Forward Analysis and Model Checking for Trace Bounded WSTS

We investigate a subclass of well-structured transition systems (WSTS), the bounded---in the sense of Ginsburg and Spanier (Trans. AMS 1964)---complete deterministic ones, which we claim provide an adequate basis for the study of forward analyses as developed by Finkel and Goubault-Larrecq (Logic. Meth. Comput. Sci. 2012). Indeed, we prove that, unlike other conditions considered previously for the termination of forward analysis, boundedness is decidable. Boundedness turns out to be a valuable restriction for WSTS verification, as we show that it further allows to decide all $\omega$-regular properties on the set of infinite traces of the system

Measurements, Models, Systems and Design

531 s.

Parameterized verification and repair of concurrent systems

In this thesis, we present novel approaches for model checking, repair and synthesis of systems that may be parameterized in their number of components. The parameterized model checking problem (PMCP) is in general undecidable, and therefore the focus is on restricted classes of parameterized concurrent systems where the problem is decidable. Under certain conditions, the problem is decidable for guarded protocols, and for systems that communicate via a token, a pairwise, or a broadcast synchronization. In this thesis we improve existing results for guarded protocols and we show that the PMCP of guarded protocols and token passing systems is decidable for specifications that add a quantitative aspect to LTL, called Prompt-LTL. Furthermore, we present, to our knowledge, the first parameterized repair algorithm. The parameterized repair problem is to find a refinement of a process implementation p such that the concurrent system with an arbitrary number of instances of p is correct. We show how this algorithm can be used on classes of systems that can be represented as well structured transition systems (WSTS). Additionally we present two safety synthesis algorithms that utilize a lazy approach. Given a faulty system, the algorithms first symbolically model check the system, then the obtained error traces are analyzed to synthesize a candidate that has no such traces. Experimental results show that our algorithm solves a number of benchmarks that are intractable for existing tools. Furthermore, we introduce our tool AIGEN for generating random Boolean functions and transition systems in a symbolic representation.In dieser Arbeit stellen wir neuartige Ans atze für das Model-Checking, die Reparatur und die Synthese von Systemen vor, die in ihrer Anzahl von Komponenten parametrisiert sein können. Das Problem des parametrisierten Model-Checking (PMCP) ist im Allgemeinen unentscheidbar, und daher liegt der Fokus auf eingeschränkten Klassen parametrisierter synchroner Systeme, bei denen das Problem entscheidbar ist. Unter bestimmten Bedingungen ist das Problem für Guarded Protocols und für Systeme, die über ein Token, eine Pairwise oder eine Broadcast-Synchronisation kommunizieren, entscheidbar. In dieser Arbeit verbessern wir bestehende Ergebnisse für Guarded Protocols und zeigen die Entscheidbarkeit des PMCP für Guarded Protocols und Token-Passing Systeme mit Spezifikationen in der temporalen Logik Prompt-LTL, die LTL einen quantitativen Aspekt hinzufügt. Darüber hinaus präsentieren wir unseres Wissens den ersten parametrisierten Reparaturalgorithmus. Das parametrisierte Reparaturproblem besteht darin, eine Verfeinerung einer Prozessimplementierung p zu finden, so dass das synchrone Systeme mit einer beliebigen Anzahl von Instanzen von p korrekt ist. Wir zeigen, wie dieser Algorithmus auf Klassen von Systemen angewendet werden kann, die als Well Structured Transition Systems (WSTS) dargestellt werden können. Außerdem präsentieren wir zwei Safety-Synthesis Algorithmen, die einen "lazy" Ansatz verwenden. Bei einem fehlerhaften System überprüfen die Algorithmen das System symbolisch, dann werden die erhaltenen "Gegenbeispiel" analysiert, um einen Kandidaten zu synthetisieren der keine solchen Fehlerpfade hat. Versuchsergebnisse zeigen, dass unser Algorithmus eine Reihe von Benchmarks löst, die für bestehende Tools nicht lösbar sind. Darüber hinaus stellen wir unser Tool AIGEN zur Erzeugung zufälliger Boolescher Funktionen und Transitionssysteme in einer symbolischen Darstellung vor

