TY - THES A1 - Decker, Gero T1 - Design and analysis of process choreographies T1 - Design und Analyse von Prozesschoreographien N2 - With the rise of electronic integration between organizations, the need for a precise specification of interaction behavior increases. Information systems, replacing interaction previously carried out by humans via phone, faxes and emails, require a precise specification for handling all possible situations. Such interaction behavior is described in process choreographies. Choreographies enumerate the roles involved, the allowed interactions, the message contents and the behavioral dependencies between interactions. Choreographies serve as interaction contract and are the starting point for adapting existing business processes and systems or for implementing new software components. As a thorough analysis and comparison of choreography modeling languages is missing in the literature, this thesis introduces a requirements framework for choreography languages and uses it for comparing current choreography languages. Language proposals for overcoming the limitations are given for choreography modeling on the conceptual and on the technical level. Using an interconnection modeling style, behavioral dependencies are defined on a per-role basis and different roles are interconnected using message flow. This thesis reveals a number of modeling "anti-patterns" for interconnection modeling, motivating further investigations on choreography languages following the interaction modeling style. Here, interactions are seen as atomic building blocks and the behavioral dependencies between them are defined globally. Two novel language proposals are put forward for this modeling style which have already influenced industrial standardization initiatives. While avoiding many of the pitfalls of interconnection modeling, new anomalies can arise in interaction models. A choreography might not be realizable, i.e. there does not exist a set of interacting roles that collectively realize the specified behavior. This thesis investigates different dimensions of realizability. N2 - Elektronische Integration zwischen Organisationen erfordert eine präzise Spezifikation des Interaktionsverhaltens: Informationssysteme, die Kommunikation per Telefon, Fax und Email ablösen, können nicht so flexibel und selbständig auf Ausnahmesituationen reagieren wie Menschen. Choreographien ermöglichen es, Interaktionsverhalten genau zu spezifizieren. Diese Modelle zählen die beteiligten Rollen, die erlaubten Interaktionen, Nachrichteninhalte und Verhaltensabhängigkeiten auf und dienen somit als Interaktionsvertrag zwischen den Organisationen. Auch als Ausgangspunkt für eine Anpassung existierender Prozesse und Systeme sowie für die Implementierung neuer Softwarekomponenten finden Choreographien Anwendung. Da ein Vergleich von Choreographiemodellierungssprachen in der Literatur bislang fehlt, präsentiert diese Arbeit einen Anforderungskatalog, der als Basis für eine Evaluierung existierender Sprachen angewandt wird. Im Kern führt diese Arbeit Spracherweiterungen ein, um die Schwächen existierender Sprachen zu überwinden. Die vorgestellten Erweiterungen adressieren dabei Modellierung auf konzeptioneller und auf technischer Ebene. Beim Verlinkungsmodellierungsstil werden Verhaltensabhängigkeiten innerhalb der beteiligten Rollen spezifiziert und das Interaktionsverhalten entsteht durch eine Verlinkung der Kommunikationsaktivitäten. Diese Arbeit stellt einige "Anti-Pattern" für die Verlinkungsmodellierung vor, welche wiederum Untersuchungen bzgl. Choreographiesprachen des Interaktionsmodellierungsstils motivieren. Hier werden Interaktionen als atomare Blöcke verstanden und Verhaltensabhängigkeiten werden global definiert. Diese Arbeit führt zwei neue Choreographiesprachen dieses zweiten Modellierungsstils ein, welche bereits in industrielle Standardisierungsinitiativen eingeflossen sind. Während auf der einen Seite zahlreiche Fallstricke der Verlinkungsmodellierung umgangen werden, können in Interaktionsmodellen allerdings neue Anomalien entstehen. Eine Choreographie kann z.B. "unrealisierbar" sein, d.h. es ist nicht möglich interagierende Rollen zu finden, die zusammen genommen das spezifizierte Verhalten abbilden. Dieses Phänomen wird in dieser Arbeit über verschiedene Dimensionen von Realisierbarkeit untersucht. KW - Prozessmodellierung KW - Choreographien KW - Interaktionsmodellierung KW - Verifikation KW - Sprachdesign KW - Process modeling KW - choreographies KW - interaction modeling KW - verification KW - language design Y1 - 2009 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-40761 ER - TY - BOOK A1 - Becker, Basil A1 - Giese, Holger T1 - Cyber-physical systems with dynamic structure : towards modeling and verification of inductive invariants N2 - Cyber-physical systems achieve sophisticated system behavior exploring the