Performance Bounds for Synchronized Queueing Networks

Las redes de Petri estocásticas constituyen un modelo unificado de las diferentes extensiones de redes de colas con sincronizaciones existentes en la literatura, válido para el diseño y análisis de prestaciones de sistemas informáticos distribuidos. En este trabajo se proponen técnicas de cálculo de cotas superiores e inferiores de las prestaciones de redes de Petri estocásticas en estado estacionario. Las cotas obtenidas son calculables en tiempo polinómico en el tamaño del modelo, por medio de la resolución de ciertos problemas de programación lineal definidos a partir de la matriz de incidencia de la red (en este sentido, las técnicas desarrolladas pueden considerarse estructurales). Las cotas calculadas dependen sólamente de los valores medios de las variables aleatorias que describen la temporización del sistema, y son independientes de los momentos de mayor orden. Esta independencia de la forma de las distribuciones de probabilidad asociadas puede considerarse como una útil generalización de otros resultados existentes para distribuciones particulares, puesto que los momentos de orden superior son, habitualmente, desconocidos en la realidad y difíciles de estimar. Finalmente, las técnicas desarrolladas se aplican al análisis de diferentes ejemplos tomados de la literatura sobre sistemas informáticos distribuidos y sistemas de fabricación. ******* Product form queueing networks have long been used for the performance evaluation of computer systems. Their success has been due to their capability of naturally expressing sharing of resources and queueing, that are typical situations of traditional computer systems, as well as to their efficient solution algorithms, of polynomial complexity on the size of the model. Unfortunately, the introduction of synchronization constraints usually destroys the product form solution, so that general concurrent and distributed systems are not easily studied with this class of models. Petri nets have been proved specially adequate to model parallel and distributed systems. Moreover, they have a well-founded theory of analysis that allows to investigate a great number of qualitative properties of the system. In the original definition, Petri nets did not include the notion of time, and tried to model only the logical behaviour of systems by describing the causal relations existing among events. This approach showed its power in the specification and analysis of concurrent systems in a way independent of the concept of time. Nevertheless the introduction of a timing specification is essential if we want to use this class of models for the performance evaluation of distributed systems. One of the main problems in the actual use of timed and stochastic Petri net models for the quantitative evaluation of large systems is the explosion of the computational complexity of the analysis algorithms. In general, exact performance results are obtained from the numerical solution of a continuous time Markov chain, whose dimension is given by the size of the state space of the model. Structural computation of exact performance measures has been possible for some subclasses of nets such as those with state machine topology. These nets, under certain assumptions on the stochastic interpretation are isomorphic to Gordon and Newell's networks, in queueing theory terminology. In the general case, efficient methods for the derivation of performance measures are still needed. Two complementary approaches to the derivation of exact measures for the analysis of distributed systems are the utilization of approximation techniques and the computation of bounds. Approximate values for the performance parameters are in general more efficiently derived than the exact ones. On the other hand, "exactness" only exists in theory! In other words, numerical algorithms must be applied in practice for the computation of exact values, therefore making errors is inevitable. Performance bounds are useful in the preliminary phases of the design of a system, in which many parameters are not known accurately. Several alternatives for those parameters should be quickly evaluated, and rejected those that are clearly bad. Exact (and even approximate) solutions would be computationally very expensive. Bounds become useful in these instances since they usually require much less computation effort. The computation of upper and lower bounds for the steady-state performance of timed and stochastic Petri nets is considered in this work. In particular, we study the throughput of transitions, defined as the average number of firings per time unit. For this measure we try to compute upper and lower bounds in polynomial time on the size of the net model, by means of proper linear programming problems defined from the incidence matrix of the net (in this sense, we develop structural techniques). These bounds depend only on the mean values and not on the higher moments of the probability distribution functions of the random variables that describe the timing of the system. The independence of the probability distributions can be viewed as a useful generalization of the performance results, since higher moments of the delays are usually unknown for real cases, and difficult to estimate and assess. From a different perspective, the obtained results can be applied to the analysis of queueing networks extended with some synchronization schemes. Monoclass queueing networks can be mapped on stochastic Petri nets. On the other hand, stochastic Petri nets can be interpreted as monoclass queueing networks augmented with synchronization primitives. Concerning the presentation of this manuscript, it should be mentioned that chapter 1 has been written with the object of giving the reader an outline of the stochastic Petri net model: its definition, terminology, basic properties, and related concepts, together with its deep relation with other classic stochastic network models. Chapter 2 is devoted to the presentation of the net subclasses considered in the rest of the work. The classification presented here is quite different from the one which is usual in the framework of Petri nets. The reason lies on the fact that our classification criterion, the computability of visit ratios for transitions, is introduced for the first time in the field of stochastic Petri nets in this work. The significance of that criterion is based on the important role that the visit ratios play in the computation of upper and lower bounds for the performance of the models. Nevertheless, classical important net subclasses are identified here in terms of the computability of their visit ratios from different parameters of the model. Chapter 3 is concerned with the computation of reachable upper and lower bounds for the most restrictive subclass of those presented in chapter 2: marked graphs. The explanation of this fact is easy to understand. The more simple is the model the more accessible will be the techniques an ideas for the development of good results. Chapter 4 provides a generalization for live and bounded free choice nets of the results presented in the previous chapter. Quality of obtained bounds is similar to that for strongly connected marked graphs: throughput lower bounds are reachable for bounded nets while upper bounds are reachable for 1-bounded nets. Chapter 5 considers the extension to other net subclasses, like mono-T-semiflow nets, FRT-nets, totally open deterministic systems of sequential processes, and persistent nets. The results are of diverse colours. For mono-T-semiflow nets and, therefore, for general FRT-nets, it is not possible (so far) to obtain reachable throughput bounds. On the other hand, for bounded ordinary persistent nets, tight throughput upper bounds are derived. Moreover, in the case of totally open deterministic systems of sequential processes the exact steady-state performance measures can be computed in polynomial time on the net size. In chapter 6 bounds for other interesting performance measures are derived from throughput bounds and from classical queueing theory laws. After that, we explore the introduction of more information from the probability distribution functions of service times in order to improve the bounds. In particular, for Coxian service delay of transitions it is possible to improve the throughput upper bounds of previous chapters which held for more general forms of distribution functions. This improvement shows to be specially fruitful for live and bounded free choice nets. Chapter 7 is devoted to case studies. Several examples taken from literature in the fields of distributed computing systems and manufacturing systems are modelled by means of stochastic Petri nets and evaluated using the techniques developed in previous chapters. Finally, some concluding remarks and considerations on possible extensions of the work are presented

