Lessons learned in the application of formal methods to the design of a storm surge barrier control system

The Maeslantkering is a key flood defense infrastructural system in the Netherlands. This movable barrier protects the city and harbor of Rotterdam, without impacting ship traffic under normal circumstances. Its control system, which operates completely autonomously, must be guaranteed to work correctly even under extreme weather conditions, although it closes only sporadically. During its development in the 1990's, the formal methods Z and Spin were used to increase reliability. As the availability of industrial expert knowledge on these formal methods declines, maintaining the specifications defined back then has become cumbersome. In the quest for an alternative mathematically rigorous approach, this paper reports on an experience in applying supervisory control synthesis. This formal method was recently applied successfully to other types of infrastructural systems like waterway locks, bridges, and tunnels, with the purpose to ensure safe behavior by coordinating hardware components. Here, we show that it can also be used to coordinate several (controller) software systems. Additionally, we compare the lessons learned from the originally used formal methods and link Z to supervisory control synthesis

A comparison of two different model checking techniques

Thesis (MSc)--University of Stellenbosch, 2003.ENGLISH ABSTRACT: Model checking is a computer-aided verification technique that is used to verify properties about the formal description of a system automatically. This technique has been applied successfully to detect subtle errors in reactive systems. Such errors are extremely difficult to detect by using traditional testing techniques. The conventional method of applying model checking is to construct a model manually either before or after the implementation of a system. Constructing such a model requires time, skill and experience. An alternative method is to derive a model from an implementation automatically. In this thesis two techniques of applying model checking to reactive systems are compared, both of which have problems as well as advantages. Two specific strategies are compared in the area of protocol development: 1. Structuring a protocol as a transition system, modelling the system, and then deriving an implementation from the model. 2. Automatically translating implementation code to a verifiable model. Structuring a reactive system as a transition system makes it possible to verify the control flow of the system at implementation level-as opposed to verifying the control flow at abstract level. The result is a closer correspondence between implementation and specification (model). At the same time testing, which is restricted to small, independent code fragments that manipulate data, is simplified significantly. The construction of a model often takes too long; therefore, verification results may no longer be applicable when they become available. To address this problem, the technique of automated model extraction was suggested. This technique aims to reduce the time required to construct a model by minimising manual input during model construction. A transition system is a low-level formalism and direct execution through interpretation is feasible. However, the overhead of interpretation is the major disadvantage of this technique. With automated model extraction there are disadvantages too. For example, differences between the implementation and specification languages-such as constructs present in the implementation language that cannot be expressed in the modelling language-make the development of an automated model extraction tool extremely difficult. In conclusion, the two techniques are compared against a set of software development considerations. Since a specific technique is not always preferable, guidelines are proposed to help select the best approach in different circumstances.AFRIKAANSE OPSOMMING: Modeltoetsing is 'n rekenaargebaseerde verifikasietegniek wat gebruik word om eienskappe rakende 'n formele spesifikasie van 'n stelsel te verifieer. Die tegniek is al suksesvol toegepas om subtiele foute in reaktiewe stelsels op te spoor. Sulke foute word uiters moeilik opgespoor as tradisionele toetsings tegnieke gebruik word. Tradisioneel word modeltoetsing toegepas deur 'n model te bou voor of na die implementasie van 'n stelsel. Om'n model te bou verg tyd, vernuf en ervaring. 'n Alternatiewe metode is om outomaties 'n model van 'n implementasie af te lei. In hierdie tesis word twee toepassingstegnieke van modeltoetsing vergelyk, waar beide tegnieke beskik oor voordele sowel as nadele. Twee strategieë word vergelyk in die gebied van protokol ontwikkeling: 1. Om 'n protokol as 'n oorgangsstelsel te struktureer, dit te moduleer en dan 'n implementasie van die model af te lei. 2. Om outomaties 'n verifieerbare model van 'n implementasie af te lei. Om 'n reaktiewe stelsel as 'n oorgangsstelsel te struktureer maak dit moontlik om die kontrolevloei op implementasie vlak te verifieer-in teenstelling met verifikasie van kontrolevloei op 'n abstrakte vlak. Die resultaat is 'n nouer band wat bestaan tussen die implementasie en die spesifikasie. Terselfdetyd word toetsing, wat beperk word tot klein, onafhanklike kodesegmente wat data manupileer, beduidend vereenvoudig. Die konstruksie van 'n model neem soms te lank; gevolglik, wanneer die verifikasieresultate beskikbaar word, is dit dalk nie meer toepaslik op die huidige weergawe van 'n implementasie nie. Om die probleem aan te spreek is 'n tegniek om modelle outomaties van implementasies af te lei, voorgestel. Die doel van die tegniek is om die tyd wat dit neem om 'n model te bou te verminder deur handtoevoer tot 'n minimum te beperk. 'n Oorgangsstelsel is 'n laevlak formalisme en direkte uitvoering deur interpretasie is wesenlik. Die oorhoofse koste van die interpreteerder is egter die grootste nadeel van die tegniek. Daar is ook nadele wat oorweeg moet word rakende die tegniek om outomaties modelle van implementasies af te lei. Byvoorbeeld, verskille tussen die implementasietaal en spesifikasietaal=-soos byvoorbleed konstrukte wat in die implementasietaal gebruik word wat nie in die modeleringstaal voorgestel kan word nie-vrnaak die ontwikkeling van 'n modelafieier uiters moeilik. As gevolg word die twee tegnieke vergelyk teen 'n stel van programatuurontwikkelingsoorwegings. Omdat 'n spesifieke tegniek nie altyd voorkeur kan geniet nie, word riglyne voorgestel om te help met die keuse om die beste tegniek te kies in verskillende omstandighede