Complexity Hierarchies Beyond Elementary

We introduce a hierarchy of fast-growing complexity classes and show its suitability for completeness statements of many non elementary problems. This hierarchy allows the classification of many decision problems with a non-elementary complexity, which occur naturally in logic, combinatorics, formal languages, verification, etc., with complexities ranging from simple towers of exponentials to Ackermannian and beyond.Comment: Version 3 is the published version in TOCT 8(1:3), 2016. I will keep updating the catalogue of problems from Section 6 in future revision

Distributed Simulation of High-Level Algebraic Petri Nets

In the field of Petri nets, simulation is an essential tool to validate and evaluate models. Conventional simulation techniques, designed for their use in sequential computers, are too slow if the system to simulate is large or complex. The aim of this work is to search for techniques to accelerate simulations exploiting the parallelism available in current, commercial multicomputers, and to use these techniques to study a class of Petri nets called high-level algebraic nets. These nets exploit the rich theory of algebraic specifications for high-level Petri nets: Petri nets gain a great deal of modelling power by representing dynamically changing items as structured tokens whereas algebraic specifications turned out to be an adequate and flexible instrument for handling structured items. In this work we focus on ECATNets (Extended Concurrent Algebraic Term Nets) whose most distinctive feature is their semantics which is defined in terms of rewriting logic. Nevertheless, ECATNets have two drawbacks: the occultation of the aspect of time and a bad exploitation of the parallelism inherent in the models. Three distributed simulation techniques have been considered: asynchronous conservative, asynchronous optimistic and synchronous. These algorithms have been implemented in a multicomputer environment: a network of workstations. The influence that factors such as the characteristics of the simulated models, the organisation of the simulators and the characteristics of the target multicomputer have in the performance of the simulations have been measured and characterised. It is concluded that synchronous distributed simulation techniques are not suitable for the considered kind of models, although they may provide good performance in other environments. Conservative and optimistic distributed simulation techniques perform well, specially if the model to simulate is complex or large - precisely the worst case for traditional, sequential simulators. This way, studies previously considered as unrealisable, due to their exceedingly high computational cost, can be performed in reasonable times. Additionally, the spectrum of possibilities of using multicomputers can be broadened to execute more than numeric applications

Embedded System Design

A unique feature of this open access textbook is to provide a comprehensive introduction to the fundamental knowledge in embedded systems, with applications in cyber-physical systems and the Internet of things. It starts with an introduction to the field and a survey of specification models and languages for embedded and cyber-physical systems. It provides a brief overview of hardware devices used for such systems and presents the essentials of system software for embedded systems, including real-time operating systems. The author also discusses evaluation and validation techniques for embedded systems and provides an overview of techniques for mapping applications to execution platforms, including multi-core platforms. Embedded systems have to operate under tight constraints and, hence, the book also contains a selected set of optimization techniques, including software optimization techniques. The book closes with a brief survey on testing. This fourth edition has been updated and revised to reflect new trends and technologies, such as the importance of cyber-physical systems (CPS) and the Internet of things (IoT), the evolution of single-core processors to multi-core processors, and the increased importance of energy efficiency and thermal issues

Extra Functional Properties Evaluation of Self-managed Software Systems with Formal Methods

