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1 Université Pierre et Marie Curie Paris 6 LIP6 UMR 7606 Département RSR Équipe MoVe Thales Communications France Service SC2 Une approche qualitative pour la prise de décision sous contraintes non-fonctionnelles dans le cadre d une composition agile de services THÈSE présentée et soutenue publiquement le 5 mai 2010 pour l obtention du Doctorat de l université Pierre et Marie Curie Paris 6 (spécialité informatique) par Pierre Châtel Composition du jury Rapporteurs : Luis Martínez López Professeur, Université de Jaén, Espagne Laurence Duchien Professeur, Université Lille 1 Directeurs : Jacques Malenfant Professeur, Université Pierre et Marie Curie Paris 6 Isis Truck Maître de Conférences, Université Vincennes - Saint-Denis Paris 8 Examinateurs : Florence Sèdes Professeur, Université Paul Sabatier Toulouse 3 Emmanuel Chailloux Professeur, Université Pierre et Marie Curie Paris 6 Encadrant industriel : Hugues Vincent Responsable de Laboratoire R&D, Thales Communications France École Doctorale d Informatique, Télécommunication et Électronique de Paris

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3 Remerciements Ces remerciements sont adressés à toutes les personnes m ayant assisté dans mon travail et soutenu au quotidien, par leurs actions ou leur simple présence, au cours de ces années de thèse. J espère avoir l opportunité de tous les remercier chaleureusement en personne, au delà du cadre formel de ce chapitre. Cependant, contrairement à la parole, l écrit ne s évanouit pas dans l air, et c est dans cet esprit que je tiens à remercier tout particulièrement les personnes suivantes. En tout premier lieu, ma gratitude est tournée vers mes deux directeurs de thèse, Jacques Malenfant et Isis Truck, dont le professionnalisme et la pugnacité sans faille ont permis de dresser le chemin suivi par cette thèse et de m y accompagner. J ai pu, avec eux, partager de très enrichissantes discussions, souvent animées, qui ont ouvert de nouveaux horizons à ma curiosité scientifique. Ils sont devenus pour moi, à l issue de ces trois années, autant des maîtres à penser, que des amis sur lesquels je sais pouvoir compter. Par ailleurs, je suis honoré par la participation de Laurence Duchien et Luis Martínez López au jury de cette thèse, en tant que rapporteurs ; ainsi que celle de Florence Sèdes et Emmanuel Chailloux en leur qualité d examinateurs. Je souhaite aussi exprimer ma plus vive reconnaissance à Pascal Llorens, pour m avoir accueilli au sein de son service de recherche et développement à Thales Communication, ainsi qu à mon encadrant industriel Hugues Vincent qui a su me soutenir et m a permis d acquérir, par sa rigueur naturelle, une double culture : scientifique et industrielle. Je tiens aussi à remercier mes collègues du service SC2 pour leur support moral et intellectuel, en particulier ceux avec lesquels j ai pu construire de véritables liens d amitié pendant toutes ces années : Antoine Leger et Tran Huynh, pour ne citer qu eux. Une thèse étant avant tout une aventure humaine, ce manuscrit est aussi un peu le leur. Finalement, mes sentiments les plus chers vont à mon compagnon, ma famille et mes amis : Gilles, par ta présence au quotidien et tes encouragements, c est à toi que je dois d avoir réussi à passer sans encombre l ultime ligne droite que représente ma dernière année de thèse. J éprouve aussi le plus grand respect envers mes parents, qui ont toujours soutenu mes choix sur le long terme, et m ont aidé à les atteindre : leur support a été essentiel. Pour finir, une pensée toute particulière pour mes amis. Merci à vous tous : Claire, Aurélien, Anneli, Pierre-Arnaud, Karine, Gabriel, Laure, Fabien, Franco, Olga, et les autres. i

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5 Broadly speaking, the history of software development is the history of ever later binding times... - M. Halpern, Encyclopedia of Computer Science [Halpern, 1993] iii

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7 Table des matières Table des figures xi Extraits de programmes xv Chapitre 1 Introduction 1.1 De l approche à objets au paradigme de service Genèse d une problématique Objectifs de recherche et approche poursuivie Contributions scientifiques Organisation du document Partie I Contexte et Etat de l Art 7 Chapitre 2 Contexte technologique 2.1 Architectures Orientées Services Concepts de base Service Web Service Web sémantique Composition de services Web Processus métier v

