Integrated Data, Message, and Process Recovery for Failure Masking in Web Services

Abstract

Modern Web Services applications encompass multiple distributed interacting components, possibly including millions of lines of code written in different programming languages. With this complexity, some bugs often remain undetected despite extensive testing procedures, and occasionally cause transient system failures. Incorrect failure handling in applications often leads to incomplete or to unintentional request executions. A family of recovery protocols called interaction contracts provides a generic solution to this problem by means of system-integrated data, process, and message recovery for multi-tier applications. It is able to mask failures, and allows programmers to concentrate on the application logic, thus speeding up the development process. This thesis consists of two major parts. The first part formally specifies the interaction contracts using the state-and-activity chart language. Moreover, it presents a formal specification of a concrete Web Service that makes use of interaction contracts, and contains no other error-handling actions. The formal specifications undergo verification where crucial safety and liveness properties expressed in temporal logics are mathematically proved by means of model checking. In particular, it is shown that each end-user request is executed exactly once. The second part of the thesis demonstrates the viability of the interaction framework in a real world system. More specifically, a cascadable Web Service platform, EOS, is built based on widely used components, Microsoft Internet Explorer and PHP application server, with interaction contracts integrated into them.

Heutige Web-Service-Anwendungen setzen sich aus mehreren verteilten interagierenden Komponenten zusammen. Dabei werden oft mehrere Programmiersprachen eingesetzt, und der Quellcode einer Komponente kann mehrere Millionen Programmzeilen umfassen. In Anbetracht dieser Komplexität bleiben typischerweise einige Programmierfehler trotz intensiver Qualitätssicherung unentdeckt und verursachen vorübergehende Systemsausfälle zur Laufzeit. Eine ungenügende Fehlerbehandlung in Anwendungen führt oft zur unvollständigen oder unbeabsichtigt wiederholten Ausführung einer Operation. Eine Familie von Recovery-Protokollen, die so genannten "Interaction Contracts", bietet eine generische Lösung dieses Problems. Diese Recovery- Protokolle sorgen für die Fehlermaskierung und ermöglichen somit, dass Entwickler ihre ganze Konzentration der Anwendungslogik widmen können. Dies trägt zu einer erheblichen Beschleunigung des Entwicklungsprozesses bei. Diese Dissertation besteht aus zwei wesentlichen Teilen. Der erste Teil widmet sich der formalen Spezifikation der Recovery-Protokolle unter Verwendung des Formalismus der State-and-Activity-Charts. Darüber hinaus entwickeln wir die formale Spezifikation einer Web-Service-Anwendung, die außer den Recovery-Protokollen keine weitere Fehlerbehandlung beinhaltet. Die formalen Spezifikationen werden in Bezug auf kritische Sicherheits- und Lebendigkeitseigenschaften, die als temporallogische Formeln angegeben sind, mittels "Model Checking" verifiziert. Unter anderem wird somit mathematisch bewiesen, dass jede Operation eines Endbenutzers genau einmal ausgeführt wird. Der zweite Teil der Dissertation beschreibt die Implementierung der Recovery- Protokolle im Rahmen einer beliebig verteilbaren Web-Service-Plattform EOS, die auf weit verbreiteten Web-Produkten aufbaut: dem Browser "Microsoft Internet Explorer" und dem PHP-Anwendungsserver.