tight interconnection of physical coupling present in classical engineering systems and information technology based coupling. A particular challenging case are systems where these cyber-physical systems are formed ad hoc according to the specific local topology, the available networking capabilities, and the goals and constraints of the subsystems captured by the information processing part. In this paper we present a formalism that permits to model the sketched class of cyber-physical systems. The ad hoc formation of tightly coupled subsystems of arbitrary size are specified using a UML-based graph transformation system approach. Differential equations are employed to define the resulting tightly coupled behavior. Together, both form hybrid graph transformation systems where the graph transformation rules define the discrete steps where the topology or modes may change, while the differential equations capture the continuous behavior in between such discrete changes. In addition, we demonstrate that automated analysis techniques known for timed graph transformation systems for inductive invariants can be extended to also cover the hybrid case for an expressive case of hybrid models where the formed tightly coupled subsystems are restricted to smaller local networks. N2 - Cyber-physical Systeme erzielen ihr ausgefeiltes Systemverhalten durch die enge Verschränkung von physikalischer Kopplung, wie sie in Systemen der klassichen Igenieurs-Disziplinen vorkommt, und der Kopplung durch Informationstechnologie. Eine besondere Herausforderung stellen in diesem Zusammenhang Systeme dar, die durch die spontane Vernetzung einzelner Cyber-Physical-Systeme entsprechend der lokalen, topologischen Gegebenheiten, verfügbarer Netzwerkfähigkeiten und der Anforderungen und Beschränkungen der Teilsysteme, die durch den informationsverabeitenden Teil vorgegeben sind, entstehen. In diesem Bericht stellen wir einen Formalismus vor, der die Modellierung der eingangs skizzierten Systeme erlaubt. Ein auf UML aufbauender Graph-Transformations-Ansatz wird genutzt, um die spontane Bildung eng kooperierender Teilsysteme beliebiger Größe zu spezifizieren. Differentialgleichungen beschreiben das kombinierte Verhalten auf physikalischer Ebene. In Kombination ergeben diese beiden Formalismen hybride Graph-Transformations-Systeme, in denen die Graph-Transformationen diskrete Schritte und die Differentialgleichungen das kontinuierliche, physikalische Verhalten des Systems beschreiben. Zusätzlich, präsentieren wir die Erweiterung einer automatischen Analysetechnik zur Verifikation induktiver Invarianten, die bereits für zeitbehaftete Systeme bekannt ist, auf den ausdrucksstärkeren Fall der hybriden Modelle. T3 - Technische Berichte des Hasso-Plattner-Instituts für Digital Engineering an der Universität Potsdam - 64 KW - Cyber-Physical-Systeme KW - Verifikation KW - Modellierung KW - hybride Graph-Transformations-Systeme KW - Cyber-physical-systems KW - verification KW - modeling KW - hybrid graph-transformation-systems Y1 - 2012 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-62437 SN - 978-3-86956-217-9 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ER - TY - BOOK A1 - Neumann, Stefan A1 - Giese, Holger T1 - Scalable compatibility for embedded real-time components via language progressive timed automata N2 - The proper composition of independently developed components of an embedded real- time system is complicated due to the fact that besides the functional behavior also the non-functional properties and in particular the timing have to be compatible. Nowadays related compatibility problems have to be addressed in a cumbersome integration and configuration phase at the end of the development process, that in the worst case may fail. Therefore, a number of formal approaches have been developed, which try to guide the upfront decomposition of the embedded real-time system into components such that integration problems related to timing properties can be excluded and that suitable configurations can be found. However, the proposed solutions require a number of strong assumptions that can be hardly fulfilled or the required analysis does not scale well. In this paper, we present an approach based on timed automata that can provide the required guarantees for the later integration without strong assumptions, which are difficult to match in practice. The approach provides a modular reasoning scheme that permits to establish the required guarantees for the integration employing only local checks, which therefore also scales. It is also possible to determine potential configuration settings by means of timed game synthesis. N2 - Die korrekte Komposition individuell entwickelter Komponenten von eingebetteten Realzeitsystemen ist eine Herausforderung, da neben funktionalen Eigenschaften auch nicht funktionale Eigenschaften berücksichtigt werden