8 Table des matières Normes de conception Norme d exécution : BPEL Propriétés et contraintes non-fonctionnelles de services Taxonomies et ontologies de QoS Politiques Contrats de Qualité de Service Conclusion Chapitre 3 Etat de l Art 3.1 De l approche linguistique pour raisonner Modélisation floue des concepts Raisonnement flou Formalismes à base de 2-tuples De la modélisation compacte de préférences Modèles linguistiques *CP-Nets Réseaux GAI Synthèse De la composition dynamique de services sous contraintes non-fonctionnelles Gestion de la dynamicité par recomposition Composition par génération de processus alternatifs équivalents Composition dynamique dirigée par CP-nets Synthèse Conclusion Chapitre 4 Un cas d utilisation en gestion de crise environnementale 4.1 Introduction vi

9 4.1.1 Contexte d intervention Phases principales en gestion de crise Des liens étroits avec les SOA Sémantiques et nos travaux Déroulement du cas d utilisation en lutte anti-incendie Scénario 1 : définition des offres services Scénario 2 : définition d un processus abstrait de gestion d incendie Scénario 3 : élicitation de préférences utilisateur spécifiques à la crise Scénario 4 : composition agile de services pendant la crise Conclusion Partie II Contributions et mise en œuvre 83 Chapitre 5 Composition active de services 5.1 Introduction Composition active vs. composition dynamique Une approche pour la liaison tardive de services Filtrage de services Impact du calcul des modèles pour l adaptation de données Options pour la répartition temporelle des tâches de filtrage et de calcul des modèles Supervision des services candidats Mise en œuvre de la supervision Un ensemble de contraintes spécifiques Intégration au processus de composition active Liaison tardive d un service Conclusion vii

10 Table des matières Chapitre 6 Composition utile de services 6.1 Introduction Problématique d une modélisation qualitative des préférences non-fonctionnelles Linguistic CP-nets (LCP-nets) Un ensemble de contraintes à prendre en compte Cas d utilisation et LCP-nets Sérialisation XML De l élicitation de LCP-nets à la sélection de services Elicitation des préférences Traduction des préférences Evaluation des préférences Sélection d un service : indécision levée par l usage d un LCP-net Vers un traitement entièrement linguistique des préférences Conclusion Chapitre 7 Composition agile de services 7.1 Introduction Intégration conjointe des compositions actives et utiles dans l orchestration de services Définition d une activité BPEL de liaison et invocation tardive de service Définition incrémentale des préférences utilisateur Notion de fragment de préférences Représentation de plus haut niveau des LCP-nets Syntaxe XML Syntaxe abstraite de ce nouveau langage Sémantique opérationnelle : règles de production viii

11 7.4 Intégration des HL-LCP-nets et HL-LCP-frags dans les processus métiers Préférences anonymes en portée lexicale Vers des LCP-nets entités de plein droit QoS globale des processus et liaison tardive des services Conclusion Chapitre 8 Formalisation du modèle LCP-net 8.1 Introduction Notations préliminaires Formalisme et test de dominance sur un LCP-net Conclusion Chapitre 9 Mise en œuvre 9.1 Introduction Canevas de modélisation et décision sur LCP-nets Modèle de données structuré des préférences et des fragments Outillage des LCP-nets Calculs et décisions sur LCP-nets Retour sur les principaux choix d implantation Canevas de liaison tardive de services Web Contexte technique et architectural Implantation de l activité latebindinginvoke dans Orchestra Configuration et intégration de la supervision de services Conclusion Chapitre 10 Conclusion et perspectives ix

12 Table des matières Index 205 Bibliographie 207 x

13 Table des figures 2.1 Architecture des services Web selon le W3C Structure d un document WSDL De nombreux moyens d accès à un service Web en fonction de son offre Transformation de données par lifting et loweringschemamappings Exemple caractéristique de processus BPMN Diagramme d activité UML de la boucle for Taxonomie de QoS pour Sabata et al Catégories et dimensions de QoS dans les environnements AmI Les 4 niveaux de contrats selon Beugnard et al Exemple de fonction d appartenance du sous-ensemble flou A Un partitionnement flou de domaine de la température Fuzzification par SEF singleton Fuzzification par SEF triangulaire Fuzzification par SEF trapézoïdal Un SEF A à défuzzifier Défuzzification de A : principe du maximum Défuzzification de A : moyenne des maxima Défuzzification de A : égalité des intégrales Défuzzification de A : calcul du barycentre Déplacement latéral d une étiquette linguistique 2-tuple (s 2, 0.3) Exemple de préférence sous forme de CP-net Exemple de préférence sous forme d UCP-net Exemple de préférence sous forme de TCP-net Exemple de réseau GAI sous forme graphique xi

