Enseignement des Systèmes

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Champ disciplinaire et niveaux de formation

Champ disciplinaire

La discipline désignée sous le terme général de "systèmes " a profondément évolué au cours des 10 dernières années sous l'influence des progrès de la recherche et du développement technologique. Elle s'est étendue des systèmes d'exploitation vers les systèmes répartis ainsi que vers le développement d'applications sur l'Internet. Parallèlement, le niveau d'exigence sur les compétences a également évolué :

• d'une part, une bonne connaissance du domaine est maintenant requise de tout informaticien en raison de la diffusion générale des techniques liées aux services et applications réparties.
• d'autre part, un niveau élevé de compétence et de savoir-faire est requis des spécialistes du domaine en raison de l'accroissement de sa complexité technique. Est également requise une grande capacité d'évolution (noter que la plupart des mots-clés énumérés ci-après n'existaient pas il y a 10 ans), ce qui suppose une formation de base solide centrée sur les principes.

• Développement et diffusion du domaine des applications et services répartis, reposant sur des outils intergiciels (middleware) ; les mots-clés dans ce domaine sont  Java, CORBA, Enterprise Java Beans, bus logiciels (MOM), composants logiciels, services Web.
• Développement de l'informatique "ubiquitaire" (infrastructure globale d'accès aux services, objets communicants, mobilité des services et des utilisateurs), tant pour le monde professionnel que pour le grand public.
• Evolution du domaine des systèmes d'exploitation : à côté des systèmes d'exploitation "traditionnels", se développe le domaine des noyaux et exécutifs "sur mesure" pour les systèmes embarqués, les télécommunications, et plus généralement l'informatique ubiquitaire, ainsi que les grappes ouvertes de processeurs pour les applications parallèles.
• Importance croissante des aspects "non fonctionnels" : sécurité, disponibilité et tolérance aux fautes, qualité de service pour les données multimédia.
• Importance croissante des aspects liés à l'administration (systèmes, réseaux, applications, composition de services)

Le domaine des systèmes et applications répartis a des interactions avec plusieurs autres domaines, dont doivent tenir compte les programmes d'enseignement.

• réseaux et protocoles de communication, administration de systèmes et de réseaux, administration d'applications
• modélisation de systèmes, évaluation de performances, systèmes critiques
• systèmes parallèles, grappes, metacomputing
• génie logiciel (en particulier techniques liées aux composants et à l'architecture logicielle)
• bases de données et systèmes d'information
• interfaces et communication homme-machine.

Objectifs de la formation, par niveaux et filières

Objectifs et contenus

[en cours de rédaction]

Les niveaux de formation sont définis dans le cadre du système LMD, avec des aspects transversaux correspondant au poids de la discipline systèmes dans la formation considérée ("spécialistes" vs "non spécialistes" dans ce domaine), et au caractère spécifiquement professionnel ou non de la formation. Il faut considérer que tout diplôme "terminal" implique un minimum de compétences valorisables en termes professionnels.  Quant aux niveaux "intermédiaires" (soit L1, L2, M1) leurs objectifs sont définis par le diplôme niveau terminal auquels ils préparent.

Au niveau Licence, on a défini d'une part les objectifs d'une formation générale (destinée à être poursuivie plus avant, mais en tenant compte du fait que le diplôme est terminal) et les objectifs d'une formation professionnelle (Licence professionnelle), qui doivent intégrer un plus fort accent sur le savoir-faire développé autour de projets.
 

Objectifs au niveau L3 : Formation générale
Connaissance des principes Connaissance élémentaire du fonctionnement général d'un système d'exploitation, de son architecture d'ensemble et de ses interfaces. Introduction aux notions de base des réseaux Principes généraux de la programmation répartie, illustrés par des systèmes client-serveur	Savoir-faire pratique Utilisation des principales fonctions du langage de commande d'un système d'exploitation (niveau utilisateur et niveau API). Introduction à la programmation d'applications réparties simples, par utilisation de langages de scripts

Objectifs au niveau L3 : Formation professionnelle
Connaissance des principes comme ci-dessus, mais davantage de contenu sur réseaux	Savoir-faire pratique comme ci-dessus, avec plus d'accent sur le développement de projets et la pratique des outils [à rédiger]

Au niveau Master, la première année (Bac+4) est consacrée à l'acquisition des principes de base, illustrés par des
des applications destinées à maîtriser les mécanismes élémentaires et les méthodes de travail en projets, notamment en équipe. La seconde année (Bac+5) vise surtout à approfondir l'expertise technique dans les domaines choisis et à développer les compétences liées au travail en projets (architecture, qualité, communication).
 