On Minimum-time Control of Continuous Petri nets: Centralized and Decentralized Perspectives

Muchos sistemas artificiales, como los sistemas de manufactura, de logística, de telecomunicaciones o de tráfico, pueden ser vistos "de manera natural" como Sistemas Dinámicos de Eventos Discretos (DEDS). Desafortunadamente, cuando tienen grandes poblaciones, estos sistemas pueden sufrir del clásico problema de la explosión de estados. Con la intención de evitar este problema, se pueden aplicar técnicas de fluidificación, obteniendo una relajación fluida del modelo original discreto. Las redes de Petri continuas (CPNs) son una aproximación fluida de las redes de Petri discretas, un conocido formalismo para los DEDS. Una ventaja clave del empleo de las CPNs es que, a menudo, llevan a una substancial reducción del coste computacional. Esta tesis se centra en el control de Redes de Petri continuas temporizadas (TCPNs), donde las transiciones tienen una interpretación temporal asociada. Se asume que los sistemas siguen una semántica de servidores infinitos (velocidad variable) y que las acciones de control aplicables son la disminución de la velocidad del disparo de las transiciones. Se consideran dos interesantes problemas de control en esta tesis: 1) control del marcado objetivo, donde el objetivo es conducir el sistema (tan rápido como sea posible) desde un estado inicial a un estado final deseado, y es similar al problema de control set-point para cualquier sistema de estado continuo; 2) control del flujo óptimo, donde el objetivo es conducir el sistema a un flujo óptimo sin conocimiento a priori del estado final. En particular, estamos interesados en alcanzar el flujo máximo tan rápido como sea posible, lo cual suele ser deseable en la mayoría de sistemas prácticos. El problema de control del marcado objetivo se considera desde las perspectivas centralizada y descentralizada. Proponemos varios controladores centralizados en tiempo mínimo, y todos ellos están basados en una estrategia ON/OFF. Para algunas subclases, como las redes Choice-Free (CF), se garantiza la evolución en tiempo mínimo; mientras que para redes generales, los controladores propuestos son heurísticos. Respecto del problema de control descentralizado, proponemos en primer lugar un controlador descentralizado en tiempo mínimo para redes CF. Para redes generales, proponemos una aproximación distribuida del método Model Predictive Control (MPC); sin embargo en este método no se considera evolución en tiempo mínimo. El problema de control de flujo óptimo (en nuestro caso, flujo máximo) en tiempo mínimo se considera para redes CF. Proponemos un algoritmo heurístico en el que calculamos los "mejores" firing count vectors que llevan al sistema al flujo máximo, y aplicamos una estrategia de disparo ON/OFF. También demostramos que, debido a que las redes CF son persistentes, podemos reducir el tiempo que tarda en alcanzar el flujo máximo con algunos disparos adicionales. Los métodos de control propuestos se han implementado e integrado en una herramienta para Redes de Petri híbridas basada en Matlab, llamada SimHPN

