Formal methods applied to the analysis of phylogenies: Phylogenetic model checking

Los árboles filogenéticos son abstracciones útiles para modelar y caracterizar la evolución de un conjunto de especies o poblaciones respecto del tiempo. La proposición, verificación y generalización de hipótesis sobre un árbol filogenético inferido juegan un papel importante en el estudio y comprensión de las relaciones evolutivas. Actualmente, uno de los principales objetivos científicos es extraer o descubrir los mensajes biológicos implícitos y las propiedades estructurales subyacentes en la filogenia. Por ejemplo, la integración de información genética en una filogenia ayuda al descubrimiento de genes conservados en todo o parte del árbol, la identificación de posiciones covariantes en el ADN o la estimación de las fechas de divergencia entre especies. Consecuentemente, los árboles ayudan a comprender el mecanismo que gobierna la deriva evolutiva. Hoy en día, el amplio espectro de métodos y herramientas heterogéneas para el análisis de filogenias enturbia y dificulta su utilización, además del fuerte acoplamiento entre la especificación de propiedades y los algoritmos utilizados para su evaluación (principalmente scripts ad hoc). Este problema es el punto de arranque de esta tesis, donde se analiza como solución la posibilidad de introducir un entorno formal de verificación de hipótesis que, de manera automática y modular, estudie la veracidad de dichas propiedades definidas en un lenguaje genérico e independiente (en una lógica formal asociada) sobre uno de los múltiples softwares preparados para ello. La contribución principal de la tesis es la propuesta de un marco formal para la descripción, verificación y manipulación de relaciones causales entre especies de forma independiente del código utilizado para su valoración. Para ello, exploramos las características de las técnicas de model checking, un paradigma en el que una especificación expresada en lógica temporal se verifica con respecto a un modelo del sistema que representa una implementación a un cierto nivel de detalle. Se ha aplicado satisfactoriamente en la industria para el modelado de sistemas y su verificación, emergiendo del ámbito de las ciencias de la computación. Las contribuciones concretas de la tesis han sido: A) La identificación e interpretación de los árboles filogeneticos como modelos de la evolución, adaptados al entorno de las técnicas de model checking. B) La definición de una lógica temporal que captura las propiedades filogenéticas habituales junto con un método de construcción de propiedades. C) La clasificación de propiedades filogenéticas, identificando categorías de propiedades según estén centradas en la estructura del árbol, en las secuencias o sean híbridas. D) La extensión de las lógicas y modelos para contemplar propiedades cuantitativas de tiempo, probabilidad y de distancias. E) El desarrollo de un entorno para la verificación de propiedades booleanas, cuantitativas y paramétricas. F) El establecimiento de los principios para la manipulación simbolica de objetos filogenéticos, p. ej., clados. G) La explotación de las herramientas de model checking existentes, detectando sus problemas y carencias en el campo de filogenia y proponiendo mejoras. H) El desarrollo de técnicas "ad hoc" para obtener ganancia de complejidad alrededor de dos frentes: distribución de los cálculos y datos, y el uso de sistemas de información. Los puntos A-F se centran en las aportaciones conceptuales de nuestra aproximación, mientras que los puntos G-H enfatizan la parte de herramientas e implementación. Los contenidos de la tesis están contrastados por la comunidad científica mediante las siguientes publicaciones en conferencias y revistas internacionales. La introducción de model checking como entorno formal para analizar propiedades biológicas (puntos A-C) ha llevado a la publicación de nuestro primer artículo de congreso [1]. En [2], desarrollamos la verificación de hipótesis filogenéticas sobre un árbol de ejemplo construido a partir de las relaciones impuestas por un conjunto de proteínas codificadas por el ADN mitocondrial humano (ADNmt). En ese ejemplo, usamos una herramienta automática y genérica de model checking (punto G). El artículo de revista [7] resume lo básico de los artículos