Automata-theoretic and bounded model checking for linear temporal logic

In this work we study methods for model checking the temporal logic LTL. The focus is on the automata-theoretic approach to model checking and bounded model checking. We begin by examining automata-theoretic methods to model check LTL safety properties. The model checking problem can be reduced to checking whether the language of a finite state automaton on finite words is empty. We describe an efficient algorithm for generating small finite state automata for so called non-pathological safety properties. The presented implementation is the first tool able to decide whether a formula is non-pathological. The experimental results show that treating safety properties can benefit model checking at very little cost. In addition, we find supporting evidence for the view that minimising the automaton representing the property does not always lead to a small product state space. A deterministic property automaton can result in a smaller product state space even though it might have a larger number states. Next we investigate modular analysis. Modular analysis is a state space reduction method for modular Petri nets. The method can be used to construct a reduced state space called the synchronisation graph. We devise an on-the-fly automata-theoretic method for model checking the behaviour of a modular Petri net from the synchronisation graph. The solution is based on reducing the model checking problem to an instance of verification with testers. We analyse the tester verification problem and present an efficient on-the-fly algorithm, the first complete solution to tester verification problem, based on generalised nested depth-first search. We have also studied propositional encodings for bounded model checking LTL. A new simple linear sized encoding is developed and experimentally evaluated. The implementation in the NuSMV2 model checker is competitive with previously presented encodings. We show how to generalise the LTL encoding to a more succint logic: LTL with past operators. The generalised encoding compares favourably with previous encodings for LTL with past operators. Links between bounded model checking and the automata-theoretic approach are also explored.reviewe

Linear Encodings of Bounded LTL Model Checking

We consider the problem of bounded model checking (BMC) for linear temporal logic (LTL). We present several efficient encodings that have size linear in the bound. Furthermore, we show how the encodings can be extended to LTL with past operators (PLTL). The generalised encoding is still of linear size, but cannot detect minimal length counterexamples. By using the virtual unrolling technique minimal length counterexamples can be captured, however, the size of the encoding is quadratic in the specification. We also extend virtual unrolling to Buchi automata, enabling them to accept minimal length counterexamples. Our BMC encodings can be made incremental in order to benefit from incremental SAT technology. With fairly small modifications the incremental encoding can be further enhanced with a termination check, allowing us to prove properties with BMC. Experiments clearly show that our new encodings improve performance of BMC considerably, particularly in the case of the incremental encoding, and that they are very competitive for finding bugs. An analysis of the liveness-to-safety transformation reveals many similarities to the BMC encodings in this paper. Using the liveness-to-safety translation with BDD-based invariant checking results in an efficient method to find shortest counterexamples that complements the BMC-based approach.Comment: Final version for Logical Methods in Computer Science CAV 2005 special issu

A network mobility management architecture for a heteregeneous network environment