An Evaluation Framework for Comparative Analysis of Generalized Stochastic Petri Net Simulation Techniques

Availability of a common, shared benchmark to provide repeatable, quantifiable, and comparable results is an added value for any scientific community. International consortia provide benchmarks in a wide range of domains, being normally used by industry, vendors, and researchers for evaluating their software products. In this regard, a benchmark of untimed Petri net models was developed to be used in a yearly software competition driven by the Petri net community. However, to the best of our knowledge there is not a similar benchmark to evaluate solution techniques for Petri nets with timing extensions. In this paper, we propose an evaluation framework for the comparative analysis of generalized stochastic Petri nets (GSPNs) simulation techniques. Although we focus on simulation techniques, our framework provides a baseline for a comparative analysis of different GSPN solvers (e.g., simulators, numerical solvers, or other techniques). The evaluation framework encompasses a set of 50 GSPN models including test cases and case studies from the literature, and a set of evaluation guidelines for the comparative analysis. In order to show the applicability of the proposed framework, we carry out a comparative analysis of steady-state simulators implemented in three academic software tools, namely, GreatSPN, PeabraiN, and TimeNET. The results allow us to validate the trustfulness of these academic software tools, as well as to point out potential problems and algorithmic optimization opportunities

A Petri Net Tool for Software Performance Estimation Based on Upper Throughput Bounds

Functional and non-functional properties analysis (i.e., dependability, security, or performance) ensures that requirements are fulfilled during the design phase of software systems. However, the Unified Modelling Language (UML), standard de facto in industry for software systems modelling, is unsuitable for any kind of analysis but can be tailored for specific analysis purposes through profiling. For instance, the MARTE profile enables to annotate performance data within UML models that can be later transformed to formal models (e.g., Petri nets or Timed Automatas) for performance evaluation. A performance (or throughput) estimation in such models normally relies on a whole exploration of the state space, which becomes unfeasible for large systems. To overcome this issue upper throughput bounds are computed, which provide an approximation to the real system throughput with a good complexity-accuracy trade-off. This paper introduces a tool, named PeabraiN, that estimates the performance of software systems via their UML models. To do so, UML models are transformed to Petri nets where performance is estimated based on upper throughput bounds computation. PeabraiN also allows to compute other features on Petri nets, such as the computation of upper and lower marking place bounds, and to simulate using an approximate (continuous) method. We show the applicability of PeabraiN by evaluating the performance of a building closed circuit TV system

Contributions to the deadlock problem in multithreaded software applications observed as Resource Allocation Systems