Objectifs au niveau M1 : Formation générale, ou formation professionnelle orientée vers les applications (par ex. MIAGE)
Connaissance des principes Principes des systèmes d'exploitation (processus, programmation concurrente, gestion de fichiers, principes de désignation, liaison, composition ; architecture d'ensemble d'un système : noyau, extensions, communication. Principes de base des systèmes répartis : intergiciels, construction de services, intégration de logiciel	Savoir-faire pratique Programmation concurrente élémentaire (illustrée par ex. avec threads Java) Utilisation élémentaire de systèmes intergiciels (par ex. une application simple en Java RMI et en CORBA) Utilisation de mécanismes de base de déport d'exécution (par ex. applets et servlets)
Objectifs au niveau M2 : Formation professionnelle "systèmes" (par ex. ingénieurs RICM option réseaux-systèmes)
Connaissance des principes Cf ci-dessus, plus : Approfondissement des systèmes d'exploitation : architecture interne, gestion de mémoire, multiprocesseurs, communications Eléments d'algorithmique répartie Modélisation, mesure, évaluation de performances	Savoir-faire pratique Cf ci-dessus, plus : Programmation avancée en communication (couches basses des protocoles, etc.)  Administration de système (notamment introduction à la sécurité)

 
 

Objectifs au niveau M2-P : Formation professionnelle "systèmes" (par ex. ingénieurs RICM et DESS GI, options réseaux-systèmes)
Connaissance des principes Approfondissement des principes de l'intergiciel avec objets, composants Sécurité des réseaux, systèmes, applications  Administration de réseaux Tolérance aux fautes ; qualité de service	Savoir-faire pratique Utilisation de systèmes intergiciels Développement d'outils intergiciels pour des cas d'utilisation spécifiques Construction de systèmes spécialisés (embarqués, etc) par assemblage de composants Adaptation de systèmes à des environnements spécifiques (mobile, etc).
Objectifs au niveau M2-P : Formation professionnelle (autre domaine de spécialité)
Connaissance des principes Sécurité des réseaux, systèmes, applications	Savoir-faire pratique Utilisation de systèmes intergiciels Déploiement et administration d'applications (composition d'applications, intégration) Mise en oeuvre de politiques de sécurité

Ces objectifs sont exprimés pour les formations générales et professionnelles. Concernant la formation à la recherche (niveau M2-R), l'objectif est de permettre la composition de parcours très modulaires pouvant incluse aussi bien des modules propres à M2 que des modules proposés en M1 notamment au titre des options.

Les modules M2 actuels relevant du domaine des systèmes au sens large sont regroupés dans l'option SAP du DEA ISC. On y trouve notamment des modules "fondamentaux" (Algorithmique et techniques de base des systèmes répartis, Algorithmique et techniques de base des systèmes parallèles, Évaluation de performances, etc.) et des modules plus appliqués (Construction d'applications parallèles et réparties, Architectures en grappes, Communiations mobiles, etc.).

Le système LMD permet la mise en place de modules d'option en M1. Concernant les systèmes, on peut concevoir plusieurs orientations pour ces options (typiquement 6 ECTS chacune). Les contenus sont donnés à titre très indicatif.

• une option orientée "systèmes " : 1) Noyaux de systèmes (devrait intéresser aussi systèmes embarqués) : construction de noyaux modulaires en environnement contraint) 2) Techniques de "programmation système", i.e. gestion de ressources, techniques de ramasse-miettes,  implantation de machines virtuelles, etc.
• une option orientée "middleware". Celle ci est effectivement proposée en 2003-2004 (Middleware Adaptable)
• une option orientée "réseaux". Contenu à définir (réseaux ad hoc, réseaux mobiles, qualité de service, etc.).

Sur la situation existante

• Il y a une baisse sensible (sur les 10 dernières années) de la compétence des étudiants, en termes de savoir-faire pratique ("se débrouiller" concrètement face à des problèmes de réalisation un peu complexe). En particulier, les étudiants manquent de méthode et n'utilisent pas de façon rigoureuse et systématique (voire n'utilisent pas du tout) les outils élémentaires de développement  (make, gestion de versions, etc).
• Il y a un manque important de connaissances et de savoir-faire dans tout ce qui relève de la programmation de "bas niveau" et des notions concrètes relatives aux systèmes (manipulation des APIs système, gestion des ressources, etc.). Le passage d'un environnement Unix à un environnement Windows ne fait qu'accentuer cette tendance.
• Il y a un manque de lien entre les connaissances théoriques et la pratique courante, et un défaut de sens physique. En particulier, les notions d'ordre de grandeur échappent très souvent aux étudiants, ainsi que les techniques simples (du niveau de la règle de 3) permettant de chiffrer des performances de manière approximative.