de congreso previos y extiende la aplicación de lógicas temporales a propiedades filogenéticas no consideradas hasta ahora. Los artículos citados aquí engloban los contenidos presentados en las Parte I--II de la tesis. El enorme tamaño de los árboles y la considerable cantidad de información asociada a los estados (p.ej., la cadena de ADN) obligan a la introducción de adaptaciones especiales en las herramientas de model checking para mantener un rendimiento razonable en la verificación de propiedades y aliviar también el problema de la explosión de estados (puntos G-H). El artículo de congreso [3] presenta las ventajas de rebanar el ADN asociado a los estados, la partición de la filogenia en pequeños subárboles y su distribución entre varias máquinas. Además, la idea original del model checking rebanado se complementa con la inclusión de una base de datos externa para el almacenamiento de secuencias. El artículo de revista [4] reúne las nociones introducidas en [3] junto con la implementación y resultados preliminares presentados [5]. Este tema se corresponde con lo presentado en la Parte III de la tesis. Para terminar, la tesis reaprovecha las extensiones de las lógicas temporales con tiempo explícito y probabilidades a fin de manipular e interrogar al árbol sobre información cuantitativa. El artículo de congreso [6] ejemplifica la necesidad de introducir probabilidades y tiempo discreto para el análisis filogenético de un fenotipo real, en este caso, el ratio de distribución de la intolerancia a la lactosa entre diversas poblaciones arraigadas en las hojas de la filogenia. Esto se corresponde con el Capítulo 13, que queda englobado dentro de las Partes IV--V. Las Partes IV--V completan los conceptos presentados en ese artículo de conferencia hacia otros dominios de aplicación, como la puntuación de árboles, y tiempo continuo (puntos E-F). La introducción de parámetros en las hipótesis filogenéticas se plantea como trabajo futuro. Referencias [1] Roberto Blanco, Gregorio de Miguel Casado, José Ignacio Requeno, and José Manuel Colom. Temporal logics for phylogenetic analysis via model checking. In Proceedings IEEE International Workshop on Mining and Management of Biological and Health Data, pages 152-157. IEEE, 2010. [2] José Ignacio Requeno, Roberto Blanco, Gregorio de Miguel Casado, and José Manuel Colom. Phylogenetic analysis using an SMV tool. In Miguel P. Rocha, Juan M. Corchado Rodríguez, Florentino Fdez-Riverola, and Alfonso Valencia, editors, Proceedings 5th International Conference on Practical Applications of Computational Biology and Bioinformatics, volume 93 of Advances in Intelligent and Soft Computing, pages 167-174. Springer, Berlin, 2011. [3] José Ignacio Requeno, Roberto Blanco, Gregorio de Miguel Casado, and José Manuel Colom. Sliced model checking for phylogenetic analysis. In Miguel P. Rocha, Nicholas Luscombe, Florentino Fdez-Riverola, and Juan M. Corchado Rodríguez, editors, Proocedings 6th International Conference on Practical Applications of Computational Biology and Bioinformatics, volume 154 of Advances in Intelligent and Soft Computing, pages 95-103. Springer, Berlin, 2012. [4] José Ignacio Requeno and José Manuel Colom. Model checking software for phylogenetic trees using distribution and database methods. Journal of Integrative Bioinformatics, 10(3):229-233, 2013. [5] José Ignacio Requeno and José Manuel Colom. Speeding up phylogenetic model checking. In Mohd Saberi Mohamad, Loris Nanni, Miguel P. Rocha, and Florentino Fdez-Riverola, editors, Proceedings 7th International Conference on Practical Applications of Computational Biology and Bioinformatics, volume 222 of Advances in Intelligent Systems and Computing, pages 119-126. Springer, Berlin, 2013. [6] José Ignacio Requeno and José Manuel Colom. Timed and probabilistic model checking over phylogenetic trees. In Miguel P. Rocha et al., editors, Proceedings 8th International Conference on Practical Applications of Computational Biology and Bioinformatics, Advances in Intelligent and Soft Computing. Springer, Berlin, 2014. [7] José Ignacio Requeno, Gregorio de Miguel Casado, Roberto Blanco, and José Manuel Colom. Temporal logics for phylogenetic analysis via model checking. IEEE/ACM Transactions on Computational Biology and Bioinformatics, 10(4):1058-1070, 2013

