Formal Verification and Validation of AADL Models

International audienceSafety-critical systems are increasingly difficult to com- prehend due to their rising complexity. Methodologies, tools and modeling formalisms have been developed to overcome this. Component-based design is an im- portant paradigm that is shared by many of them

Multilevel Runtime Verification for Safety and Security Critical Cyber Physical Systems from a Model Based Engineering Perspective

Advanced embedded system technology is one of the key driving forces behind the rapid growth of Cyber-Physical System (CPS) applications. CPS consists of multiple coordinating and cooperating components, which are often software-intensive and interact with each other to achieve unprecedented tasks. Such highly integrated CPSs have complex interaction failures, attack surfaces, and attack vectors that we have to protect and secure against. This dissertation advances the state-of-the-art by developing a multilevel runtime monitoring approach for safety and security critical CPSs where there are monitors at each level of processing and integration. Given that computation and data processing vulnerabilities may exist at multiple levels in an embedded CPS, it follows that solutions present at the levels where the faults or vulnerabilities originate are beneficial in timely detection of anomalies. Further, increasing functional and architectural complexity of critical CPSs have significant safety and security operational implications. These challenges are leading to a need for new methods where there is a continuum between design time assurance and runtime or operational assurance. Towards this end, this dissertation explores Model Based Engineering methods by which design assurance can be carried forward to the runtime domain, creating a shared responsibility for reducing the overall risk associated with the system at operation. Therefore, a synergistic combination of Verification & Validation at design time and runtime monitoring at multiple levels is beneficial in assuring safety and security of critical CPS. Furthermore, we realize our multilevel runtime monitor framework on hardware using a stream-based runtime verification language

Methoden und Beschreibungssprachen zur Modellierung und Verifikation vonSchaltungen und Systemen: MBMV 2015 - Tagungsband, Chemnitz, 03. - 04. März 2015

Der Workshop Methoden und Beschreibungssprachen zur Modellierung und Verifikation von Schaltungen und Systemen (MBMV 2015) findet nun schon zum 18. mal statt. Ausrichter sind in diesem Jahr die Professur Schaltkreis- und Systementwurf der Technischen Universität Chemnitz und das Steinbeis-Forschungszentrum Systementwurf und Test. Der Workshop hat es sich zum Ziel gesetzt, neueste Trends, Ergebnisse und aktuelle Probleme auf dem Gebiet der Methoden zur Modellierung und Verifikation sowie der Beschreibungssprachen digitaler, analoger und Mixed-Signal-Schaltungen zu diskutieren. Er soll somit ein Forum zum Ideenaustausch sein. Weiterhin bietet der Workshop eine Plattform für den Austausch zwischen Forschung und Industrie sowie zur Pflege bestehender und zur Knüpfung neuer Kontakte. Jungen Wissenschaftlern erlaubt er, ihre Ideen und Ansätze einem breiten Publikum aus Wissenschaft und Wirtschaft zu präsentieren und im Rahmen der Veranstaltung auch fundiert zu diskutieren. Sein langjähriges Bestehen hat ihn zu einer festen Größe in vielen Veranstaltungskalendern gemacht. Traditionell sind auch die Treffen der ITGFachgruppen an den Workshop angegliedert. In diesem Jahr nutzen zwei im Rahmen der InnoProfile-Transfer-Initiative durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Projekte den Workshop, um in zwei eigenen Tracks ihre Forschungsergebnisse einem breiten Publikum zu präsentieren. Vertreter der Projekte Generische Plattform für Systemzuverlässigkeit und Verifikation (GPZV) und GINKO - Generische Infrastruktur zur nahtlosen energetischen Kopplung von Elektrofahrzeugen stellen Teile ihrer gegenwärtigen Arbeiten vor. Dies bereichert denWorkshop durch zusätzliche Themenschwerpunkte und bietet eine wertvolle Ergänzung zu den Beiträgen der Autoren. [... aus dem Vorwort