müssen. Ein Beispiel hierfür ist die Kompatibilität von Realzeiteigenschaften, welche eine entscheidende Rolle in eingebetteten Systemen spielen. Heutzutage wird die Kompatibilität derartiger Eigenschaften in einer aufwändigen Integrations- und Konfigurationstests am Ende des Entwicklungsprozesses geprüft, wobei diese Tests im schlechtesten Fall fehlschlagen. Aus diesem Grund wurde eine Zahl an formalen Verfahren Entwickelt, welche eine frühzeitige Analyse von Realzeiteigenschaften von Komponenten erlauben, sodass Inkompatibilitäten von Realzeiteigenschaften in späteren Phasen ausgeschlossen werden können. Existierenden Verfahren verlangen jedoch, dass eine Reihe von Bedingungen erfüllt sein muss, welche von realen Systemen nur schwer zu erfüllen sind, oder aber, die verwendeten Analyseverfahren skalieren nicht für größere Systeme. In dieser Arbeit wird ein Ansatz vorgestellt, welcher auf dem formalen Modell des Timed Automaton basiert und der keine Bedingungen verlangt, die von einem realen System nur schwer erfüllt werden können. Der in dieser Arbeit vorgestellte Ansatz enthält ein Framework, welches eine modulare Analyse erlaubt, bei der ausschließlich miteinender kommunizierende Komponenten paarweise überprüft werden müssen. Somit wird eine skalierbare Analyse von Realzeiteigenschaften ermöglicht, die keine Bedingungen verlangt, welche nur bedingt von realen Systemen erfüllt werden können. T3 - Technische Berichte des Hasso-Plattner-Instituts für Digital Engineering an der Universität Potsdam - 65 KW - Formale Verifikation KW - Realzeitsysteme KW - Eingebettete Systeme KW - Timed Automata KW - verification KW - real-time systems KW - timed automata KW - embedded-systems Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-63853 SN - 978-3-86956-226-1 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Becker, Basil T1 - Architectural modelling and verification of open service-oriented systems of systems T1 - Architekturmodellierung und Verifikation von offenen und service-orientierten Systems of Systems N2 - Systems of Systems (SoS) have received a lot of attention recently. In this thesis we will focus on SoS that are built atop the techniques of Service-Oriented Architectures and thus combine the benefits and challenges of both paradigms. For this thesis we will understand SoS as ensembles of single autonomous systems that are integrated to a larger system, the SoS. The interesting fact about these systems is that the previously isolated systems are still maintained, improved and developed on their own. Structural dynamics is an issue in SoS, as at every point in time systems can join and leave the ensemble. This and the fact that the cooperation among the constituent systems is not necessarily observable means that we will consider these systems as open systems. Of course, the system has a clear boundary at each point in time, but this can only be identified by halting the complete SoS. However, halting a system of that size is practically impossible. Often SoS are combinations of software systems and physical systems. Hence a failure in the software system can have a serious physical impact what makes an SoS of this kind easily a safety-critical system. The contribution of this thesis is a modelling approach that extends OMG's SoaML and basically relies on collaborations and roles as an abstraction layer above the components. This will allow us to describe SoS at an architectural level. We will also give a formal semantics for our modelling approach which employs hybrid graph-transformation systems. The modelling approach is accompanied by a modular verification scheme that will be able to cope with the complexity constraints implied by the SoS' structural dynamics and size. Building such autonomous systems as SoS without evolution at the architectural level --- i. e. adding and removing of components and services --- is inadequate. Therefore our approach directly supports the modelling and verification of evolution. N2 - Systems of Systems (SoS) sind ein seit längerem bekanntes Konzept, das jedoch in letzter Zeit vermehrt Aufmerksamkeit erhielt. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit wird auf SoS liegen, die mit Hilfe von Techniken aus Service-Orientierten Architekturen erstellt werden. Somit vereinen die hier betrachteten SoS die Vorteile und Herausforderungen beider Paradigmen. SoS können definiert werden als Zusammenschlüsse einzelner, autonomer Systeme, die zu einem größeren System integriert werden. In diesem Zusammenhang interessant ist, dass die ehemals isolierten Systeme nach wie vor isoliert voneinander weiterentwickelt und gewartet werden. Desweiteren kommt der Strukturdynamik innerhalb des SoS eine beachtliche Bedeutung zu, da jederzeit Systeme dem SoS beitreten und es verlassen können. Zusammen mit der Tatsache, dass die Kooperationen zwischen den konstituierenden Systemen nicht immer