14 Table des figures xii 3.16 Composition dynamique : calcul des affectations Localisation de la zone sinistrée Exemple d annotation sémantique d une offre spécifique de service Extrait d ontologie couvrant les domaines Pompiers et Gendarmes Calcul de la fatigue physique à partir du rythme cardiaque et de la respiration Processus métier de gestion d incendies Processus métier de gestion d incendies spécialisé par l utilisation de préférences Cas d utilisation : sphère opérationnelle Composition dynamique : violation de contrainte à l exécution Composition active de services Cas d utilisation et liaison tardive Etapes d une approche pour la liaison tardive de services Filtrage de services Comparaison des temps d exécution de la génération des adaptateurs et de l exécution de la composition Transition progressive du statique au dynamique Répartition des tâches de filtrage et de calcul des modèles d adaptation de données Participation volontaire des drones à la supervision Initialisation de la supervision des services ayant été filtrés Sélection et invocation d un service en liaison tardive Préférences sur la QoS d un drone d imagerie aérienne Préférences sur la QoS d un personnel au sol Préférences sur la QoS d un camion citerne d intervention anti-incendies Partitionnements flous de la bande passante, résolution, sécurité et utilité Valeur précise de bande passante, sous forme de singleton Valeur floue de résolution, sous forme de SEF ajusté au domaine Inférence floue, de la bande passante mesurée à l utilité locale de B La fonction g de distribution des poids choisie pour cet exemple Poids des nœuds obtenus à partir de leur profondeur dans le graphe Résumé des étapes engagées pour l élicitation d un LCP-net globale d un service Résumé des étapes engagées pour l obtention de l utilité globale d un service

15 6.12 Comparaison des services candidats sur la base de leur utilité globale Deux modélisations pour une même préférence UCP-net : Utilité d un service en fonction de sa bande passante LCP-net : Utilité d un service en fonction de sa bande passante UCP-net vs. LCP-net : différences de précision Partitionnement flou d un domaine temporel CP-net vs. LCP-net : Préférence sur une date de départ en voyage Composition agile de service lors de la gestion d un incendie Répartition temporelle des étapes clés de la coordination active de services Activité latebindinginvoke dans le processus BPEL de gestion de incendie LCP-net modélisant la préférence sur le temps de réponse de tous les services Dilution d une préférence globale dans un processus métier Préférence ImagingServicePreference sous forme graphique Fragment ImagingServiceFragment sous forme graphique LCP-net ImagingServicePreference new résultant de l application de ImagingServiceFragment Factorisation d un préférence globale à un processus métier Correspondance entre la forme graphique du nœud R et sa syntaxe HL-LCP-net Grammaire d arbre des HL-LCP-nets Grammaire d arbre des HL-LCP-frags Activité latebindinginvoke dans le processus BPEL de gestion d incendie Limitations de la portée lexicale LCP-nets comme entités de plein droit dans les processus BPEL LCP-net intégrant une dimension de QoS globale du processus métier Représentation arborescente partielle du modèle de données LCP-net Représentation arborescente de l élément LCPnet Représentation graphique partielle du modèle de données LCP-net : concepts généraux Représentation graphique partielle du modèle de données LCP-net : concepts spécifiques Cas d utilisation de la machine virtuelle LCP-net Editeur de LCP-nets : vue complète Editeur de LCP-nets : ajout d un ci-arc Editeur de LCP-nets : modification des propriétés d un ci-arc xiii

16 Table des figures 9.9 Editeur de LCP-nets : accès à la liste des nœuds disponibles Application d un fragment de LCP-net en cascade Positionnement du composant de liaison tardive dans l architecture SemEUsE Répartition temporelle du filtrage, de l adaptation et de l invocation de services dans l implantation latebindingconfigure et latebindinginvoke dans l architecture SemEUsE Diagramme de classes UML des activités latebindingconfigure et latebindinginvoke dans Orchestra Correspondance ontologique entre requis et offert dans un WS-Agreement xiv

