Verification of Nonblockingness in Bounded Petri Nets With Minimax Basis Reachability Graphs

This paper proposes a semi-structural approach to verify the nonblockingness of a Petri net. We construct a structure, called minimax basis reachability graph (minimax-BRG): it provides an abstract description of the reachability set of a net while preserving all information needed to test if the net is blocking. We prove that a bounded deadlock-free Petri net is nonblocking if and only if its minimax-BRG is unobstructed, which can be verified by solving a set of integer constraints and then examining the minimax-BRG. For Petri nets that are not deadlock-free, one needs to determine the set of deadlock markings. This can be done with an approach based on the computation of maximal implicit firing sequences enabled by the markings in the minimax-BRG. The approach we developed does not require the construction of the reachability graph and has wide applicability.Comment: This work has been submitted to the IEEE for possible publication. Copyright may be transferred without notice, after which this version may no longer be accessibl

A new approach for diagnosability analysis of Petri nets using Verifier Nets

In this paper, we analyze the diagnosability properties of labeled Petri nets. We consider the standard notion of diagnosability of languages, requiring that every occurrence of an unobservable fault event be eventually detected, as well as the stronger notion of diagnosability in K steps, where the detection must occur within a fixed bound of K event occurrences after the fault. We give necessary and sufficient conditions for these two notions of diagnosability for both bounded and unbounded Petri nets and then present an algorithmic technique for testing the conditions based on linear programming. Our approach is novel and based on the analysis of the reachability/coverability graph of a special Petri net, called Verifier Net, that is built from the Petri net model of the given system. In the case of systems that are diagnosable in K steps, we give a procedure to compute the bound K. To the best of our knowledge, this is the first time that necessary and sufficient conditions for diagnosability and diagnosability in K steps of labeled unbounded Petri nets are presented

Acyclic Transformation Technique for the Reachability Analysis of Petri Nets

Industrial Engineering and Managemen

A Two Phase Verification Algorithm for Cyclic Workflow Graphs

The widespread automation of e-business processes has made workflow analysis and design an integral part of information management. Graph-based workflow models enables depicting complex processes in a fairly compact form. This free form, on the other hand, can yield models that may fail depending on the judgment of the modeler and create modeling situations that cannot be executed or will behave in a manner not expected by the modeler. Further, cycles in workflow models needed for purposes of rework and information feedback increase the complexity of workflow analysis. This paper presents a novel method of partitioning a cyclic workflow process, represented in a directed graph, into a set of acyclic subgraphs. This allows a cyclic workflow model to be analyzed further with several smaller subflows, which are all acyclic. As a convincing example, we present two-phased verification of structural conflicts in workflow models for those incurred from the inappropriate composition of partitioned flows and the others within each acyclic subgraph, which is much easier to comprehend and verify individually than the whole workflow model, in general

Vérification efficace de systèmes à compteurs à l'aide de relaxations

Abstract : Counter systems are popular models used to reason about systems in various fields such as the analysis of concurrent or distributed programs and the discovery and verification of business processes. We study well-established problems on various classes of counter systems. This thesis focusses on three particular systems, namely Petri nets, which are a type of model for discrete systems with concurrent and sequential events, workflow nets, which form a subclass of Petri nets that is suited for modelling and reasoning about business processes, and continuous one-counter automata, a novel model that combines continuous semantics with one-counter automata. For Petri nets, we focus on reachability and coverability properties. We utilize directed search algorithms, using relaxations of Petri nets as heuristics, to obtain novel semi-decision algorithms for reachability and coverability, and positively evaluate a prototype implementation. For workflow nets, we focus on the problem of soundness, a well-established correctness notion for such nets. We precisely characterize the previously widely-open complexity of three variants of soundness. Based on our insights, we develop techniques to verify soundness in practice, based on reachability relaxation of Petri nets. Lastly, we introduce the novel model of continuous one-counter automata. This model is a natural variant of one-counter automata, which allows reasoning in a hybrid manner combining continuous and discrete elements. We characterize the exact complexity of the reachability problem in several variants of the model.Les systèmes à compteurs sont des modèles utilisés afin de raisonner sur les systèmes de divers domaines tels l’analyse de programmes concurrents ou distribués, et la découverte et la vérification de systèmes d’affaires. Nous étudions des problèmes bien établis de différentes classes de systèmes à compteurs. Cette thèse se penche sur trois systèmes particuliers : les réseaux de Petri, qui sont un type de modèle pour les systèmes discrets à événements concurrents et séquentiels ; les « réseaux de processus », qui forment une sous-classe des réseaux de Petri adaptée à la modélisation et au raisonnement des processus d’affaires ; les automates continus à un compteur, un nouveau modèle qui combine une sémantique continue à celles des automates à un compteur. Pour les réseaux de Petri, nous nous concentrons sur les propriétés d’accessibilité et de couverture. Nous utilisons des algorithmes de parcours de graphes, avec des relaxations de réseaux de Petri comme heuristiques, afin d’obtenir de nouveaux algorithmes de semi-décision pour l’accessibilité et la couverture, et nous évaluons positivement un prototype. Pour les «réseaux de processus», nous nous concentrons sur le problème de validité, une notion de correction bien établie pour ces réseaux. Nous caractérisions précisément la complexité calculatoire jusqu’ici largement ouverte de trois variantes du problème de validité. En nous basant sur nos résultats, nous développons des techniques pour vérifier la validité en pratique, à l’aide de relaxations d’accessibilité dans les réseaux de Petri. Enfin, nous introduisons le nouveau modèle d’automates continus à un compteur. Ce modèle est une variante naturelle des automates à un compteur, qui permet de raisonner de manière hybride en combinant des éléments continus et discrets. Nous caractérisons la complexité exacte du problème d’accessibilité dans plusieurs variantes du modèle

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