Formal Analysis of Stochastic Discrete Event Systems

Mgr. Jan Krčál, Ph.D.

Advanced ('rigorózní') thesis

Abstract:

Formální verifikace a hodnocení výkonnosti jsou dva vzájemně se doplňující části formální analýzy stochastických modelů. V práci se zaměřujeme na stochastické systémy řízené diskrétními událostmi, což jsou modely se spojitým časem, které jsou řízeny souběžně očekávanými událostmi. Tyto modely jsou používány jak pro analýzu počítačových systémů, tak také pro modelování průmyslových, finančních nebo biologických procesů. V textu definujeme tři důležité zástupce této třídy, Markovovy řetězce se spojitým časem, semi-Markovské procesy a zobecněné semi-Markovské procesy. Vlastnosti těchto systémů mohou být specifikovány pomocí logik pro spojitý čas, jako např. CSL, PTCTL, asCSL nebo CSL^TA. Alternativnou jsou deterministické časové automaty, schopné vyjádřit vlastnosti pro verifikaci, stejně jako míry pro hodnocení výkonu. Jedním z cílů navrhované doktorské práce je rozšířit specifikační formalismus deterministických časových automatů a také model zobecněných semi-Markovovských procesů, abychom obohatili třídu otázek, které tímto dokážeme zkoumat. Také chceme poskytnout lepší algoritmy pro specifikace pomocí časových automatů a nalézt hranice jejich skutečné použitelnosti. A konečně, chceme využít metody simulace pro formální verifikaci systémů řízených diskrétními událostmi. Dosavadní práci v tomto směru většinou chybí nezbytná preciznost.

Abstract:

Formal verification and performance evaluation are two complementary parts of formal analysis of stochastic models. We focus on stochastic discrete event systems, continuous-time models that evolve in discrete steps determined by paralel events. These models are widely used for analyzing computer systems and also industrial, financial, or biological processes.We define three important models of this class, continuous-time Markov chains, semi-Markov processes, and generalized semi-Markov processes. These processes can be specified by continuous-time logics such as CSL, PTCTL, asCSL, or CSL^TA. An alternative specification formalism are the deterministic timed automata (DTA), apt to express verification properties as well as performance measures. One of the goals of the proposed Ph.D. thesis it to extend the DTA specifications and the model of GSMPs to enrich the class of studied questions.We also want to provide better algorithms for the DTA specifications and to find boundaries of their real applicability. Lastly, we want to utilize the method of simulation for formal verification of discrete event systems. The existing work in this direction mostly lacks the necessary rigorosity.

Keywords

discrete event systems, formal analysis, performance analysis, continuous stochastic logic, deterministic timed automata, continuous-time Markov chain, semi-Markov process, generalized semi-Markov process, time-bounded reachability

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 29. 3. 2011

Thesis defence

• Date of defence: 24. 5. 2011
• Reader: doc. Mgr. Radek Pelánek, Ph.D., Prof. Dr. Christel Baier

Masaryk University

Faculty of Informatics

Advanced ('rigorózní řízení') programme / field:
Informatics / Informatics