100 research outputs found

    Modelling, reduction and analysis of Markov automata (extended version)

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    Markov automata (MA) constitute an expressive continuous-time compositional modelling formalism. They appear as semantic backbones for engineering frameworks including dynamic fault trees, Generalised Stochastic Petri Nets, and AADL. Their expressive power has thus far precluded them from effective analysis by probabilistic (and statistical) model checkers, stochastic game solvers, or analysis tools for Petri net-like formalisms. This paper presents the foundations and underlying algorithms for efficient MA modelling, reduction using static analysis, and most importantly, quantitative analysis. We also discuss implementation pragmatics of supporting tools and present several case studies demonstrating feasibility and usability of MA in practice

    Model-based dependability analysis : state-of-the-art, challenges and future outlook

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    Abstract: Over the past two decades, the study of model-based dependability analysis has gathered significant research interest. Different approaches have been developed to automate and address various limitations of classical dependability techniques to contend with the increasing complexity and challenges of modern safety-critical system. Two leading paradigms have emerged, one which constructs predictive system failure models from component failure models compositionally using the topology of the system. The other utilizes design models - typically state automata - to explore system behaviour through fault injection. This paper reviews a number of prominent techniques under these two paradigms, and provides an insight into their working mechanism, applicability, strengths and challenges, as well as recent developments within these fields. We also discuss the emerging trends on integrated approaches and advanced analysis capabilities. Lastly, we outline the future outlook for model-based dependability analysis

    Analysis of Timed and Long-Run Objectives for Markov Automata

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    Markov automata (MAs) extend labelled transition systems with random delays and probabilistic branching. Action-labelled transitions are instantaneous and yield a distribution over states, whereas timed transitions impose a random delay governed by an exponential distribution. MAs are thus a nondeterministic variation of continuous-time Markov chains. MAs are compositional and are used to provide a semantics for engineering frameworks such as (dynamic) fault trees, (generalised) stochastic Petri nets, and the Architecture Analysis & Design Language (AADL). This paper considers the quantitative analysis of MAs. We consider three objectives: expected time, long-run average, and timed (interval) reachability. Expected time objectives focus on determining the minimal (or maximal) expected time to reach a set of states. Long-run objectives determine the fraction of time to be in a set of states when considering an infinite time horizon. Timed reachability objectives are about computing the probability to reach a set of states within a given time interval. This paper presents the foundations and details of the algorithms and their correctness proofs. We report on several case studies conducted using a prototypical tool implementation of the algorithms, driven by the MAPA modelling language for efficiently generating MAs.Comment: arXiv admin note: substantial text overlap with arXiv:1305.705

    One Net Fits All: A unifying semantics of Dynamic Fault Trees using GSPNs

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    Dynamic Fault Trees (DFTs) are a prominent model in reliability engineering. They are strictly more expressive than static fault trees, but this comes at a price: their interpretation is non-trivial and leaves quite some freedom. This paper presents a GSPN semantics for DFTs. This semantics is rather simple and compositional. The key feature is that this GSPN semantics unifies all existing DFT semantics from the literature. All semantic variants can be obtained by choosing appropriate priorities and treatment of non-determinism.Comment: Accepted at Petri Nets 201

    Extending Markov Automata with State and Action Rewards

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    This presentation introduces the Markov Reward Automaton (MRA), an extension of the Markov automaton that allows the modelling of systems incorporating rewards in addition to nondeterminism, discrete probabilistic choice and continuous stochastic timing. Our models support both rewards that are acquired instantaneously when taking certain transitions (action rewards) and rewards that are based on the duration that certain conditions hold (state rewards). In addition to introducing the MRA model, we extend the process-algebraic language MAPA to easily specify MRAs. Also, we provide algorithms for computing the expected reward until reaching one of a certain set of goal states, as well as the long-run average reward. We extended the MAMA tool chain (consisting of the tools SCOOP and IMCA) to implement the reward extension of MAPA and these algorithms

    Methodologies synthesis

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    This deliverable deals with the modelling and analysis of interdependencies between critical infrastructures, focussing attention on two interdependent infrastructures studied in the context of CRUTIAL: the electric power infrastructure and the information infrastructures supporting management, control and maintenance functionality. The main objectives are: 1) investigate the main challenges to be addressed for the analysis and modelling of interdependencies, 2) review the modelling methodologies and tools that can be used to address these challenges and support the evaluation of the impact of interdependencies on the dependability and resilience of the service delivered to the users, and 3) present the preliminary directions investigated so far by the CRUTIAL consortium for describing and modelling interdependencies

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

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    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
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