Defining and providing pragmatic interoperability - the MIDAS middleware case

Abstract

Sistemas de informação modernos estão se tornando cada vez mais complexos. Essa complexidade está relacionada com a necessidade de combinar softwares heterogêneos. Uma vez que um sistema pode conter diversos softwares, e cada software pode ser desenvolvido de maneira independente, não é uma tarefa trivial prover uma comunicação transparente entre sistemas distintos. A falta de padronização ocasiona um problema conhecido como lock-in. Situações de lock-in ocorrem quando usuários se tornam dependentes de um sistema devido à falta de interoperabilidade entre os provedores distintos. A interoperabilidade é a capacidade de um sistema se comunicar de forma transparente com outro sistema e tem sido classificada em três níveis: sintático, semântico e pragmático. O nível sintático permite que informações sejam trocadas entre sistemas a partir de uma codificação comum. A interoperabilidade semântica está relacionada com a capacidade dos sistemas compartilharem o mesmo significado dos dados. Por fim, a pragmática tem a intenção da mensagem que deve ser entendida pelos sistemas, de modo que o resultado produzido esteja dentro das expectativas comuns. Apesar dos diversos níveis, as soluções para interoperabilidade entre sistemas focam apenas em uma camada específica. A ausência de um modelo para a interoperabilidade pragmática dificulta a comunicação transparente entre sistemas, pois as informações necessárias para interoperar não são explícitas. Além disso, o nível pragmático requer o nível semântico que, por sua vez, necessita do nível sintático. Além da necessidade de interoperar sistemas heterogêneos, as tecnologias atuais apresentam os desafios de armazenar, processar e disponizar os dados gerados por essa comunicação. A computação em nuvem tem o objetivo de atender alguns desses requisitos. A computação em nuvem é um paradigma que permite acesso a uma rede ubíqua de aplicações, plataformas e hardware como serviços. Esses serviços são organizados em níveis e acessados sob demanda com uma política de pagamento baseado no uso. Software as a Service (SaaS), Platform as a Service (PaaS), Infrastructure as a Service (IaaS) e Data as a Service (DaaS) são exemplos de serviços em nuvem. Assim, essa tese apresenta um framework conceitual para interoperabilidade pragmática (CAPITAL) que considera os níveis sintático e semântico. Com o intuito de validar o framework CAPITAL, o modelo para interoperabilidade sintática fornece uma descrição detalhada dos elementos sintáticos do middleware MIDAS (Middleware for DaaS and SaaS). O modelo para interoperabilidade semântica auxilia e formaliza a comunicação semântica entre SaaS e DaaS. O framework CAPITAL descreve o modelo para interoperabilidade pragmática. Três estudos foram realizados para avaliar nosso framework CAPITAL. No primeiro estudo, o framework CAPITAL foi simulado em quatro cenários distintos com o objetivo de fornecer um guia de modelagem e codificação. O segundo estudo é um experimento controlado que investiga se nosso framework auxilia a compreensão do conceito e interpretação de cenários com interoperabilidade pragmática. No terceiro estudo, nosso framework foi incorporado ao MIDAS como prova de conceito com o objetivo de discutir e apresentar uma versão do middleware para interoperabilidade pragmática. Nossos estudos sugerem que o CAPITAL framework influencia positivamente no entendimento, modelagem e padronização de cenários com interoperabilidade pragmática. Os resultados alcançados fornecem evidências que os modelos para interoperabilidade sintática, semântica e pragmática descrevem os elementos necessários para prover uma comunicação transparente.

Modern information systems are becoming increasingly complex. This complexity is related to the need to combine heterogeneous software. Since a system may contain many software programs, and each software may be developed independently, providing transparent communication between heterogeneous systems is not a trivial task. The lack of standardization causes a problem known as lock-in. Lock-in situations occur when users are dependent on a system due to the lack of interoperability among different providers. Interoperability is heterogeneous systems’ ability to communicate transparently, and it is classified into three levels: syntactic, semantic, and pragmatic. The syntactic level enables systems to exchange information based on standard coding. Semantic interoperability is concerned with ensuring that systems to share the same data meaning. Finally, pragmatic interoperability ensures that systems understand the message intention so that the result is within common expectations. Despite the various levels, solutions for interoperability among systems focus on a specific layer. The absence of a pragmatic interoperability model hinders transparent communication among systems because the mandatory information to interoperate is not explicit. The pragmatic level requires the semantic level that, in turn, requires the syntactic level. In addition to the need of interoperate heterogeneous systems, current technologies present the challenges of storing, processing, and making available the data generated by this communication. Cloud Computing aims to fulfill some of these requirements. Cloud Computing is a new paradigm that enables access to a ubiquitous network of applications, platforms, and hardware as services. These services are organized in levels, and they are accessed with a pay-per-use policy. Software as a Service (SaaS), Platform as a Service (PaaS), Infrastructure as a Service (IaaS), and Data as a Service (DaaS) are examples of cloud services. Therefore, this work presents a Conceptual frAmework for Pragmatic InTeroperAbiLity (CAPITAL). Although focused on pragmatic interoperability, the CAPITAL framework considers the syntactic and semantic levels. We evaluate our CAPITAL framework in threefolds, one for each model. The model for syntactic interoperability provides a detailed description of syntactic elements of MIDAS (Middleware for DaaS and SaaS). The model for semantic interoperability provides an ontology to formalize the communication between SaaS and DaaS. This ontology assists the semantic interoperability of MIDAS. The CAPITAL framework describes the model for pragmatic interoperability. We perform three studies to evaluate our CAPITAL framework. In the first study, we modeled the CAPITAL framework in four distinct scenarios that aim to provide a modeling and coding guide. The second study is a controlled experiment that investigates whether our framework eases to understand the concept and interpret scenarios with pragmatic interoperability. In the third study, we incorporated our framework into MIDAS as a proof of concept to discuss and present a middleware version for pragmatic interoperability. The three studies suggest that the CAPITAL framework positively influences the understanding, modeling, and standardization of scenarios with pragmatic interoperability. Our findings provide evidence that models for syntactic, semantic, and pragmatic interoperability describe mandatory elements to provide transparent communication.