Choice and chance:model-based testing of stochastic behaviour

Probability plays an important role in many computer applications. A vast number of algorithms, protocols and computation methods uses randomisation to achieve their goals. A crucial question then becomes whether such probabilistic systems work as intended. To investigate this, such systems are often subjected to a large number of well-designed test cases, that compare a observed behaviour to a requirements specification. Model-based testing is an innovative testing technique rooted in formal methods, that aims at automating this labour intense and often error-prone manual task. By providing faster and more thorough testing at lower cost, it has gained rapid popularity in industry and academia alike. However, classic model-based testing methods are insufficient when dealing with inherently stochastic systems. This thesis introduces a rigorous model-based testing framework, that is capable to automatically test such systems. The presented methods are capable of judging functional correctness, discrete probability choices, and hard and soft-real time constraints. The framework is constructed in a clear step-by-step approach. First, the model-based testing landscape is laid out, and related work is discussed. Next, we instantiate a model-based testing framework to highlight the purpose of individual theoretical components like, e.g., a conformance relation, test cases, and practical test generation algorithms. This framework is then conservatively extended by introducing discrete probability choices to the specification language. A last step further extends this probabilistic framework by adding hard and soft real time constraints. Classical functional correctness verdicts are thus extended with goodness of fit methods known from statistics. Proofs of the framework’s correctness are presented before its capabilities are exemplified by studying smaller scale case studies known from the literature. The framework reconciles non-deterministic and probabilistic choices in a fully-fledged way via the use of schedulers. Schedulers then become a subject worthy to study in their own rights. This is done in the second part of this thesis; we introduce a most natural equivalence relation based on schedulers for Markov automata, and compare its distinguishing power to notions of trace distributions and bisimulation relations. Lastly, the power of different scheduler classes of stochastic automata is investigated. We compare reachability probabilities of different schedulers by altering the information available to them. A hierarchy of scheduler classes is established, with the intent to reduce complexity of related problems by gaining near optimal results for smaller scheduler classes

Towards the Model-Driven Engineering of Secure yet Safe Embedded Systems

We introduce SysML-Sec, a SysML-based Model-Driven Engineering environment aimed at fostering the collaboration between system designers and security experts at all methodological stages of the development of an embedded system. A central issue in the design of an embedded system is the definition of the hardware/software partitioning of the architecture of the system, which should take place as early as possible. SysML-Sec aims to extend the relevance of this analysis through the integration of security requirements and threats. In particular, we propose an agile methodology whose aim is to assess early on the impact of the security requirements and of the security mechanisms designed to satisfy them over the safety of the system. Security concerns are captured in a component-centric manner through existing SysML diagrams with only minimal extensions. After the requirements captured are derived into security and cryptographic mechanisms, security properties can be formally verified over this design. To perform the latter, model transformation techniques are implemented in the SysML-Sec toolchain in order to derive a ProVerif specification from the SysML models. An automotive firmware flashing procedure serves as a guiding example throughout our presentation.Comment: In Proceedings GraMSec 2014, arXiv:1404.163

Computer Aided Verification

This open access two-volume set LNCS 11561 and 11562 constitutes the refereed proceedings of the 31st International Conference on Computer Aided Verification, CAV 2019, held in New York City, USA, in July 2019. The 52 full papers presented together with 13 tool papers and 2 case studies, were carefully reviewed and selected from 258 submissions. The papers were organized in the following topical sections: Part I: automata and timed systems; security and hyperproperties; synthesis; model checking; cyber-physical systems and machine learning; probabilistic systems, runtime techniques; dynamical, hybrid, and reactive systems; Part II: logics, decision procedures; and solvers; numerical programs; verification; distributed systems and networks; verification and invariants; and concurrency

SBIP 2.0: Statistical Model Checking Stochastic Real-time Systems

International audienceThis paper presents a major new release of SBIP, an extensi-ble statistical model checker for Metric (MTL) and Linear-time Temporal Logic (LTL) properties on respectively Generalized Semi-Markov Processes (GSMP), Continuous-Time (CTMC) and Discrete-Time Markov Chain (DTMC) models. The newly added support for MTL, GSMPs, CTMCs and rare events allows to capture both real-time and stochastic aspects, allowing faithful specification, modeling and analysis of real-life systems. SBIP is redesigned as an IDE providing project management, model edition, compilation, simulation, and statistical analysis

Computer Aided Verification

This open access two-volume set LNCS 11561 and 11562 constitutes the refereed proceedings of the 31st International Conference on Computer Aided Verification, CAV 2019, held in New York City, USA, in July 2019. The 52 full papers presented together with 13 tool papers and 2 case studies, were carefully reviewed and selected from 258 submissions. The papers were organized in the following topical sections: Part I: automata and timed systems; security and hyperproperties; synthesis; model checking; cyber-physical systems and machine learning; probabilistic systems, runtime techniques; dynamical, hybrid, and reactive systems; Part II: logics, decision procedures; and solvers; numerical programs; verification; distributed systems and networks; verification and invariants; and concurrency