Multitud de aplicaciones software actuales están abocadas a operar en contextos dinámicos. Estos pueden manifestarse en términos de cambios en el entorno de ejecución de la aplicación, cambios en los requisitos de la aplicación, cambios en la carga de trabajo recibida por la aplicación, o cambios en cualquiera de los elementos que la aplicación software pueda percibir y verse afectada. Además, estos contextos dinámicos no están restringidos a un dominio particular de aplicaciones sino que se pueden encontrar en múltiples dominios, tales como: sistemas empotrados, arquitecturas orientadas a servicios, clusters para computación de altas prestaciones, dispositivos móviles o software para el funcionamiento de la red. La existencia de estas características disuade a los ingenieros de desarrollar software que no sea capaz de cambiar de modo alguno su ejecución para acomodarla al contexto en el que se está ejecutando el software en cada momento. Por lo tanto, con el objetivo de que el software pueda satisfacer sus requisitos en todo momento, este debe incluir mecanismos para poder cambiar su configuración de ejecución. Además, debido a que los cambios de contexto son frecuentes y afectan a múltiples dispositivos de la aplicación, la intervención humana que cambie manualmente la configuración del software no es una solución factible. Para enfrentarse a estos desafíos, la comunidad de Ingeniería del Software ha propuesto nuevos paradigmas que posibilitan el desarrollo de software que se enfrenta a contextos cambiantes de un modo automático; por ejemplo las propuestas Autonomic Computing y Self-* Software. En tales propuestas es el propio software quien gestiona sus mecanismos para cambiar la configuración de ejecución, sin requerir por lo tanto intervención humana alguna. Un aspecto esencial del software auto-adaptativo (Self-adaptive Software es uno de los términos más generales para referirse a Self-* Software) es el de planear sus cambios o adaptaciones. Los planes de adaptación determinan tanto el modo en el que se adaptará el software como los momentos oportunos para ejecutar tales adaptaciones. Hay un gran conjunto de situaciones para las cuales la propiedad de auto- adaptación es una solución. Una de esas situaciones es la de mantener al sistema satisfaciendo sus requisitos extra funcionales, tales como la calidad de servicio (Quality of Service, QoS) y su consumo de energía. Esta tesis ha investigado esa situación mediante el uso de métodos formales. Una de las contribuciones de esta tesis es la propuesta para asentar en una arquitectura software los sistemas que son auto-adaptativos respecto a su QoS y su consumo de energía. Con este objetivo, esta parte de la investigación la guía una arquitectura de tres capas de referencia para sistemas auto-adaptativos. La bondad del uso de una arquitectura de referencia es que muestra fácilmente los nuevos desafíos en el diseño de este tipo de sistemas. Naturalmente, la planificación de la adaptación es una de las actividades consideradas en la arquitectura. Otra de las contribuciones de la tesis es la propuesta de métodos para la creación de planes de adaptación. Los métodos formales juegan un rol esencial en esta actividad, ya que posibilitan el estudio de las propiedades extra funcionales de los sistemas en diferentes configuraciones. El método formal utilizado para estos análisis es el de las redes de Petri markovianas. Una vez que se ha creado el plan de adaptación, hemos investigado la utilización de los métodos formales para la evaluación de QoS y consumo de energía de los sistemas auto-adaptativos. Por lo tanto, se ha contribuido a la comunidad de análisis de QoS con el análisis de un nuevo y particularmente complejo tipo de sistemas software. Para llevar a cabo este análisis se requiere el modelado de los cambios din·micos del contexto de ejecución, para lo que se han utilizado una variedad de métodos formales, como los Markov modulated Poisson processes para estimar los parámetros de las variaciones en la carga de trabajo recibida por la aplicación, o los hidden Markov models para predecir el estado del entorno de ejecución. Estos modelos han sido usados junto a las redes de Petri para evaluar sistemas auto-adaptativos y obtener resultados sobre su QoS y consumo de energía. El trabajo de investigación anterior sacó a la luz el hecho de que la adaptabilidad de un sistema no es una propiedad tan fácilmente cuantificable como las propiedades de QoS -por ejemplo, el tiempo de respuesta- o el consumo de energÌa. En consecuencia, se ha investigado en esa dirección y, como resultado, otra de las contribuciones de esta tesis es la propuesta de un conjunto de métricas para la cuantificación de la propiedad de adaptabilidad de sistemas basados en servicios. Para conseguir las anteriores contribuciones se realiza un uso intensivo de modelos y transformaciones de modelos; tarea para la que se han seguido las mejores prácticas en el campo de investigación de la Ingeniería orientada a modelos (Model-driven Engineering, MDE). El trabajo de investigación de esta tesis en el campo MDE ha contribuido con: el aumento de la potencia de modelado de un lenguaje de modelado de software propuesto anteriormente y métodos de transformación desde dos lenguajes de modelado de software a redes de Petri estocasticas