17 Extraits de programmes 2.1 Offre WSDL d un service Web d affichage de chaînes de caractères Implantation Java d un service Web d affichage de chaînes de caractères Exemple d offre de service au format SAWSDL Extrait d un processus métier basique au format BPEL Sérialisation XML du modèle de préférences Pseudo-code de l algorithme de traduction de CPT FIS obtenu par traduction du nœud R FIS obtenu par traduction du nœud B FIS obtenu par traduction du nœud S Extrait d un processus métier basique au format BPEL Extrait d une offre basique de service Web d affichage Activité BPEL latebinginginvoke au format XML Fragment ImagingServiceFragment sérialisé sous forme XML Syntaxe HL-LCP-net de ImagingServicePreference Syntaxe HL-LCP-net d un ci-arc Syntaxe HL-LCP-frag de ImagingServiceFragment Exemple de processus BPEL avec liaison tardive Implantation de l activité latebindingconfigure Implantation de l activité latebindinginvoke Extrait de WS-Agreement négocié : description des QoS requises et offertes Extrait de WS-Agreement négocié : contraintes xv

18 Extraits de programmes xvi

19 Chapitre 1 Introduction es systèmes informatiques, en particulier répartis, sont en constante évolution. Or, leur complexification va souvent de pair avec cette évolution. De ce fait, la pérennité d une infrastructure L logicielle, en entreprise comme sur le Web, est directement liée à sa capacité à intégrer de multiples altérations de contexte afin d accompagner ces mutations. Les architectures déployées doivent donc faire preuve de flexibilité, et ce dans un contexte de rationalisation des développements. Cette thèse a ainsi pour vocation de lever et résoudre certains verrous scientifiques et techniques à la mise en œuvre d une réelle agilité des systèmes répartis dits complexes, condition sine qua non de leur pérennité, tout en s attachant à préserver, ou même améliorer, leurs performances. Par ailleurs, tel que nous le verrons dans la section suivante, un certain nombre de paradigmes de programmation ont successivement posé le terreau conceptuel et technologique permettant à nos travaux de germer. Travaux qui, tout en s inscrivant dans l héritage de ces paradigmes, ont alors pour objet d apporter une réponse inédite aux nouveaux défis posés par ces architectures réparties complexes, et plus particulièrement à la composition dynamique de services sous contraintes nonfonctionnelles. 1.1 De l approche à objets au paradigme de service Un des premiers paradigmes à s être révélé pertinent pour répondre à ces nouveaux défis est la Programmation Par Objet ( Object Oriented Programming ) [Jacobson, 1991], dont on peut retracer les origines jusqu au début des années Ce paradigme consiste en la définition et l assemblage de briques logicielles appelées objets ; un objet représentant le plus souvent un concept, une idée ou une entité physique. La force de l approche à objets réside donc dans sa capacité à réconcilier les plans logiciel et utilisateur par la modélisation objet, et par là même de simplifier la mise au point de systèmes informatiques complexes. Son adoption massive n a cependant commencé qu au début des années 1990, poussée ensuite par la visibilité accrue des Processus Unifiés [Jacobson et al., 1999], ces méthodologies de développement logiciel dont le Rational Unified Process (RUP) d IBM, est l une des plus célèbres incarnations. 1

