Quantitative modeling and analysis of service-oriented real-time systems using interval probabilistic timed automata

  • One of the key challenges in service-oriented systems engineering is the prediction and assurance of non-functional properties, such as the reliability and the availability of composite interorganizational services. Such systems are often characterized by a variety of inherent uncertainties, which must be addressed in the modeling and the analysis approach. The different relevant types of uncertainties can be categorized into (1) epistemic uncertainties due to incomplete knowledge and (2) randomization as explicitly used in protocols or as a result of physical processes. In this report, we study a probabilistic timed model which allows us to quantitatively reason about nonfunctional properties for a restricted class of service-oriented real-time systems using formal methods. To properly motivate the choice for the used approach, we devise a requirements catalogue for the modeling and the analysis of probabilistic real-time systems with uncertainties and provide evidence that the uncertainties of type (1) and (2) in the targeted systemOne of the key challenges in service-oriented systems engineering is the prediction and assurance of non-functional properties, such as the reliability and the availability of composite interorganizational services. Such systems are often characterized by a variety of inherent uncertainties, which must be addressed in the modeling and the analysis approach. The different relevant types of uncertainties can be categorized into (1) epistemic uncertainties due to incomplete knowledge and (2) randomization as explicitly used in protocols or as a result of physical processes. In this report, we study a probabilistic timed model which allows us to quantitatively reason about nonfunctional properties for a restricted class of service-oriented real-time systems using formal methods. To properly motivate the choice for the used approach, we devise a requirements catalogue for the modeling and the analysis of probabilistic real-time systems with uncertainties and provide evidence that the uncertainties of type (1) and (2) in the targeted systems have a major impact on the used models and require distinguished analysis approaches. The formal model we use in this report are Interval Probabilistic Timed Automata (IPTA). Based on the outlined requirements, we give evidence that this model provides both enough expressiveness for a realistic and modular specifiation of the targeted class of systems, and suitable formal methods for analyzing properties, such as safety and reliability properties in a quantitative manner. As technical means for the quantitative analysis, we build on probabilistic model checking, specifically on probabilistic time-bounded reachability analysis and computation of expected reachability rewards and costs. To carry out the quantitative analysis using probabilistic model checking, we developed an extension of the Prism tool for modeling and analyzing IPTA. Our extension of Prism introduces a means for modeling probabilistic uncertainty in the form of probability intervals, as required for IPTA. For analyzing IPTA, our Prism extension moreover adds support for probabilistic reachability checking and computation of expected rewards and costs. We discuss the performance of our extended version of Prism and compare the interval-based IPTA approach to models with fixed probabilities.show moreshow less
  • Eine der wichtigsten Herausforderungen in der Entwicklung von Service-orientierten Systemen ist die Vorhersage und die Zusicherung von nicht-funktionalen Eigenschaften, wie Ausfallsicherheit und Verfügbarkeit von zusammengesetzten, interorganisationellen Diensten. Diese Systeme sind oft charakterisiert durch eine Vielzahl von inhärenten Unsicherheiten, welche sowohl in der Modellierung als auch in der Analyse eine Rolle spielen. Die verschiedenen relevanten Arten von Unsicherheiten können eingeteilt werden in (1) epistemische Unsicherheiten aufgrund von unvollständigem Wissen und (2) Zufall als Mittel in Protokollen oder als Resultat von physikalischen Prozessen. In diesem Bericht wird ein probabilistisches, Zeit-behaftetes Modell untersucht, welches es ermöglicht quantitative Aussagen über nicht-funktionale Eigenschaften von einer eingeschränkten Klasse von Service-orientierten Echtzeitsystemen mittels formaler Methoden zu treffen. Zur Motivation und Einordnung wird ein Anforderungskatalog für probabilistische Echtzeitsysteme mit UnsEine der wichtigsten Herausforderungen in der Entwicklung von Service-orientierten Systemen ist die Vorhersage und die Zusicherung von nicht-funktionalen Eigenschaften, wie Ausfallsicherheit und Verfügbarkeit von zusammengesetzten, interorganisationellen Diensten. Diese Systeme sind oft charakterisiert durch eine Vielzahl von inhärenten Unsicherheiten, welche sowohl in der Modellierung als auch in der Analyse eine Rolle spielen. Die verschiedenen relevanten Arten von Unsicherheiten können eingeteilt werden in (1) epistemische Unsicherheiten aufgrund von unvollständigem Wissen und (2) Zufall als Mittel in Protokollen oder als Resultat von physikalischen Prozessen. In diesem Bericht wird ein probabilistisches, Zeit-behaftetes Modell untersucht, welches es ermöglicht quantitative Aussagen über nicht-funktionale Eigenschaften von einer eingeschränkten Klasse von Service-orientierten Echtzeitsystemen mittels formaler Methoden zu treffen. Zur Motivation und Einordnung wird ein Anforderungskatalog für probabilistische Echtzeitsysteme mit Unsicherheiten erstellt und gezeigt, dass die Unsicherheiten vom Typ (1) und (2) in den untersuchten Systemen einen Ein uss auf die Wahl der Modellierungs- und der Analysemethode haben. Als formales Modell werden Interval Probabilistic Timed Automata (IPTA) benutzt. Basierend auf den erarbeiteten Anforderungen wird gezeigt, dass dieses Modell sowohl ausreichende Ausdrucksstärke für eine realistische und modulare Spezifikation als auch geeignete formale Methoden zur Bestimmung von quantitativen Sicherheits- und Zuverlässlichkeitseigenschaften bietet. Als technisches Mittel für die quantitative Analyse wird probabilistisches Model Checking, speziell probabilistische Zeit-beschränkte Erreichbarkeitsanalyse und Bestimmung von Erwartungswerten für Kosten und Vergütungen eingesetzt. Um die quantitative Analyse mittels probabilistischem Model Checking durchzuführen, wird eine Erweiterung des Prism-Werkzeugs zur Modellierung und Analyse von IPTA eingeführt. Die präsentierte Erweiterung von Prism ermöglicht die Modellierung von probabilistischen Unsicherheiten mittelsWahrscheinlichkeitsintervallen, wie sie für IPTA benötigt werden. Zur Verifikation wird probabilistische Erreichbarkeitsanalyse und die Berechnung von Erwartungswerten durch das Werkzeug unterstützt. Es wird die Performanz der Prism-Erweiterung untersucht und der Intervall-basierte IPTA-Ansatz mit Modellen mit festen Wahrscheinlichkeitswerten verglichen.show moreshow less