Enhancing state space reduction techniques for model checking

Model-checking is een techniek voor het automatisch opsporen van fouten in en de verificatie van hardware en software. De techniek is gebaseerd op het doorzoeken van de globale toestandsruimte van het systeem. Deze toestandsruimte groeit vaak exponentieel met de grootte van de systeembeschrijving. Als gevolg hiervan is een van de voornaamste knelpunten in model-checking de zogenaamde toestandsexplosie. Er bestaan veel aanpakken om met dit probleem om te gaan. We presenteren verbeteringen van sommige bestaande technieken voor reductie van de toestandsruimte die gebaseerd zijn op expliciete enumeratie van die ruimte. We schenken vooral aandacht aan het verbeteren van verscheidene algoritmen die, hoewel ze slechts een deel van de toestandsruimte onderzoeken, nog steeds gegeven een eigenschap kunnen bewijzen of weerleggen. In het bijzonder is ons onderzoek toegespitst op twee typen reducties. Het eerste type, parti¨eleordening (PO) reductie, buit de onafhankelijkheid van acties in het systeem uit. Het tweede type is een klasse van reducties die voordeel halen uit symmetrie¨en van het systeem. De voornaamste bijdragen van dit proefschrift in verband met de parti¨ele ordening reductie zijn de volgende: – Het gebruik van systeemhi¨erarchie voor effici¨entere parti¨ele-ordening reductie door klustering van processen – De meeste model-checking technieken beschouwen het model als een platte compositie van processen. We laten zien hoe de reductie kan profiteren van de systeemstructuur door uitbuiting van de hi¨erarchie in het systeem (Hoofdstuk 2). – Correcte syntactische criteria om onafhankelijke acties te vinden voor parti¨ele ordening reductie voor systemen met synchronizerende communicaties die gecombineerd zijn met prioriteit-keuze en/of zwakke fairness (Hoofdstuk 3). – Parti¨ele-ordening reductie voor discrete tijd – We laten zien hoe het algoritme voor parti¨ele ordening reductie zonder tijd aangepast kan worden, in het geval tijd gerepresenteerd wordt middels gehele getallen (Hoofdstuk 4). De bijdragen betreffende symmetrie-gebaseerde reducties kunnen als volgt samengevat worden: – Effici¨ente heuristieken voor het vinden van representanten van equivalentieklassen voor symmetrie-gebaseerde reductie (Hoofdstuk 6). – Een effici¨ent algoritme voor model-checking onder zwakke fairness met toestandsruimte reductietechnieken die gebaseerd zijn op symmetrie (Hoofdstuk 7). Het succes van model-checking is voornamelijk gebaseerd op de relatief gemakkelijke implementatie in software gereedschappen. Bijna alle bovengenoemde theoretische resultaten zijn ge¨implementeerd in de praktijk en de ontwikkelde prototype implementaties zijn ge¨evalueerd in praktijkstudies. Het meeste implementatie werk is gerelateerd aan de model checker Spin. Van de praktische bijdragen in dit document noemen we: – DT Spin – een uitbreiding van Spin met discrete tijd die het in het proefschrift gepresenteerd discrete-tijd PO reductie algoritme bevat (Hoofdstuk 4). – if2pml – een vertaler van de modelleertaal IF naar Spins invoertaal Promela, die als het tweede deel van een vertaler van SDL naar Promela bedoeld is (Hoofdstuk 5). – SymmSpin – een symmetrie-reductie pakket voor Spin, gebaseerd op de heuristiek beschreven in dit proefschrift (Hoofdstuk 6). De implementaties zijn getest op voorbeelden uit de literatuur en het bedrijfsleven met bemoedigende resultaten. In het bijzonder noemen we MASCARA – een industrieel protocol dat draadloze communicatie met ATM combineert (Hoofdstuk 5). De experimenten zijn niet alleen een aanwijzing voor de kwaliteit van de resultaten en de implementatie, maar ze waren en zijn ook een inspiratie voor nieuw theoretisch werk. Een typerend voorbeeld is de verenigbaarheid van parti¨ele ordening reductie met prioriteit-keuze en fairness in modellen met rendez-vous communicatie. De verbetering van het parti¨ele-ordening algoritme was rechtstreeks ge¨inspireerd door experimenten met Spin en zijn discrete-tijd uitbreiding DT Spin, ontwikkeld in dit proefschrift

Using Agent JPF to Build Models for Other Model Checkers

Abstract. We describe an extension to the AJPF agent program modelchecker so that it may be used to generate models for input into other, non-agent, model-checkers. We motivate this adaptation, arguing that it improves the efficiency of the model-checking process and provides access to richer property specification languages. We illustrate the approach by describing the export of AJPF program models to Spin and Prism. In the case of Spin we also investigate, experimentally, the effect the process has on the overall efficiency of modelchecking.

