A Markov Chain Model Checker

Markov chains are widely used in the context of performance and reliability evaluation of systems of various nature. Model checking of such chains with respect to a given (branching) temporal logic formula has been proposed for both the discrete [17,6] and the continuous time setting [4,8]. In this paper, we describe a prototype model checker for discrete and continuous-time Markov chains, the Erlangen Twente Markov Chain Checker $(E \vdash MC^2$), where properties are expressed in appropriate extensions of CTL. We illustrate the general bene ts of this approach and discuss the structure of the tool. Furthermore we report on first successful applications of the tool to non-trivial examples, highlighting lessons learned during development and application of $(E \vdash MC^2$)

Software Perfomance Assessment at Architectural Level: A Methodology and its Application

Las arquitecturas software son una valiosa herramienta para la evaluación de las propiedades cualitativas y cuantitativas de los sistemas en sus primeras fases de desarrollo. Conseguir el diseño adecuado es crítico para asegurar la bondad de dichas propiedades. Tomar decisiones tempranas equivocadas puede implicar considerables y costosos cambios en un futuro. Dichas decisiones afectarían a muchas propiedades del sistema, tales como su rendimiento, seguridad, fiabilidad o facilidad de mantenimiento. Desde el punto de vista del rendimiento software, la ingeniería del rendimiento del software (SPE) es una disciplina de investigación madura y comúnmente aceptada que propone una evaluación basada en modelos en las primeras fases del ciclo de vida de desarrollo software. Un problema en este campo de investigación es que las metodologías hasta ahora propuestas no ofrecen una interpretación de los resultados obtenidos durante el análisis del rendimiento, ni utilizan dichos resultados para proponer alternativas para la mejora de la propia arquitectura software. Hasta la fecha, esta interpretación y mejora requiere de la experiencia y pericia de los ingenieros software, en especial de expertos en ingeniería de prestaciones. Además, a pesar del gran número de propuestas para evaluar el rendimiento de sistemas software, muy pocos de estos estudios teóricos son posteriormente aplicados a sistemas software reales. El objetivo de esta tesis es presentar una metodología para el asesoramiento de decisiones arquitecturales para la mejora, desde el punto de vista de las prestaciones, de las sistemas software. La metodología hace uso del Lenguaje Unificado de Modelado (UML) para representar las arquitecturas software y de métodos formales, concretamente redes de Petri, como modelo de prestaciones. El asesoramiento, basado en patrones y antipatrones, intenta detectar los principales problemas que afectan a las prestaciones del sistema y propone posibles mejoras para mejoras dichas prestaciones. Como primer paso, estudiamos y analizamos los resultados del rendimiento de diferentes estilos arquitectónicos. A continuación, sistematizamos los conocimientos previamente obtenidos para proponer una metodología y comprobamos su aplicabilidad asesorando un caso de estudio real, una arquitectura de interoperabilidad para adaptar interfaces a personas con discapacidad conforme a sus capacidades y preferencias. Finalmente, se presenta una herramienta para la evaluación del rendimiento como un producto derivado del propio ciclo de vida software

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

Performance assessment of an architecture with adaptative interfaces for people with special needs

People in industrial societies carry more and more portable electronic devices (e.g., smartphone or console) with some kind of wireles connectivity support. Interaction with auto-discovered target devices present in the environment (e.g., the air conditioning of a hotel) is not so easy since devices may provide inaccessible user interfaces (e.g., in a foreign language that the user cannot understand). Scalability for multiple concurrent users and response times are still problems in this domain. In this paper, we assess an interoperable architecture, which enables interaction between people with some kind of special need and their environment. The assessment, based on performance patterns and antipatterns, tries to detect performance issues and also tries to enhance the architecture design for improving system performance. As a result of the assessment, the initial design changed substantially. We refactorized the design according to the Fast Path pattern and The Ramp antipattern. Moreover, resources were correctly allocated. Finally, the required response time was fulfilled in all system scenarios. For a specific scenario, response time was reduced from 60 seconds to less than 6 seconds

A tool for model-checking Markov chains

Markov chains are widely used in the context of the performance and reliability modeling of various systems. Model checking of such chains with respect to a given (branching) temporal logic formula has been proposed for both discrete [34, 10] and continuous time settings [7, 12]. In this paper, we describe a prototype model checker for discrete and continuous-time Markov chains, the Erlangen-Twente Markov Chain Checker EÎMC2, where properties are expressed in appropriate extensions of CTL. We illustrate the general benefits of this approach and discuss the structure of the tool. Furthermore, we report on successful applications of the tool to some examples, highlighting lessons learned during the development and application of EÎMC2

Effects of Communication Protocol Stack Offload on Parallel Performance in Clusters

The primary research objective of this dissertation is to demonstrate that the effects of communication protocol stack offload (CPSO) on application execution time can be attributed to the following two complementary sources. First, the application-specific computation may be executed concurrently with the asynchronous communication performed by the communication protocol stack offload engine. Second, the protocol stack processing can be accelerated or decelerated by the offload engine. These two types of performance effects can be quantified with the use of the degree of overlapping Do and degree of acceleration Daccs. The composite communication speedup metrics S_comm(Do, Daccs) can be used in order to quantify the combined effects of the protocol stack offload. This dissertation thesis is validated empirically. The degree of overlapping Do, the degree of acceleration Daccs, and the communication speedup Scomm characteristic of the system configurations under test are derived in the course of experiments performed for the system configurations of interest. It is shown that the proposed metrics adequately describe the effects of the protocol stack offload on the application execution time. Additionally, a set of analytical models of the networking subsystem of a PC-based cluster node is developed. As a result of the modeling, the metrics Do, Daccs, and Scomm are obtained. The models are evaluated as to their complexity and precision by comparing the modeling results with the measured values of Do, Daccs, and Scomm. The primary contributions of this dissertation research are as follows. First, the metric Daccs and Scomm are introduced in order to complement the Do metric in its use for evaluation of the effects of optimizations in the networking subsystem on parallel performance in clusters. The metrics are shown to adequately describe CPSO performance effects. Second, a method for assessing performance effects of CPSO scenarios on application performance is developed and presented. Third, a set of analytical models of cluster node networking subsystems with CPSO capability is developed and characterised as to their complexity and precision of the prediction of the Do and Daccs metrics

Analysis of Various Decentralized Load Balancing Techniques with Node Duplication

Experience in parallel computing is an increasingly necessary skill for today’s upcoming computer scientists as processors are hitting a serial execution performance barrier and turning to parallel execution for continued gains. The uniprocessor system has now reached its maximum speed limit and, there is very less scope to improve the speed of such type of system. To solve this problem multiprocessor system is used, which have more than one processor. Multiprocessor system improves the speed of the system but it again faces some problems like data dependency, control dependency, resource dependency and improper load balancing. So this paper presents a detailed analysis of various decentralized load balancing techniques with node duplication to reduce the proper execution time