beobachtbar sind, führt dies dazu, dass wir diese Systeme als offene Systeme bezeichnen. Wobei das System natürlich jederzeit eine klar definierte Grenze besitzt, diese aber nur durch ein Anhalten des Systems zu bestimmen ist. Dies jedoch ist, von einer praktischen Perspektive aus betrachtet, unmöglich. Häufig stellen SoS eine Kombination aus Softwaresystemen und pyhsikalischen Systemen dar mit der Folge, dass ein Fehler in der Software eine SoS schnell eine immense physikalische Wirkung entwickeln kann. Von daher fallen SoS leicht in die Klasse der sicherheitskritischen Systeme. In dieser Arbeit werden wir einen Modellierungsansatz vorstellen, der die Sprache SoaML der OMG erweitert. Die grundlegenden Konzepte dieses Ansatzes sind die Modellierung mit Kollaborationen und Rollen als Abstraktionsebene über Komponenten. Der vorgestellte Ansatz erlaubt es uns SoS auf einer architekturellen Ebene zu betrachten. Die formale Semantik unseres Modellierungsansatzes ist durch hybride Graphtransformationssysteme gegeben. Abgestimmt auf die Modellierung werden wir ebenfalls ein Verfahren zu Verifikation von SoS vorstellen, welches trotz der inhärenten Komplexität von SoS, diese zu verifizieren. Die Modellierung und Verifikation von Evolution wird von unserem Ansatz direkt unterstützt. KW - Modellierung KW - Verifikation KW - Evolution KW - Systems of Systems KW - Service-orientierte Systeme KW - modelling KW - verification KW - evolution KW - systems of systems KW - service-oriented systems Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-70158 ER - TY - BOOK A1 - Dyck, Johannes A1 - Giese, Holger T1 - Inductive invariant checking with partial negative application conditions N2 - Graph transformation systems are a powerful formal model to capture model transformations or systems with infinite state space, among others. However, this expressive power comes at the cost of rather limited automated analysis capabilities. The general case of unbounded many initial graphs or infinite state spaces is only supported by approaches with rather limited scalability or expressiveness. In this report we improve an existing approach for the automated verification of inductive invariants for graph transformation systems. By employing partial negative application conditions to represent and check many alternative conditions in a more compact manner, we can check examples with rules and constraints of substantially higher complexity. We also substantially extend the expressive power by supporting more complex negative application conditions and provide higher accuracy by employing advanced implication checks. The improvements are evaluated and compared with another applicable tool by considering three case studies. N2 - Graphtransformationssysteme stellen ein ausdrucksstarkes formales Modell zur Verfügung, um Modelltransformationen und Systeme mit unendlichem Zustandsraum zu beschreiben. Allerdings sorgt diese Ausdrucksstärke für signifikante Einschränkungen bei der automatischen Analyse. Ansätze, die die Analyse allgemeiner Systeme mit unendlichem Zustandsraum oder beliebig vielen initialen Graphen unterstützen, sind in ihrer Skalierbarkeit oder Ausdrucksstärke stark eingeschränkt. In diesem Bericht beschreiben wir Verbesserungen eines existierenden Ansatzes für die automatische Verifikation induktiver Invarianten in Graphtransformationssystemen. Durch die Verwendung partieller negativer Anwendungsbedingungen für die Repräsentation und Überprüfung einer Vielzahl an Bedingungen in kompakterer Form können Regeln und Bedingungen von deutlich höhrerer Komplexität verifiziert werden. Weiterhin wird die Ausdrucksstärke des Ansatzes beträchtlich erhöht, indem die Verwendung komplexerer negativer Anwendungsbedingungen und erweiterter Implikationstests ermöglicht wird. Alle diese Verbesserungen werden evaluiert und mit einem anderen anwendbaren Werkzeug anhand von drei Fallstudien verglichen. T3 - Technische Berichte des Hasso-Plattner-Instituts für Digital Engineering an der Universität Potsdam - 98 KW - verification KW - inductive invariant checking KW - graph transformation KW - partial application conditions KW - Verifikation KW - induktives Invariant Checking KW - Graphtransformationen KW - partielle Anwendungsbedingungen Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-77748 SN - 978-3-86956-333-6 SN - 1613-5652 SN - 2191-1665 IS - 98 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ER - TY - GEN A1 - Klieme, Eric A1 - Tietz, Christian A1 - Meinel, Christoph T1 - Beware of SMOMBIES BT - Verification of Users based on Activities while Walking T2 - The 17th IEEE International Conference on Trust, Security and Privacy in Computing and Communications (IEEE TrustCom 2018)/the 12th IEEE International Conference on Big Data Science and Engineering (IEEE BigDataSE 2018) N2 - Several research evaluated the user's style of walking for the verification