Desde el punto de vista de la competencia por recursos compartidos sucesivamente reutilizables, se dice que un sistema concurrente compuesto por procesos secuenciales está en situación de bloqueo si existe en él un conjunto de procesos que están indefinidamente esperando la liberación de ciertos recursos retenidos por miembros del mismo conjunto de procesos. En sistemas razonablemente complejos o distribuidos, establecer una política de asignación de recursos que sea libre de bloqueos puede ser un problema muy difícil de resolver de forma eficiente. En este sentido, los modelos formales, y particularmente las redes de Petri, se han ido afianzando como herramientas fructíferas que permiten abstraer el problema de asignación de recursos en este tipo de sistemas, con el fin de abordarlo analíticamente y proveer métodos eficientes para la correcta construcción o corrección de estos sistemas. En particular, la teoría estructural de redes de Petri se postula como un potente aliado para lidiar con el problema de la explosión de estados inherente a aquéllos. En este fértil contexto han florecido una serie de trabajos que defienden una propuesta metodológica de diseño orientada al estudio estructural y la correspondiente corrección física del problema de asignación de recursos en familias de sistemas muy significativas en determinados contextos de aplicación, como el de los Sistemas de Fabricación Flexible. Las clases de modelos de redes de Petri resultantes asumen ciertas restricciones, con significado físico en el contexto de aplicación para el que están destinadas, que alivian en buena medida la complejidad del problema. En la presente tesis, se intenta acercar ese tipo de aproximación metodológica al diseño de aplicaciones software multihilo libres de bloqueos. A tal efecto, se pone de manifiesto cómo aquellas restricciones procedentes del mundo de los Sistemas de Fabricación Flexible se muestran demasiado severas para aprehender la versatilidad inherente a los sistemas software en lo que respecta a la interacción de los procesos con los recursos compartidos. En particular, se han de resaltar dos necesidades de modelado fundamentales que obstaculizan la mera adopción de antiguas aproximaciones surgidas bajo el prisma de otros dominios: (1) la necesidad de soportar el anidamiento de bucles no desplegables en el interior de los procesos, y (2) la posible compartición de recursos no disponibles en el arranque del sistema pero que son creados o declarados por un proceso en ejecución. A resultas, se identifica una serie de requerimientos básicos para la definición de un tipo de modelos orientado al estudio de sistemas software multihilo y se presenta una clase de redes de Petri, llamada PC2R, que cumple dicha lista de requerimientos, manteniéndose a su vez respetuosa con la filosofía de diseño de anteriores subclases enfocadas a otros contextos de aplicación. Junto con la revisión e integración de anteriores resultados en el nuevo marco conceptual, se aborda el estudio de propiedades inherentes a los sistemas resultantes y su relación profunda con otros tipos de modelos, la confección de resultados y algoritmos eficientes para el análisis estructural de vivacidad en la nueva clase, así como la revisión y propuesta de métodos de resolución de los problemas de bloqueo adaptadas a las particularidades físicas del dominio de aplicación. Asimismo, se estudia la complejidad computacional de ciertas vertientes relacionadas con el problema de asignación de recursos en el nuevo contexto, así como la traslación de los resultados anteriormente mencionados sobre el dominio de la ingeniería de software multihilo, donde la nueva clase de redes permite afrontar problemas inabordables considerando el marco teórico y las herramientas suministradas para subclases anteriormente explotadas

Observer design for weighted timed event graphs in a dioid framework

An observer is used in a feedback control system to compensate for the fact that not all states can be measured. This work refers to systems that can be modeled by timed Petri nets, more precisely, Weighted Timed Event Graphs (WTEGs). The WTEG allows modeling of problems without conflicts of resources. In the context of manufacturing systems, WTEGs are appropriate to design complex assembly lines, where dynamic behavior is described by the synchronization and saturation effects. We propose the design of an observer for WTEGs that, which consists of: (i) an Optimal Observer that is based on the conversion of the WTEG to the Timed Event Graph(TEG), which has a linear representation in the mathematical structure of the dioids; (ii) a Simulator, which is a copy of the system without disturbances; (iii) and an Interface that is used to connect the WTEG to the Optimal Observer and to the Simulator.Um observador é utilizado em um sistema de controle por realimentação, para compensar o fato de que nem todos os estados podem ser medidos. Esse trabalho aborda sistemas que podem ser modelados por redes de Petri temporizadas, mais precisamente, por Grafos de Eventos Temporizados Ponderados (WTEGs). A estrutura do WTEG permite a modelagem de problemas sem conflitos de recursos. No contexto de sistemas de manufatura, os WTEGs são apropriados para reproduzir linhas de montagem complexas, em que o comportamento dinâmico é descrito pelos efeitos de sincronização e saturação. Neste trabalho é proposto o projeto de um observador para WTEGs que consiste na construção: (i) do Observador Otimo que se baseia na conversão do WTEG para o Grafo de Evento Temporizado (TEG), o qual possui uma representação linear na estrutura matemática dos dióides; (ii) do Simulador, que é uma cópia do sistema sem os distúrbios; (iii) e da Interface que é utilizada para conectar o WTEG ao Observador Otimo e ao Simulador