20 Chapitre 1. Introduction Par la suite, le paradigme de composant [Szyperski et al., 1999], implanté notamment par les technologies CORBA ou JEE, s est construit autour des principaux concepts objets, tels l encapsulation des fonctionnalités et des données, auxquels s ajoute notamment la contractualisation des interactions, la composition par des tiers et la répartition des composants. Un composant possède ainsi des interfaces bien spécifiées et peut être déployé indépendamment du reste de l application. La Programmation Orientée Composant (POC) n est d ailleurs pas sans similitudes avec l approche à objets, puisqu elle revient à utiliser une approche comparable, non pas directement au sein du code, mais au niveau de l architecture générale du logiciel : elle a ainsi permis le regroupement cohérent et réutilisable des objets. Favorisé notamment par l irrésistible montée en puissance d Internet, le monde de la programmation répartie est, aujourd hui encore, en cours de mutation avec l adoption progressive du paradigme de service et la mise en œuvre des architectures fondées sur ces services ( Service Oriented Architectures, ou SOA)) [Papazoglou et Georgakopoulos, 2003]. Les SOA mettent en avant un couplage théoriquement lâche entre client et fournisseur de service. Elles découplent ainsi une application répartie en deux couches. Une couche d offre de services spécifiés par leurs interfaces et éventuellement des informations de nature sémantique dans un annuaire de services. La seconde couche est la réalisation physique des services sur des machines connectées à Internet et accessibles via des protocoles standards. La programmation d une application est alors vue comme la description de la combinaison d un ensemble de services, d une granularité équivalente à celle des composants, dont la composition lors de l exécution permet de réaliser le calcul voulu par l application. Cette composition, le plus souvent appelée orchestration, va alors s effectuer sur la base d informations portées par un processus métier dont l exécution va d abord demander de lier les appels abstraits de service à des réalisations de services compatibles, fournies par un annuaire. Il s agit donc de faire le lien entre une spécification abstraite des fonctionnalités requises dans le processus afin de constituer l application, et les fonctionnalités disponibles sur le réseau via leur implantation concrète sous forme de services. D un point de vue technologique, une autre caractéristique importante des SOA tient dans le fait qu elles reposent sur des protocoles et des représentations de données standards, le plus souvent utilisant des langages fondés sur XML, facilitant l interopérabilité. C est dans ce cadre qu est concrétisé le concept de service Web ( Web service ), tel que défini par l organisme de standardisation W3C 1, et la cohorte de technologies et langages associés, dont SOAP et WSDL sont les plus célèbres représentants. L un constituant un protocole d échange de messages vers les services Web, l autre un langage de description d interfaces ou offres de services. Un système informatique fondé sur une architecture SOA est ainsi disponible sous la forme de services réutilisables qu il est possible de découvrir et composer dynamiquement avec un couplage lâche. Il se distingue dès lors des solutions totalement intégrées plus traditionnelles, de type boîte noire, que sont ERP ou autres progiciels. Cette architecture veut ainsi répondre aux besoins de flexibilité, réutilisabilité, et d adaptabilité rapide mis en avant dans les grands systèmes logiciels actuels et souhaités par les entreprises. C est pour ces raisons et l adoption de plus en plus importante de ces technologies dans les entreprises, que nous fonderons notre approche sur le paradigme de service. 1. World Wide Web Consortium 2

21 1.2. Genèse d une problématique 1.2 Genèse d une problématique Plongé dans un contexte industriel, ce travail de thèse trouve écho dans un vaste cadre d applications s étendant des Systèmes de Systèmes ( Systems of Systems, SoS) classiques, aux applications de type C2 ("Command and Control", Commande et Contrôle) déployées dans le cadre d opérations tactiques militaires ou de gestion de crise, ainsi qu à l informatique omniprésente ( Pervasive Computing ). Dans tous ces domaines, on est amené à gérer la composition dynamique de services avec une forte contrainte de qualité et un minimum de garanties. Les aspects non-fonctionnels qui influent sur le niveau de service rendu ou perçu, tels les délais de réaction des applications, ou plus généralement la Qualité de Service ( Quality of Service, QoS) technique ou métier offerte par ces applications, prennent une alors importance cruciale. Les architectures fondées sur les services doivent donc être appareillées pour répondre à ces différentes exigences. D autres caractéristiques sont aussi essentielles dans ces applications : La mobilité, qui rend l apparition et la disparition de services très fréquente ; La redondance, qui fait en sorte qu un même service peut à tout instant être rendu par de nombreuses réalisations physiques mais qui ont toutes une certaine probabilité d être détruites (cette probabilité varie également fortement selon le type et la phase opérationnelle dans laquelle se retrouve le dispositif, engagé ou non) ; L hétérogénéité, un même service peut être rendu par de nombreux dispositifs très différents. Par exemple, une imagerie numérique peut être rendue par la caméra à basse résolution intégrée dans le casque d un fantassin ou encore la caméra à haute résolution d un char de reconnaissance. De ces diverses caractéristiques émerge la problématique générale de la mise en œuvre d une composition de servicescomposition de services agile, qui, pour être utile, doit prendre en compte l hétérogénéité du contexte ainsi que les multiples contraintes non-fonctionnelles qui s y rapportent. 1.3 Objectifs de recherche et approche poursuivie Plusieurs obstacles viennent jalonner le cheminement vers une composition agile de service. Ainsi, les nombreuses propriétés non-fonctionnelles à traiter peuvent s étendre des caractéristiques techniques d un service (comme sa disponibilité ou bande passante offerte), à des propriétés nonfonctionnelles de plus haut niveau qui ne sont pas définies sur un ensemble fini, connu à l avance, de dimensions de QoS. Ces dernières sont intimement liées au domaine de compétence (ou domaine métier ) du service. De surcroît, dans la vaste majorité des systèmes répartis à base de processus métiers, le lien avec les producteurs de services nécessaires est fixé, pour des raisons techniques ou humaines, de manière statique, via l indication de l emplacement physique des services sur le réseau, ou rigide, via la syntaxe. Dans les deux cas de figure, ceci nécessite la connaissance préalable des services disponibles au moment de l écriture du processus. 3