of a claimed identity and showed high authentication accuracies in many settings. In this paper we present a system that successfully verifies a user's identity based on many real world smartphone placements and yet not regarded interactions while walking. Our contribution is the distinction of all considered activities into three distinct subsets and a specific one-class Support Vector Machine per subset. Using sensor data of 30 participants collected in a semi-supervised study approach, we prove that unsupervised verification is possible with very low false-acceptance and false-rejection rates. We furthermore show that these subsets can be distinguished with a high accuracy and demonstrate that this system can be deployed on off-the-shelf smartphones. KW - gait KW - authentication KW - smartphone KW - activities KW - verification KW - behavioral KW - continuous Y1 - 2018 SN - 978-1-5386-4387-7 SN - 978-1-5386-4389-1 U6 - https://doi.org/10.1109/TrustCom/BigDataSE.2018.00096 SN - 2324-9013 SP - 651 EP - 660 PB - IEEE CY - New York ER - TY - JOUR A1 - Leung, Tsz Yan A1 - Leutbecher, Martin A1 - Reich, Sebastian A1 - Shepherd, Theodore G. T1 - Forecast verification BT - relating deterministic and probabilistic metrics JF - Quarterly journal of the Royal Meteorological Society N2 - The philosophy of forecast verification is rather different between deterministic and probabilistic verification metrics: generally speaking, deterministic metrics measure differences, whereas probabilistic metrics assess reliability and sharpness of predictive distributions. This article considers the root-mean-square error (RMSE), which can be seen as a deterministic metric, and the probabilistic metric Continuous Ranked Probability Score (CRPS), and demonstrates that under certain conditions, the CRPS can be mathematically expressed in terms of the RMSE when these metrics are aggregated. One of the required conditions is the normality of distributions. The other condition is that, while the forecast ensemble need not be calibrated, any bias or over/underdispersion cannot depend on the forecast distribution itself. Under these conditions, the CRPS is a fraction of the RMSE, and this fraction depends only on the heteroscedasticity of the ensemble spread and the measures of calibration. The derived CRPS-RMSE relationship for the case of perfect ensemble reliability is tested on simulations of idealised two-dimensional barotropic turbulence. Results suggest that the relationship holds approximately despite the normality condition not being met. KW - CRPS KW - ensembles KW - idealised turbulence KW - NWP KW - RMSE KW - verification Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1002/qj.4120 SN - 0035-9009 SN - 1477-870X VL - 147 IS - 739 SP - 3124 EP - 3134 PB - Wiley CY - Hoboken ER - TY - JOUR A1 - Lorenz, Claas A1 - Clemens, Vera Elisabeth A1 - Schrötter, Max A1 - Schnor, Bettina T1 - Continuous verification of network security compliance JF - IEEE transactions on network and service management N2 - Continuous verification of network security compliance is an accepted need. Especially, the analysis of stateful packet filters plays a central role for network security in practice. But the few existing tools which support the analysis of stateful packet filters are based on general applicable formal methods like Satifiability Modulo Theories (SMT) or theorem prover and show runtimes in the order of minutes to hours making them unsuitable for continuous compliance verification. In this work, we address these challenges and present the concept of state shell interweaving to transform a stateful firewall rule set into a stateless rule set. This allows us to reuse any fast domain specific engine from the field of data plane verification tools leveraging smart, very fast, and domain specialized data structures and algorithms including Header Space Analysis (HSA). First, we introduce the formal language FPL that enables a high-level human-understandable specification of the desired state of network security. Second, we demonstrate the instantiation of a compliance process using a verification framework that analyzes the configuration of complex networks and devices - including stateful firewalls - for compliance with FPL policies. Our evaluation results show the scalability of the presented approach for the well known Internet2 and Stanford benchmarks as well as for large firewall rule sets where it outscales state-of-the-art tools by a factor of over 41. KW - Security KW - Tools KW - Network security KW - Engines KW - Benchmark testing; KW - Analytical models KW - Scalability KW - Network KW - security KW - compliance KW - formal KW - verification Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1109/TNSM.2021.3130290 SN - 1932-4537 VL - 19 IS - 2 SP - 1729 EP - 1745 PB - Institute of Electrical and Electronics Engineers CY - New York ER -