Modeling and formal verification of probabilistic reconfigurable systems

In this thesis, we propose a new approach for formal modeling and verification of adaptive probabilistic systems. Dynamic reconfigurable systems are the trend of all future technological systems, such as flight control systems, vehicle electronic systems, and manufacturing systems. In order to meet user and environmental requirements, such a dynamic reconfigurable system has to actively adjust its configuration at run-time by modifying its components and connections, while changes are detected in the internal/external execution environment. On the other hand, these changes may violate the memory usage, the required energy and the concerned real-time constraints since the behavior of the system is unpredictable. It might also make the system's functions unavailable for some time and make potential harm to human life or large financial investments. Thus, updating a system with any new configuration requires that the post reconfigurable system fully satisfies the related constraints. We introduce GR-TNCES formalism for the optimal functional and temporal specification of probabilistic reconfigurable systems under resource constraints. It enables the optimal specification of a probabilistic, energetic and memory constraints of such a system. To formally verify the correctness and the safety of such a probabilistic system specification, and the non-violation of its properties, an automatic transformation from GR-TNCES models into PRISM models is introduced. Moreover, a new approach XCTL is also proposed to formally verify reconfigurable systems. It enables the formal certification of uncompleted and reconfigurable systems. A new version of the software ZIZO is also proposed to model, simulate and verify such GR-TNCES model. To prove its relevance, the latter was applied to case studies; it was used to model and simulate the behavior of an IPV4 protocol to prevent the energy and memory resources violation. It was also used to optimize energy consumption of an automotive skid conveyor.In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz zur formalen Modellierung und Verifikation dynamisch rekonfigurierbarer Systeme vorgestellt. Dynamische rekonfigurierbare Systeme sind in vielen aktuellen und zukünftigen Anwendungen, wie beispielsweise Flugsteuerungssystemen, Fahrzeugelektronik und Fertigungssysteme zu finden. Diese Systeme weisen ein probabilistisches, adaptives Verhalten auf. Um die Benutzer- und Umgebungsbedingungen kontinuierlich zu erfüllen, muss ein solches System seine Konfiguration zur Laufzeit aktiv anpassen, indem es seine Komponenten, Verbindungen zwischen Komponenten und seine Daten modifiziert (adaptiv), sobald Änderungen in der internen oder externen Ausführungsumgebung erkannt werden (probabilistisch). Diese Anpassungen dürfen Beschränkungen bei der Speichernutzung, der erforderlichen Energie und bestehende Echtzeitbedingungen nicht verletzen. Eine nicht geprüfte Rekonfiguration könnte dazu führen, dass die Funktionen des Systems für einige Zeit nicht verfügbar wären und potenziell menschliches Leben gefährdet würde oder großer finanzieller Schaden entstünde. Somit erfordert das Aktualisieren eines Systems mit einer neuen Konfiguration, dass das rekonfigurierte System die zugehörigen Beschränkungen vollständig einhält. Um dies zu überprüfen, wird in dieser Arbeit der GR-TNCES-Formalismus, eine Erweiterung von Petrinetzen, für die optimale funktionale und zeitliche Spezifikation probabilistischer rekonfigurierbarer Systeme unter Ressourcenbeschränkungen vorgeschlagen. Die entstehenden Modelle sollen über probabilistische model checking verifiziert werden. Dazu eignet sich die etablierte Software PRISM. Um die Verifikation zu ermöglichen wird in dieser Arbeit ein Verfahren zur Transformation von GR-TNCES-Modellen in PRISM-Modelle beschrieben. Eine neu eingeführte Logik (XCTL) erlaubt zudem die einfache Beschreibung der zu prüfenden Eigenschaften. Die genannten Schritte wurden in einer Softwareumgebung für den automatisierten Entwurf, die Simulation und die formale Verifikation (durch eine automatische Transformation nach PRISM) umgesetzt. Eine Fallstudie zeigt die Anwendung des Verfahren

Tools and Algorithms for the Construction and Analysis of Systems

This open access two-volume set constitutes the proceedings of the 27th International Conference on Tools and Algorithms for the Construction and Analysis of Systems, TACAS 2021, which was held during March 27 – April 1, 2021, as part of the European Joint Conferences on Theory and Practice of Software, ETAPS 2021. The conference was planned to take place in Luxembourg and changed to an online format due to the COVID-19 pandemic. The total of 41 full papers presented in the proceedings was carefully reviewed and selected from 141 submissions. The volume also contains 7 tool papers; 6 Tool Demo papers, 9 SV-Comp Competition Papers. The papers are organized in topical sections as follows: Part I: Game Theory; SMT Verification; Probabilities; Timed Systems; Neural Networks; Analysis of Network Communication. Part II: Verification Techniques (not SMT); Case Studies; Proof Generation/Validation; Tool Papers; Tool Demo Papers; SV-Comp Tool Competition Papers