nous proposons un langage de modélisation spécifique au Fog computing noté Fog-DSML afin de relever les différents défis des systèmes Fog. Ce langage englobe 1) une syntaxe abstraite composée de diagrammes représentant les entités d'un système Fog ainsi que leur comportement global, 2) une syntaxe concrète représentée par une architecture multi-couches des systèmes Fog fournissant une description graphique et conceptuelle d'un système Fog et 3) une sémantique formelle à base des BiAgents* (Bigraphical Agents) qui est une extension des systèmes bigraphiques (BRS) par des agents intelligents pour fournir une description rigoureuse des aspects physiques, virtuels et comportementaux des systèmes Fog.L'approche proposée est validée par une étude de cas : système d'inspection des bagage LIS (Luggage Inspection System). Nous procédons aussi à l'encodage des différentes notations BiAgents* en langage de stratégie Maude et nous implémentons leurs concepts à travers différents scénarios d'exécution. De plus, nous vérifions l'exactitude de propriétés pertinentes des systèmes Fog à savoir la portabilité des données et leur interopérabilité. L'intégration des stratégies Maude dans la réécriture des états du système Fog a permis de guider l'exécution du modèle et son analyse.
Origine : Version validée par le jury (STAR)