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Metadaten
Author:Christian Krause, Holger Giese
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-57845
Series (Serial Number):Technische Berichte des Hasso-Plattner-Instituts für Softwaresystemtechnik an der Universität Potsdam, ISSN 2191-1665 (56)
Publisher:Universitätsverlah Potsdam
Place of publication:Potsdam
Document Type:Book
Language:English
Date of Publication (online):2012/05/31
Year of Completion:2012
Publishing Institution:Universität Potsdam
Release Date:2012/05/31
Tag:Echtzeitsysteme; Formale Verifikation; Quantitative Analysen; Service-orientierte Systme
formal verification methods; quantitative analysis; real-time systems; service-oriented systems
Pagenumber:45
RVK - Regensburg Classification:ST 230
Organizational units:An-Institute / Hasso-Plattner-Institut für Softwaresystemtechnik GMBH
Dewey Decimal Classification:0 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke / 00 Informatik, Wissen, Systeme / 004 Datenverarbeitung; Informatik
Publication Way:Universitätsverlag Potsdam
Licence (German):License LogoKeine Nutzungslizenz vergeben - es gilt das deutsche Urheberrecht
Notes extern:
In Printform erschienen im Universitätsverlag Potsdam:

Quantitative modeling and analysis of service-oriented real-time systems using interval probabilistic timed automata / Christian Krause ; Holger Giese. - Potsdam : Universitätsverlag Potsdam, 2012. - 45 S. : graph. Darst.
(Technische Berichte des Hasso-Plattner-Instituts für Softwaresystemtechnik an der Universität Potsdam ; 56)
ISSN (print) 1613-5652
ISSN (online) 2191-1665
ISBN 978-3-86956-171-4
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