Reliable massively parallel symbolic computing : fault tolerance for a distributed Haskell

As the number of cores in manycore systems grows exponentially, the number of failures is also predicted to grow exponentially. Hence massively parallel computations must be able to tolerate faults. Moreover new approaches to language design and system architecture are needed to address the resilience of massively parallel heterogeneous architectures. Symbolic computation has underpinned key advances in Mathematics and Computer Science, for example in number theory, cryptography, and coding theory. Computer algebra software systems facilitate symbolic mathematics. Developing these at scale has its own distinctive set of challenges, as symbolic algorithms tend to employ complex irregular data and control structures. SymGridParII is a middleware for parallel symbolic computing on massively parallel High Performance Computing platforms. A key element of SymGridParII is a domain specific language (DSL) called Haskell Distributed Parallel Haskell (HdpH). It is explicitly designed for scalable distributed-memory parallelism, and employs work stealing to load balance dynamically generated irregular task sizes. To investigate providing scalable fault tolerant symbolic computation we design, implement and evaluate a reliable version of HdpH, HdpH-RS. Its reliable scheduler detects and handles faults, using task replication as a key recovery strategy. The scheduler supports load balancing with a fault tolerant work stealing protocol. The reliable scheduler is invoked with two fault tolerance primitives for implicit and explicit work placement, and 10 fault tolerant parallel skeletons that encapsulate common parallel programming patterns. The user is oblivious to many failures, they are instead handled by the scheduler. An operational semantics describes small-step reductions on states. A simple abstract machine for scheduling transitions and task evaluation is presented. It defines the semantics of supervised futures, and the transition rules for recovering tasks in the presence of failure. The transition rules are demonstrated with a fault-free execution, and three executions that recover from faults. The fault tolerant work stealing has been abstracted in to a Promela model. The SPIN model checker is used to exhaustively search the intersection of states in this automaton to validate a key resiliency property of the protocol. It asserts that an initially empty supervised future on the supervisor node will eventually be full in the presence of all possible combinations of failures. The performance of HdpH-RS is measured using five benchmarks. Supervised scheduling achieves a speedup of 757 with explicit task placement and 340 with lazy work stealing when executing Summatory Liouville up to 1400 cores of a HPC architecture. Moreover, supervision overheads are consistently low scaling up to 1400 cores. Low recovery overheads are observed in the presence of frequent failure when lazy on-demand work stealing is used. A Chaos Monkey mechanism has been developed for stress testing resiliency with random failure combinations. All unit tests pass in the presence of random failure, terminating with the expected results

A DSS For Reservoirs Operation Based On The Execution Of Formal Models

Controlling the evolution of a reservoir in a flood episode can be critical, especially in Mediterranean basins where the concentration time is very short. In this situation, an automatic software tool can help the reservoir manager to make a quick decision. In this paper we present a DSS based on the execution of formal models by means of model checking. This technique exhaustively explores the different execution branches of a model of the system. The DSS addresses two flood control tasks. First, the DSS simulates the evolution of the reservoir (the water stored and released) when applying a predefined flood control strategy. Second, and probably the most important task, the DSS generates, in a short time, new flood control strategies based on a prediction of the water inflow and the goals and constraints imposed by the dam manager. This task is associated with the concept of risk in its technical sense; that is, the probability of occurrence of an extreme event and the damage cost associated. The DSS returns a set of maneuvers over the dam gates that control the evolution of the dam level following the goals and constrains imposed by the dam manager. Currently, the DSS includes hybrid model of a specific dam located in the city of Marbella. This model describes the continuous discharge curves and the discrete opening degrees of the dam gates. Other models of Andalusian dams will be included soon. In addition, there are discrete models of two flood control strategies (Dordogne and MEV) that can be applied. Moreover in order to generate new strategies, the DSS uses a non-deterministic model that simulates the dam manager. We present some case studies where we evaluate the performance of the tool and the suitability of the control strategies generated for different historical flood episodes

Integration of analysis techniques in security and fault-tolerance

This thesis focuses on the study of integration of formal methodologies in security protocol analysis and fault-tolerance analysis. The research is developed in two different directions: interdisciplinary and intra-disciplinary. In the former, we look for a beneficial interaction between strategies of analysis in security protocols and fault-tolerance; in the latter, we search for connections among different approaches of analysis within the security area. In the following we summarize the main results of the research