22 Chapitre 1. Introduction C est pourquoi, afin notamment de palier à ce manque de souplesse et s aligner sur les besoins réels des systèmes répartis modernes en termes d agilité, tels que mis en avant par la problématique de ce manuscrit, nous poursuivons les objectifs suivants dans le cadre de cette thèse : Premier objectif : favoriser la réactivité des systèmes répartis complexes Les SOA Sémantiques ( Semantic SOA, ou SSOA) [Vitvar et al., 2007], évolution récente des architectures SOA se situant à la croisée du Web Sémantique [Berners-Lee et al., 2001] et de la technologie des services Web [Papazoglou, 2008], proposent des outils à même de faciliter la description de propriétés métiers, fonctionnelles ou non, des services. Le premier d entre eux consiste à permettre la définition et la réutilisation de concepts de haut-niveau au sein d ontologies métiers, établies spécifiquement pour chaque domaine considéré. A partir de ces concepts, il est possible d annoter sémantiquement les offres et requêtes de services, et d en relever ainsi le niveau d abstraction [Peer, 2002, Eberhart, 2004, Sivashanmugam et al., 2003, Patil et al., 2003]. On propose alors ici l utilisation de ces nouvelles architectures SSOA car elles mettent en avant, par le détachement du niveau syntaxique et technique des services qu elles proposent, un niveau élevé de découplage entre clients et fournisseurs de service. Par voie de conséquence, elles vont permettre la publication et la cohabitation d une grande quantité de services répandant, pour certains d entre eux, à un même besoin fonctionnel, mais exhibant le plus certainement des caractéristiques nonfonctionnelles (de Qualité de Service) bien distinctes. Afin de tirer au mieux parti de la propriété de couplage faible offerte par les SSOA, et pour atteindre ce premier objectif en termes de réactivité des systèmes répartis complexes, nous proposons la mise en place d un mécanisme de liaison tardive de services lors de l exécution d un processus métier, sur la base des valeurs courantes de QoS des services. D un point de vue technique, on se fonde alors sur une architecture logicielle à deux niveaux abstraits : Un niveau de filtrage des services puis d exécution du processus métier. Le filtrage étant l étape statique par laquelle des services disponibles sont associés, ou non, au processus à exécuter en fonction de leur pertinence par rapport aux stricts besoins fonctionnels et non-fonctionnels qui y sont exprimés. Et un niveau de contrôle du niveau d exécution et de prise de décision de liaison en fonction de la disponibilité effective des services précédemment filtrés au moment de l appel ainsi que de leurs valeurs courantes de QoS obtenues par un canevas externe de supervision. C est ce niveau qui aura la charge de prendre les meilleures décisions de liaison entre les services disponibles et le processus en cours d exécution, en fonction de critères définis par l utilisateur. Nous suivons en cela l approche des langages réflexifs, qui découpent une telle architecture en un niveau de base (exécution) et un niveau méta de contrôle du niveau de base. Dans le cadre de cette thèse, on s attachera ainsi tout particulièrement à la gestion des moments tardifs de liaison entre processus et services lors de leur composition, de manière à pouvoir notamment obtenir les valeurs effectives de QoS des services les plus fraîches. 4

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