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Open Access
Analysis and verification of systems with dynamically evolving structure
(2004) König, Barbara; Esparza, Javier (Prof. Dr.)
This thesis is concerned with verification and analysis techniques for software systems characterized by dynamically evolving structure, such as dynamic creation and deletion of objects, mobility and variable topology. Examples for such systems are pointer structures, object-based systems and communication protocols in which the number of participants is not constant. The approach taken here is based on graph transformation systems, an intuitive and---at the same time---powerful formalism for the modelling of distributed and mobile systems. So far there exists comparatively little research concerning the verification of graph rewriting. We will---in the first part of this thesis---introduce graph transformations and give an overview of existing analysis and verification methods, with a focus on the verification of systems with dynamically evolving structure. Then we will describe three original lines of research: behavioural equivalences, type systems and approximation by Petri nets, all of them concerned with the analysis of graph transformation systems. The second part consists of eight refereed research papers treating the previously introduced analysis and verification techniques in depth.
Open Access
Automatic synthesis of distributed transition systems
(2006) Stefanescu, Alin; Esparza, Javier (Prof. Dr.)
This thesis investigates the synthesis problem for two classes of distributed transition systems: synchronous products and asynchronous automata. The underlying structure of these models consist of local automata synchronizing on common actions. The synthesis problem discussed is as follows: Given a global specification as a transition system TS and a distribution pattern D, find a distributed transition system over D whose global state space is equivalent' to TS. As criteria for the correctness of the (distributed) implementation vs. the specification (i.e., their equivalence') we use: transition system isomorphism, language equivalence, and bisimilarity respectively. In particular, the synthesis of asynchronous automata modulo language equivalence is a notoriously hard problem solved by Zielonka at the end of the 80s. One of the motivations behind our work was to bring this theory closer to practical applications. From the theoretical point of view, we conduct a detailed analysis of the synthesis problem for both models of distributed systems, look at effective algorithmic approaches and draw a map of computational complexity results. E.g., we provide several matching lower and upper complexity bounds for the distributed implementability problem. From the practical perspective, we provide prototype implementations for most of the synthesis algorithms discussed in the thesis. Moreover, we offer assistance when a given specification is not distributable by trying to modify this specification such that distributed synthesis can be applied. By using several heuristics to overcome the classical state space explosion, we are able to automatically generate small distributed algorithms for problems such as mutual exclusion.
Open Access
Halbordnungs- und Reduktionstechniken für die automatische Verifikation von verteilten Systemen
(2006) Schröter, Claus; Esparza, Javier (Prof. Dr.)
Das Hauptproblem bei der automatischen Verifikation von verteilten Systemen unter Verwendung von Model-Checking-Verfahren besteht in der Zustandsraumexplosion der Ausgangssysteme. Dieses bedeutet, daß sogar die Spezifikation eines kleinen Systems oftmals einen großen Zustandsraum aufspannt, da dieser exponentiell in der Größe des Ausgangssystems wachsen kann. In der Vergangenheit wurden verschiedene Techniken vorgeschlagen, um diese Problematik in den Griff zu bekommen. Diese können klassifiziert werden in Techniken, die auf eine implizite, kompakte Repräsentation des gesamten Zustandsraums abzielen, zum Beispiel codiert als BDD, oder die unter Verwendung von Abstraktionen oder Halbordnungsreduktionen eine reduzierte Zustandsraumrepräsentation verwenden. Eine dritte Klasse von Techniken stützt sich auf die Halbordnungssicht auf nebenläufige Berechnungen, und Systemzustände werden hier implizit durch die Verwendung azyklischer Petrinetze repräsentiert. Sehr populär darunter ist die Technik von McMillan zur Erzeugung endlicher, vollständiger Präfixe von Petrinetzentfaltungen. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, effiziente Halbordnungs- und Reduktionstechniken für die automatische Verifikation von verschiedenen Petrinetzklassen zu analysieren, zu erweitern, zu implementieren und experimentell zu vergleichen. Eine der Hauptfragestellungen auf dem Gebiet der automatischen Verifikation untersucht die Erreichbarkeit von Systemzuständen, da viele Sicherheitseigenschaften eines Systems auf einfache Erreichbarkeitsfragen zurückgeführt werden können. Als typisches Beispiel sei hier die Eigenschaft zum wechselseitigen Ausschluß von nebenläufigen Prozessen erwähnt. In dieser Arbeit werden vier Verfahren betrachtet, die das Erreichbarkeitsproblem für 1-sichere Petrinetze unter Verwendung von Entfaltungspräfixen exakt lösen. Es werden zwei Halbentscheidungsverfahren betrachtet, die das Erreichbarkeitsproblem für 1-sichere Petrinetze unter Verwendung von Techniken der linearen Programmierung zu lösen versuchen. Die Verfahren werden anhand von experimentellen Ergebnissen miteinander verglichen, und es wird eine Empfehlung hergeleitet, welche Verfahren für praktische Belange geeignet zu sein scheinen. Es wird gezeigt, daß das PSPACE-vollständige Erreichbarkeitsproblem für 1-sichere Petrinetze in ein (möglicherweise exponentiell größeres) NP-vollständiges Problem überführt werden kann, sofern Entfaltungstechniken eingesetzt werden. Eine weitere wichtige Fragestellung auf dem Gebiet der automatischen Verifikation beschäftigt sich mit dem Nachweis von Sicherheits- und Lebendigkeitseigenschaften, die in Form von temporalen Logiken wie beispielsweise CTL oder LTL formuliert werden. Es werden Reduktionsregeln für den Nachweis von LTL-X-Eigenschaften betrachtet, die in zwei Kategorien eingeteilt werden können: Regeln, die lineare Programmierung unter Verwendung von Invarianten oder impliziten Stellen einsetzen, und Regeln, die lokale Netzreduktionen betrachten. Es wird gezeigt, daß die Bedingungen für die Anwendbarkeit einiger lokaler Netzreduktionen abgeschwächt werden können, sofern man LTL-X-Eigenschaften mit einem Verfahren von Esparza und Heljanko nachweist. Anhand von experimentellen Ergebnissen wird gezeigt, daß die Verifikationszeit für eine LTL-X-Eigenschaft eines Systems signifikant verringert werden kann, sofern dieses mit den vorgeschlagenen Reduktionsregeln vorverarbeitet wird. Schließlich wird der von Esparza und Heljanko vorgestellte entfaltungsbasierte Ansatz zum Nachweis von LTL-X-Eigenschaften 1-sicherer Petrinetze auf eine höhere Petrinetzklasse übertragen. Anhand von experimentellen Ergebnissen wird der in dieser Arbeit vorgestellte Ansatz mit dem Ansatz von Esparza und Heljanko sowie dem Model-Checker SPIN verglichen. Die Ergebnisse zeigen, daß der in dieser Arbeit verwendete Model-Checker dem Model-Checker von Esparza und Heljanko in allen Beispielen, und SPIN gegenüber in einigen Beispielen überlegen ist.