Fluidization of Petri nets to improve the analysis of Discrete Event Systems

Las Redes de Petri (RdP) son un formalismo ampliamente aceptado para el modelado y análisis de Sistemas de Eventos Discretos (SED). Por ejemplo sistemas de manufactura, de logística, de tráfico, redes informáticas, servicios web, redes de comunicación, procesos bioquímicos, etc. Como otros formalismos, las redes de Petri sufren del problema de la ¿explosión de estados¿, en el cual el número de estados crece explosivamente respecto de la carga del sistema, haciendo intratables algunas técnicas de análisis basadas en la enumeración de estados. La fluidificación de las redes de Petri trata de superar este problema, pasando de las RdP discretas (en las que los disparos de las transiciones y los marcados de los lugares son cantidades enteras no negativas) a las RdP continuas (en las que los disparos de las transiciones, y por lo tanto los marcados se definen en los reales). Las RdP continuas disponen de técnicas de análisis más eficientes que las discretas. Sin embargo, como toda relajación, la fluidificación supone el detrimento de la fidelidad, dando lugar a la pérdida de propiedades cualitativas o cuantitativas de la red de Petri original. El objetivo principal de esta tesis es mejorar el proceso de fluidificación de las RdP, obteniendo un formalismo continuo (o al menos parcialmente) que evite el problema de la explosión de estados, mientras aproxime adecuadamente la RdP discreta. Además, esta tesis considera no solo el proceso de fluidificación sino también el formalismo de las RdP continuas en sí mismo, estudiando la complejidad computacional de comprobar algunas propiedades. En primer lugar, se establecen las diferencias que aparecen entre las RdP discretas y continuas, y se proponen algunas transformaciones sobre la red discreta que mejorarán la red continua resultante. En segundo lugar, se examina el proceso de fluidificación de las RdP autónomas (i.e., sin ninguna interpretación temporal), y se establecen ciertas condiciones bajo las cuales la RdP continua preserva determinadas propiedades cualitativas de la RdP discreta: limitación, ausencia de bloqueos, vivacidad, etc. En tercer lugar, se contribuye al estudio de la decidibilidad y la complejidad computacional de algunas propiedades comunes de la RdP continua autónoma. En cuarto lugar, se considera el proceso de fluidificación de las RdP temporizadas. Se proponen algunas técnicas para preservar ciertas propiedades cuantitativas de las RdP discretas estocásticas por las RdP continuas temporizadas. Por último, se propone un nuevo formalismo, en el cual el disparo de las transiciones se adapta a la carga del sistema, combinando disparos discretos y continuos, dando lugar a las Redes de Petri híbridas adaptativas. Las RdP híbridas adaptativas suponen un marco conceptual para la fluidificación parcial o total de las Redes de Petri, que engloba a las redes de Petri discretas, continuas e híbridas. En general, permite preservar propiedades de la RdP original, evitando el problema de la explosión de estados

Recent advances in petri nets and concurrency

CEUR Workshop Proceeding

Steady State Analysis of Flexible Nets

The modeling and analysis of complex dynamic systems, such as those in manufacturing, logistics and biology, require powerful analysis methods for their study and optimization. A significant modeling and analysis challenge posed by both, artificial and natural systems, is the existence of uncertain parameters. Flexible Nets is a novel modeling formalism, inspired by Petri nets, that can handle different types of uncertain parameters in a natural way. This paper develops an efficient method to analyse the evolution of a system modeled by a Flexible Net in the long run. More precisely, the method focuses on the computation of steady state bounds for an objective function of interest. The method makes use of a set of constraints, expressed as linear inequalities, that the state variables must satisfy in the steady state. In order to account for systems that do not reach a constant steady state, the developed constraints allow the system state to switch among different values, i.e. the steady state variables are not forced to be constant.European Commission: FormalBio Contract No: 623995, Call reference: FP7-PEOPLE-2013-IE