Evaluation of software architecture using fuzzy colored Petri nets

Software Architecture (SA) is one of the most important artifacts for life cycle of a software system because it incorporates some important decisions and principles for the system development. On the other hand, developing the systems based on uncertain and ambiguous requirement has been increased, significantly. Therefore, there have been significant attentions on SA requirements. In this paper, we present a new method for evaluation of performance characteristics based on a use case, response time, and queue length of SA. Since there are some ambiguities associated with considered systems, we use the idea of Fuzzy UML (F-UML) diagrams. In addition, these diagrams have been enriched with performance annotations using proposed Fuzzy-SPT sub profile, the extended version of SPT profile proposed by OMG. Then, these diagrams are mapped into an executable model based on Fuzzy Colored Petri Nets (FCPN) and finally the performance metrics are calculated using the proposed algorithms. We have implemented CPN-Tools for creating and evaluating the FCPN model

Software dependability modeling using an industry-standard architecture description language

Performing dependability evaluation along with other analyses at architectural level allows both making architectural tradeoffs and predicting the effects of architectural decisions on the dependability of an application. This paper gives guidelines for building architectural dependability models for software systems using the AADL (Architecture Analysis and Design Language). It presents reusable modeling patterns for fault-tolerant applications and shows how the presented patterns can be used in the context of a subsystem of a real-life application

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

Engineering framework for service-oriented automation systems

Tese de doutoramento. Engenharia Informática. Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 201

Search-based system architecture development using a holistic modeling approach

This dissertation presents an innovative approach to system architecting where search algorithms are used to explore design trade space for good architecture alternatives. Such an approach is achieved by integrating certain model construction, alternative generation, simulation, and assessment processes into a coherent and automated framework. This framework is facilitated by a holistic modeling approach that combines the capabilities of Object Process Methodology (OPM), Colored Petri Net (CPN), and feature model. The resultant holistic model can not only capture the structural, behavioral, and dynamic aspects of a system, allowing simulation and strong analysis methods to be applied, it can also specify the architectural design space. Both object-oriented analysis and design (OOA/D) and domain engineering were exploited to capture design variables and their domains and define architecture generation operations. A fully realized framework (with genetic algorithms as the search algorithm) was developed. Both the proposed framework and its suggested implementation, including the proposed holistic modeling approach and architecture alternative generation operations, are generic. They are targeted at systems that can be specified using object-oriented or process-oriented paradigm. The broad applicability of the proposed approach is demonstrated on two examples. One is the configuration of reconfigurable manufacturing systems (RMSs) under multi-objective optimization and the other is the architecture design of a manned lunar landing system for the Apollo program. The test results show that the proposed approach can cover a huge number of architecture alternatives and support the assessment of several performance measures. A set of quality results was obtained after running the optimization algorithm following the proposed framework --Abstract, page iii

Software framework for the development of context-aware reconfigurable systems

In this project we propose a new software framework for the development of context-aware and secure controlling software of distributed reconfigurable systems. Context-awareness is a key feature allowing the adaptation of systems behaviour according to the changing environment. We introduce a new definition of the term “context” for reconfigurable systems then we define a new context modelling and reasoning approach. Afterwards, we define a meta-model of context-aware reconfigurable applications that paves the way to the proposed framework. The proposed framework has a three-layer architecture: reconfiguration, context control, and services layer, where each layer has its well-defined role. We define also a new secure conversation protocol between distributed trustless parts based on the blockchain technology as well as the elliptic curve cryptography. To get better correctness and deployment guarantees of applications models in early development stages, we propose a new UML profile called GR-UML to add new semantics allowing the modelling of probabilistic scenarios running under memory and energy constraints, then we propose a methodology using transformations between the GR-UML, the GR-TNCES Petri nets formalism, and the IEC 61499 function blocks. A software tool implementing the methodology concepts is developed. To show the suitability of the mentioned contributions two case studies (baggage handling system and microgrids) are considered.In diesem Projekt schlagen wir ein Framework für die Entwicklung von kontextbewussten, sicheren Anwendungen von verteilten rekonfigurierbaren Systemen vor. Kontextbewusstheit ist eine Schlüsseleigenschaft, die die Anpassung des Systemverhaltens an die sich ändernde Umgebung ermöglicht. Wir führen eine Definition des Begriffs ``Kontext" für rekonfigurierbare Systeme ein und definieren dann einen Kontextmodellierungs- und Reasoning-Ansatz. Danach definieren wir ein Metamodell für kontextbewusste rekonfigurierbare Anwendungen, das den Weg zum vorgeschlagenen Framework ebnet. Das Framework hat eine dreischichtige Architektur: Rekonfigurations-, Kontextkontroll- und Dienste-Schicht, wobei jede Schicht ihre wohldefinierte Rolle hat. Wir definieren auch ein sicheres Konversationsprotokoll zwischen verteilten Teilen, das auf der Blockchain-Technologie sowie der elliptischen Kurven-Kryptographie basiert. Um bessere Korrektheits- und Einsatzgarantien für Anwendungsmodelle zu erhalten, schlagen wir ein UML-Profil namens GR-UML vor, um Semantik umzufassen, die die Modellierung probabilistischer Szenarien unter Speicher- und Energiebeschränkungen ermöglicht. Dann schlagen wir eine Methodik vor, die Transformationen zwischen GR-UML, dem GR-TNCES-Petrinetz-Formalismus und den IEC 61499-Funktionsblöcken verwendet. Es wird ein Software entwickelt, das die Konzepte der Methodik implementiert. Um die Eignung der genannten Beiträge zu zeigen, werden zwei Fallstudien betrachtet

Hybrid performance modelling of opportunistic networks

We demonstrate the modelling of opportunistic networks using the process algebra stochastic HYPE. Network traffic is modelled as continuous flows, contact between nodes in the network is modelled stochastically, and instantaneous decisions are modelled as discrete events. Our model describes a network of stationary video sensors with a mobile ferry which collects data from the sensors and delivers it to the base station. We consider different mobility models and different buffer sizes for the ferries. This case study illustrates the flexibility and expressive power of stochastic HYPE. We also discuss the software that enables us to describe stochastic HYPE models and simulate them.Comment: In Proceedings QAPL 2012, arXiv:1207.055

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