Network mobility management enables mobility of personal area networks and vehicular networks across heterogeneous access networks using a Mobile Router. This dissertation presents a network mobility management architecture for minimizing the impact of handoffs on the communications of nodes in the mobile network. The architecture addresses mobility in legacy networks without infrastructure support, but can also exploit infrastructure support for improved handoff performance. Further, the proposed architecture increases the efficiency of communications of nodes in the mobile network with counter parts in the fixed network through the use of caching and route optimization. The performance and costs of the proposed architecture are evaluated through empirical and numerical analysis. The analysis shows the feasibility of the architecture in the networks of today and in those of the near future.Verkkojen liikkuuvudenhallinta mahdollistaa henkilökohtaisten ja ajoneuvoihin asennettujen verkkojen liikkuvuuden heterogeenisessä verkkoympäristössä käyttäen liikkuvaa reititintä. Tämä väitöskirja esittää uuden arkkitehtuurin verkkojen liikkuvuudenhallintaan, joka minimoi verkonvaihdon vaikutuksen päätelaitteiden yhteyksiin. Vanhoissa verkoissa, joiden infrastruktuuri ei tue verkkojen liikkuvuutta, verkonvaihdos täytyy hallita liikkuvassa reitittimessa. Standardoitu verkkojen liikkuvuudenhallintaprotokolla NEMO mahdollistaa tämän käyttäen ankkurisolmua kiinteässä verkossa pakettien toimittamiseen päätelaitteiden kommunikaatiokumppaneilta liikkuvalle reitittimelle. NEMO:ssa verkonvaihdos aiheuttaa käynnissä olevien yhteyksien keskeytymisen yli sekunnin mittaiseksi ajaksi, aiheuttaen merkittävää häiriötä viestintäsovelluksille. Esitetyssä arkkitehtuurissa verkonvaihdon vaikutus minimoidaan varustamalla liikkuva reititin kahdella radiolla. Käyttäen kahta radiota liikkuva reititin pystyy suorittamaan verkonvaihdon keskeyttämättä päätelaitteiden yhteyksiä, mikäli verkonvaihtoon on riittävästi aikaa. Käytettävissa oleva aika riippuu liikkuvan reitittimen nopeudesta ja radioverkon rakenteesta. Arkkitehtuuri osaa myös hyödyntää infrastruktuurin tukea saumattomaan verkonvaihtoon. Verkkoinfrastruktuurin tuki nopeuttaa verkonvaihdosprosessia, kasvattaenmaksimaalista verkonvaihdos tahtia. Tällöin liikkuva reitin voi käyttää lyhyen kantaman radioverkkoja, joiden solun säde on yli 80m, ajonopeuksilla 90m/s asti ilman, että verkonvaihdos keskeyttää päätelaitteiden yhteyksiä. Lisäksi ehdotettu arkkitehtuuri tehostaa kommunikaatiota käyttäen cache-palvelimia liikkuvassa ja kiinteässä verkossa ja optimoitua reititystä liikkuvien päätelaitteiden ja kiinteässä verkossa olevien kommunikaatiosolmujen välillä. Cache-palvelinarkkitehtuuri hyödyntää vapaita radioresursseja liikkuvan verkon cache-palvelimen välimuistin päivittämiseen. Heterogeenisessä verkkoympäristossä cache-palvelimen päivitys suoritetaan lyhyen kantaman laajakaistaisia radioverkkoja käyttäen. Liikkuvan reitittimen siirtyessä laajakaistaisen radioverkon peitealueen ulkopuolelle päätelaitteille palvellaan sisältöä, kuten www sivuja tai videota cache-palvelimelta, säästäen laajemman kantaman radioverkon rajoitetumpia resursseja. Arkkitehtuurissa käytetään optimoitua reititystä päätelaitteiden ja niiden kommunikaatiokumppaneiden välillä. Optimoitu reititysmekanismi vähentää liikkuvuudenhallintaan käytettyjen protokollien langattoman verkon resurssien kulutusta. Lisäksi optimoitu reititysmekanismi tehostaa pakettien reititystä käyttäen suorinta reittiä kommunikaatiosolmujen välillä. Esitetyn arkkitehtuurin suorituskyky arvioidaan empiirisen ja numeerisen analyysin avulla. Analyysi arvioi arkkitehtuurin suorituskykyä ja vertaa sitä aikaisemmin ehdotettuihin ratkaisuihin ja osoittaa arkkitehtuurin soveltuvan nykyisiin ja lähitulevaisuuden langattomiin verkkoihin.reviewe

Automata-theoretic and bounded model checking for linear temporal logic

ABSTRACT: In this work we study methods for model checking the temporal logic LTL. The focus is on the automata-theoretic approach to model checking and bounded model checking. We begin by examining automata-theoretic methods to model check LTL safety properties. The model checking problem can be reduced to checking whether the language of a finite state automaton on finite words is empty. We describe an efficient algorithm for generating small finite state automata for so called non-pathological safety properties. The presented implementation is the first tool able to decide whether a formula is non-pathological. The experimental results show that treating safety properties can benefit model checking at very little cost. In addition, we find supporting evidence for the view that minimising the automaton representing the property does not alway

On bounded model checking of asynchronous systems

This dissertation studies the verification of reachability properties of concurrent systems where the components of the system are Labeled Transition Systems (LTSs) using a symbolic model checking technique called Bounded Model Checking (BMC). BMC is a technique that seeks to answer the question whether among the system’s executions shorter than some given number of steps there is one (or more) violating a given property. Answering this question is reduced to propositional satisfiability, i.e., to a propositional formula that is satisfiable iff there is such a violating execution. The translation from a system to a formula is polynomial in the size of the system but the running time of the propositional solver can be exponential in the number of atomic propositions in the formula. This number, on the other hand, correlates directly with the number of execution steps that the formula models. Traditionally, LTSs are model checked by composing the component