Programmes existants et propositions

Existant (programmes, transparents, TP, etc).

• au niveau bac+2, Introduction aux systèmes et réseaux en MIAG1 et DEUG-TI 2. Doit disparaître dans la réforme LMD mais le contenu sera essentiellement repris en L3 (voir plus loin) et dans le cours équivalent en MIAGE2
• au niveau bac+5
• en DEA voir Algorithmique et Techniques de base des systèmes répartis, et plus généralement les cours de l'option SAP.
• en DESS-GI, voir Systèmes et Applications Répartis
• un cours équivalent est fait en RICM3, mais sans la partie Sécurité, traitée dans un cours séparé. Voir programme.

Propositions (maquette pour LMD)

Cours

• Cours au niveau L3 : Introduction aux Systèmes et Réseaux
• Cours au niveau M1 (tronc commun) :
• Conception des Systèmes d'Exploitation
• Réseaux et Applications Réparties
• Cours au niveau M1 (option proposée)
• Middleware Adaptable
• Cours au niveau M2
• reprennent en gros l'existant, voir ci-dessus (DESS-GI pour M2-P et DEA pour M2-R)

Projets (les 2 projets sont nouveaux et seront introduits à partir de 2003-2004)

L'objectif de ce projet est de réaliser un noyau de gestion de processus. Ce noyau doit permettre d'exécuter un programme C écrit en terme de processus légers (threads) coopérant à travers des données partagées. Il offre les opérateurs permettant de créer/détruire des processus et de les synchroniser via des objets de synchronisation (sémaphores, verrous). Une gestion des processus en temps partagé avec priorité et un service échéancier en font un noyau dit  "temps réel".
La machine cible de ce noyau est une architecture Intel 386 "nue". La réalisation du noyau exige de manipuler les mécanismes de bas niveau que sont les interruptions, les commutations de contexte, les horloges et contrôleurs
d'entrées/sorties. Si la majeure partie de la programmation se fait en C, une petite partie se fait en assembleur.
Le développement du noyau et des programmes de  test  se fait de façon "croisée" à partir d'une station de travail Linux (édition, compilation et édition de lien). La réalisation du noyau s'accompagne de la réalisation d'un minimum de services permettant de charger un programme concurrent sur la machine cible, de l'exécuter et d'interagir avec lui via le clavier et l'écran.

Niveau M2  (également en RICM-3): projet "intégrateur" en middleware, interaction avec aspects BD, IHM, GL.

Voir description ici.

Volumes horaires

Autres ressources

Modalités de mise en oeuvre

• c'est de plus en plus sur de tels projets réalistes, de taille crédible, utilisant les techniques et les standards courants, que se fera la différenciation entre les formations, notamment professionnelles, et que s'établira leur rayonnement et leur attractivité tant vis-à-vis des étudiants que de leurs futurs employeurs (et cela d'autant plus que ces projets seront diffusés vers l'extérieur, ce qui est un objectif visé à terme).
• de tels projets constituent un support essentiel pour les activités de formation permanente pour lesquelles la demande est grande.

Les activités de TP et de projet en systèmes doivent s'appuyer largement sur de standards ouverts et sur l'usage de logiciel libre (notamment Linux pour ce qui concerne le système d'exploittaion), d'une part pour des raisons financières, mais surtout pour exploiter les ressources disponibles (logiciel, documentation) et utiliser la compétence de la communauté regroupée autour de ces ressources.
 

Recommandations

Concernant les programmes et leur évolution

• les notions de programmation par objets
• la familiarisation avec les outils courants de développement, en particulier dans les environnements C et Java.

Concernant les liens avec les autres disciplines

• algorithmique, programmation, génie logiciel
• architecture matérielle
• réseaux
• bases de données, systèmes d'information
• interaction homme-machine

Concernant les ressources matérielles et logicielles

2) Il faut examiner la possibilité d'extensions WiFi au réseau existant pour généraliser l'usage de portables par les étudiants. Une pré-étude sera menée sur ce sujet (coordinateur : Jean-Marc Vincent)