Fluid Model Checking of Timed Properties

We address the problem of verifying timed properties of Markovian models of large populations of interacting agents, modelled as finite state automata. In particular, we focus on time-bounded properties of (random) individual agents specified by Deterministic Timed Automata (DTA) endowed with a single clock. Exploiting ideas from fluid approximation, we estimate the satisfaction probability of the DTA properties by reducing it to the computation of the transient probability of a subclass of Time-Inhomogeneous Markov Renewal Processes with exponentially and deterministically-timed transitions, and a small state space. For this subclass of models, we show how to derive a set of Delay Differential Equations (DDE), whose numerical solution provides a fast and accurate estimate of the satisfaction probability. In the paper, we also prove the asymptotic convergence of the approach, and exemplify the method on a simple epidemic spreading model. Finally, we also show how to construct a system of DDEs to efficiently approximate the average number of agents that satisfy the DTA specification

Computational modelling of mycobacterium infection and innate immune response in zebrafish

In this thesis we provided a comprehensive overview on the steps that are involved in the modeling process and simulation of biological phenomena; from the choice of the method to the validation of the results. We gradually implemented a model with which we would be able to study the complex interplay of the components involved in the Mycobacterium marinum infection process and innate immune response in zebrafish embryos. In itself this process is a model for deeper understanding of tuberculosis infection in humans using zebrafish as model organism. Each chapter is a building block in the modeling process, which gradually forms a model that can represent cause-and-effect among these components involved in the biological behavior.Computer Systems, Imagery and Medi

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

Automated Configuration Design and Analysis for Service High-Availability

The need for highly available services is ever increasing in various domains ranging from mission critical systems to transaction based ones such as online banking. The Service Availability Forum (SAForum) has defined a set of services and related Application Programming Interface (API) specifications to address the growing need of commercial-off-the-shelf high availability solutions. Among these services, the Availability Management Framework (AMF) is the service responsible for managing the high availability of the application services. To achieve this task, an AMF implementation requires a specific logical view of the organization of the application’s services and components, known as an AMF configuration. Any AMF configuration must be compliant to the concepts and constraints defined in the AMF specifications. The process of defining AMF configurations is error prone and requires extensive domain knowledge. Another major issue is being able to analyze the designed AMF configuration to quantify the anticipated service availability. This requires a different set of modeling and analysis skills that system integrators might not necessarily possess. In this dissertation we propose the automation of this process. The premise is to define a generation method within which we embed the domain knowledge and the domain constraints, and by that generating AMF configurations that are valid by construction. We also define an approach for the service availability analysis of AMF configurations. Our method is based on generating an analysis stochastic model that captures the middleware behavior and the application configuration. This model is thereafter solved to quantify the service availability