The Impact of Petri Nets on System-of-Systems Engineering

The successful engineering of a large-scale system-of-systems project towards deterministic behaviour depends on integrating autonomous components using international communications standards in accordance with dynamic requirements. To-date, their engineering has been unsuccessful: no combination of top-down and bottom-up engineering perspectives is adopted, and information exchange protocol and interfaces between components are not being precisely specified. Various approaches such as modelling, and architecture frameworks make positive contributions to system-of-systems specification but their successful implementation is still a problem. One of the most popular modelling notations available for specifying systems, UML, is intuitive and graphical but also ambiguous and imprecise. Supplying a range of diagrams to represent a system under development, UML lacks simulation and exhaustive verification capability. This shortfall in UML has received little attention in the context of system-of-systems and there are two major research issues: 1. Where the dynamic, behavioural diagrams of UML can and cannot be used to model and analyse system-of-systems 2. Determining how Petri nets can be used to improve the specification and analysis of the dynamic model of a system-of-systems specified using UML This thesis presents the strengths and weaknesses of Petri nets in relation to the specification of system-of-systems and shows how Petri net models can be used instead of conventional UML Activity Diagrams. The model of the system-of-systems can then be analysed and verified using Petri net theory. The Petri net formalism of behaviour is demonstrated using two case studies from the military domain. The first case study uses Petri nets to specify and analyse a close air support mission. This case study concludes by indicating the strengths, weaknesses, and shortfalls of the proposed formalism in system-of-systems specification. The second case study considers specification of a military exchange network parameters problem and the results are compared with the strengths and weaknesses identified in the first case study. Finally, the results of the research are formulated in the form of a Petri net enhancement to UML (mapping existing activity diagram elements to Petri net elements) to meet the needs of system-of-systems specification, verification and validation

Modeling and evaluation of variable structure command and control organizations

Cover title.Includes bibliographical references.Support provided by the Office of Naval Research. N00014-84-K-0519 (NR 649-003)by Jean-Marc Monguillet, Alexander H. Levis

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

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

Approximation methods for stochastic petri nets

Stochastic Marked Graphs are a concurrent decision free formalism provided with a powerful synchronization mechanism generalizing conventional Fork Join Queueing Networks. In some particular cases the analysis of the throughput can be done analytically. Otherwise the analysis suffers from the classical state explosion problem. Embedded in the divide and conquer paradigm, approximation techniques are introduced for the analysis of stochastic marked graphs and Macroplace/Macrotransition-nets (MPMT-nets), a new subclass introduced herein. MPMT-nets are a subclass of Petri nets that allow limited choice, concurrency and sharing of resources. The modeling power of MPMT is much larger than that of marked graphs, e.g., MPMT-nets can model manufacturing flow lines with unreliable machines and dataflow graphs where choice and synchronization occur. The basic idea leads to the notion of a cut to split the original net system into two subnets. The cuts lead to two aggregated net systems where one of the subnets is reduced to a single transition. A further reduction leads to a basic skeleton. The generalization of the idea leads to multiple cuts, where single cuts can be applied recursively leading to a hierarchical decomposition. Based on the decomposition, a response time approximation technique for the performance analysis is introduced. Also, delay equivalence, which has previously been introduced in the context of marked graphs by Woodside et al., Marie's method and flow equivalent aggregation are applied to the aggregated net systems. The experimental results show that response time approximation converges quickly and shows reasonable accuracy in most cases. The convergence of Marie's method and flow equivalent aggregation are applied to the aggregated net systems. The experimental results show that response time approximation converges quickly and shows reasonable accuracy in most cases. The convergence of Marie's is slower, but the accuracy is generally better. Delay equivalence often fails to converge, while flow equivalent aggregation can lead to potentially bad results if a strong dependence of the mean completion time on the interarrival process exists

Fluid net models: from behavioral properties to structural objects

Increasing the production in manufacturing systems is one of the main demands in modern systems. The naive approach that this goal can be achieved when more or faster resources are used is not always valid. In fact, the complex interactions among system’s elements may lead to paradoxical behaviors; for example, using faster machines could reduce the equilibrium throughput (number of part fabricated per unit time in steady state) of the system, or even worse, block all system activities, reducing it to zero. This work leverages the concepts about fluidization and analysis techniques used in Timed Continuous Petri nets (TCPN) presented in earlier works to study the behavior of the equilibrium throughput when more/faster machines are used. Herein, we illustrate how discontinuities induced bifurcations of the equilibrium throughput are due to the existence of paths that can increase/decrease the marking of certain subnets. In particular, if paths gaining/losing tokens are fired without a particular balance, then the equilibrium throughput exhibits discontinuities since the equilibrium marking loses hyperbolicity. Moreover, these discontinuities imply other undesired throughput behaviors; for example, the existence of non-monotonicities of the equilibrium throughput (when more/faster resources are used in the system, its equilibrium throughput is reduced). The discontinuities together with a homothecy property are used to explain non-monotonicities in the equilibrium throughput. A relevant aspect is that these undesired system behaviors appear when the net has structural objects named problematic configurations that are associated with certain subnets in which there are no P-semiflows. Although the number of these configurations increase exponentially in the size of the net, some reduction rules are introduced to remove configurations, while the problematic ones are kept (or can be recovered) in the reduced net. This saves computation time in the analysis and, more importantly, provides useful insights about the root of undesired behaviors. This work focus on systems that can be modeled with fluid (or continuous) mono T-semiflow Timed Continuous Petri nets. Even if under certain constraints, they are capable of capturing many characteristics of modern systems, such as interleaving of cooperation and competition

Obstructions in Security-Aware Business Processes

This Open Access book explores the dilemma-like stalemate between security and regulatory compliance in business processes on the one hand and business continuity and governance on the other. The growing number of regulations, e.g., on information security, data protection, or privacy, implemented in increasingly digitized businesses can have an obstructive effect on the automated execution of business processes. Such security-related obstructions can particularly occur when an access control-based implementation of regulations blocks the execution of business processes. By handling obstructions, security in business processes is supposed to be improved. For this, the book presents a framework that allows the comprehensive analysis, detection, and handling of obstructions in a security-sensitive way. Thereby, methods based on common organizational security policies, process models, and logs are proposed. The Petri net-based modeling and related semantic and language-based research, as well as the analysis of event data and machine learning methods finally lead to the development of algorithms and experiments that can detect and resolve obstructions and are reproducible with the provided software