Software engineering perspectives on physiological computing

Physiological computing is an interesting and promising concept to widen the communication channel between the (human) users and computers, thus allowing an increase of software systems' contextual awareness and rendering software systems smarter than they are today. Using physiological inputs in pervasive computing systems allows re-balancing the information asymmetry between the human user and the computer system: while pervasive computing systems are well able to flood the user with information and sensory input (such as sounds, lights, and visual animations), users only have a very narrow input channel to computing systems; most of the time, restricted to keyboards, mouse, touchscreens, accelerometers and GPS receivers (through smartphone usage, e.g.). Interestingly, this information asymmetry often forces the user to subdue to the quirks of the computing system to achieve his goals -- for example, users may have to provide information the software system demands through a narrow, time-consuming input mode that the system could sense implicitly from the human body. Physiological computing is a way to circumvent these limitations; however, systematic means for developing and moulding physiological computing applications into software are still unknown. This thesis proposes a methodological approach to the creation of physiological computing applications that makes use of component-based software engineering. Components help imposing a clear structure on software systems in general, and can thus be used for physiological computing systems as well. As an additional bonus, using components allow physiological computing systems to leverage reconfigurations as a means to control and adapt their own behaviours. This adaptation can be used to adjust the behaviour both to the human and to the available computing environment in terms of resources and available devices - an activity that is crucial for complex physiological computing systems. With the help of components and reconfigurations, it is possible to structure the functionality of physiological computing applications in a way that makes them manageable and extensible, thus allowing a stepwise and systematic extension of a system's intelligence. Using reconfigurations entails a larger issue, however. Understanding and fully capturing the behaviour of a system under reconfiguration is challenging, as the system may change its structure in ways that are difficult to fully predict. Therefore, this thesis also introduces a means for formal verification of reconfigurations based on assume-guarantee contracts. With the proposed assume-guarantee contract framework, it is possible to prove that a given system design (including component behaviours and reconfiguration specifications) is satisfying real-time properties expressed as assume-guarantee contracts using a variant of real-time linear temporal logic introduced in this thesis - metric interval temporal logic for reconfigurable systems. Finally, this thesis embeds both the practical approach to the realisation of physiological computing systems and formal verification of reconfigurations into Scrum, a modern and agile software development methodology. The surrounding methodological approach is intended to provide a frame for the systematic development of physiological computing systems from first psychological findings to a working software system with both satisfactory functionality and software quality aspects. By integrating practical and theoretical aspects of software engineering into a self-contained development methodology, this thesis proposes a roadmap and guidelines for the creation of new physiological computing applications.Physiologisches Rechnen ist ein interessantes und vielversprechendes Konzept zur Erweiterung des Kommunikationskanals zwischen (menschlichen) Nutzern und Rechnern, und dadurch die Berücksichtigung des Nutzerkontexts in Software-Systemen zu verbessern und damit Software-Systeme intelligenter zu gestalten, als sie es heute sind. Physiologische Eingangssignale in ubiquitären Rechensystemen zu verwenden, ermöglicht eine Neujustierung der Informationsasymmetrie, die heute zwischen Menschen und Rechensystemen existiert: Während ubiquitäre Rechensysteme sehr wohl in der Lage sind, den Menschen mit Informationen und sensorischen Reizen zu überfluten (z.B. durch Töne, Licht und visuelle Animationen), hat der Mensch nur sehr begrenzte Einflussmöglichkeiten zu Rechensystemen. Meistens stehen nur Tastaturen, die Maus, berührungsempfindliche Bildschirme, Beschleunigungsmesser und GPS-Empfänger (zum Beispiel durch Mobiltelefone oder digitale Assistenten) zur Verfügung. Diese Informationsasymmetrie zwingt die Benutzer zur Unterwerfung unter die Usancen der Rechensysteme, um ihre Ziele zu erreichen - zum Beispiel müssen Nutzer Daten manuell eingeben, die auch aus Sensordaten des menschlichen Körpers auf unauffällige weise erhoben werden können. Physiologisches Rechnen ist eine Möglichkeit, diese Beschränkung zu umgehen. Allerdings fehlt eine systematische Methodik für die Entwicklung physiologischer Rechensysteme bis zu fertiger Software. Diese Dissertation präsentiert einen methodischen Ansatz zur Entwicklung physiologischer Rechenanwendungen, der auf der komponentenbasierten Softwareentwicklung aufbaut. Der komponentenbasierte Ansatz hilft im Allgemeinen dabei, eine klare Architektur des Software-Systems zu definieren, und kann deshalb auch für physiologische Rechensysteme angewendet werden. Als zusätzlichen Vorteil erlaubt die Komponentenorientierung in physiologischen Rechensystemen, Rekonfigurationen als Mittel zur Kontrolle und Anpassung des Verhaltens von physiologischen Rechensystemen zu verwenden. Diese Adaptionstechnik kann genutzt werden um das Verhalten von physiologischen Rechensystemen an den Benutzer anzupassen, sowie an die verfügbare Recheninfrastruktur im Sinne von Systemressourcen und Geräten - eine Maßnahme, die in komplexen physiologischen Rechensystemen entscheidend ist. Mit Hilfe der Komponentenorientierung und von Rekonfigurationen wird es möglich, die Funktionalität von physiologischen Rechensystemen so zu strukturieren, dass das System wartbar und erweiterbar bleibt. Dadurch wird eine schrittweise und systematische Erweiterung der Funktionalität des Systems möglich. Die Verwendung von Rekonfigurationen birgt allerdings Probleme. Das Systemverhalten eines Software-Systems, das Rekonfigurationen unterworfen ist zu verstehen und vollständig einzufangen ist herausfordernd, da das System seine Struktur auf schwer vorhersehbare Weise verändern kann. Aus diesem Grund führt diese Arbeit eine Methode zur formalen Verifikation von Rekonfigurationen auf Grundlage von Annahme-Zusicherungs-Verträgen ein. Mit dem vorgeschlagenen Annahme-Zusicherungs-Vertragssystem ist es möglich zu beweisen, dass ein gegebener Systementwurf (mitsamt Komponentenverhalten und Spezifikation des Rekonfigurationsverhaltens) eine als Annahme-Zusicherungs-Vertrag spezifizierte Echtzeiteigenschaft erfüllt. Für die Spezifikation von Echtzeiteigenschaften kann eine Variante von linearer Temporallogik für Echtzeit verwendet werden, die in dieser Arbeit eingeführt wird: Die metrische Intervall-Temporallogik für rekonfigurierbare Systeme. Schließlich wird in dieser Arbeit sowohl ein praktischer Ansatz zur Realisierung von physiologischen Rechensystemen als auch die formale Verifikation von Rekonfigurationen in Scrum eingebettet, einer modernen und agilen Softwareentwicklungsmethodik. Der methodische Ansatz bietet einen Rahmen für die systematische Entwicklung physiologischer Rechensysteme von Erkenntnissen zur menschlichen Physiologie hin zu funktionierenden physiologischen Softwaresystemen mit zufriedenstellenden funktionalen und qualitativen Eigenschaften. Durch die Integration sowohl von praktischen wie auch theoretischen Aspekten der Softwaretechnik in eine vollständige Entwicklungsmethodik bietet diese Arbeit einen Fahrplan und Richtlinien für die Erstellung neuer physiologischer Rechenanwendungen

Developing a distributed electronic health-record store for India

The DIGHT project is addressing the problem of building a scalable and highly available information store for the Electronic Health Records (EHRs) of the over one billion citizens of India

Formal Verification of Probabilistic SystemC Models with Statistical Model Checking

Transaction-level modeling with SystemC has been very successful in describing the behavior of embedded systems by providing high-level executable models, in which many of them have inherent probabilistic behaviors, e.g., random data and unreliable components. It thus is crucial to have both quantitative and qualitative analysis of the probabilities of system properties. Such analysis can be conducted by constructing a formal model of the system under verification and using Probabilistic Model Checking (PMC). However, this method is infeasible for large systems, due to the state space explosion. In this article, we demonstrate the successful use of Statistical Model Checking (SMC) to carry out such analysis directly from large SystemC models and allow designers to express a wide range of useful properties. The first contribution of this work is a framework to verify properties expressed in Bounded Linear Temporal Logic (BLTL) for SystemC models with both timed and probabilistic characteristics. Second, the framework allows users to expose a rich set of user-code primitives as atomic propositions in BLTL. Moreover, users can define their own fine-grained time resolution rather than the boundary of clock cycles in the SystemC simulation. The third contribution is an implementation of a statistical model checker. It contains an automatic monitor generation for producing execution traces of the model-under-verification (MUV), the mechanism for automatically instrumenting the MUV, and the interaction with statistical model checking algorithms.Comment: Journal of Software: Evolution and Process. Wiley, 2017. arXiv admin note: substantial text overlap with arXiv:1507.0818

A Methodology for the Design of Safety-Compliant and Secure Communication of Autonomous Vehicles

International audience; The automotive industry is increasing its effort towards scientific and technological innovations regarding autonomous vehicles. The expectation is a reduction of road accidents, which are too often caused by human errors. Moreover, technological solutions, such as connected autonomous vehicle platoons, are expected to help humans in emergency situations. In this context, safety and security issues do not yet have a satisfactory answer. In this paper, we address the domain of secure communication among vehicles - especially the issues related to authentication and authorization of inter-vehicular signals and services carrying safety commands. We propose a novel design methodology, where we take a contract-based approach for specifying safety, and combine it in the design flow with the use of the Arrowhead Framework to support security. Furthermore, we present the results through a demo, which employs model-based design for software implementation and the physical realization on autonomous model cars

Proceedings of the Sixth NASA Langley Formal Methods (LFM) Workshop

Today's verification techniques are hard-pressed to scale with the ever-increasing complexity of safety critical systems. Within the field of aeronautics alone, we find the need for verification of algorithms for separation assurance, air traffic control, auto-pilot, Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), adaptive avionics, automated decision authority, and much more. Recent advances in formal methods have made verifying more of these problems realistic. Thus we need to continually re-assess what we can solve now and identify the next barriers to overcome. Only through an exchange of ideas between theoreticians and practitioners from academia to industry can we extend formal methods for the verification of ever more challenging problem domains. This volume contains the extended abstracts of the talks presented at LFM 2008: The Sixth NASA Langley Formal Methods Workshop held on April 30 - May 2, 2008 in Newport News, Virginia, USA. The topics of interest that were listed in the call for abstracts were: advances in formal verification techniques; formal models of distributed computing; planning and scheduling; automated air traffic management; fault tolerance; hybrid systems/hybrid automata; embedded systems; safety critical applications; safety cases; accident/safety analysis