Réduction d'ordre partiel pour les systèmes temporisés

Partial order reduction for timed systems

• Auteur / Autrice : Govind Rajanbabu
• Direction : Igor Walukiewicz, Balaguru Srivathsan, Frédéric Herbreteau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 16/06/2021
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec Chennai mathematical institute (1989-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et informatique (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire bordelais de recherche en informatique
• Jury : Président / Présidente : Jérôme Leroux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Igor Walukiewicz, Laure Petrucci, Thomas Chatain, Silvano Dal Zilio, David Ilcinkas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laure Petrucci, Thomas Chatain

Mots clés

Mots clés contrôlés

Temps réel (informatique)

Systèmes informatiques

Automates temporisés

Mots clés libres

Automates temporisés

Vérification

Réduction d’ordre partiel

Explosion de l'espace d'état

Abstractions

Sémantique temporelle locale

Timed automata

Verification

Partial order reduction

State-Space explosion

Abstractions

Local time semantics

Résumé

Dans cette thèse, nous étudions le problème d'accessibilité dans les réseaux d'automates temporisés. Nous nous concentrons sur la question de l'explosion de l'espace d'états causée par les entrelacements d'actions dans les exécutions de ces réseaux. Nous proposons deux solutions différentes pour atténuer l'effet de cette explosion combinatoire. La première est un algorithme d'accessibilité basé sur une sémantique temporelle locale pour les réseaux d'automates temporisés. La seconde est un cadre pour les méthodes de réduction d'ordre partiel pour ces mêmes réseaux.L'approche standard pour résoudre le problème d'accessibilité d'un automate temporisé implique l'exploration d'un graphe dirigé, connu sous le nom de graphe de zone de cet automate.Dans notre travail, nous considérons une sémantique alternative pour les réseaux d'automates temporisés, appelée sémantique temporelle locale, qui a été introduite par Bengtsson et al [BJLY98], ainsi que la notion correspondante de graphes de zone locale. Cette nouvelle approche consiste à considérer une échelle de temps locale à chaque processus, et à ne synchroniser ces temps locaux que lorsque les processus exécutent une action commune. Le principal défi ici est que les graphes de zones locales sont infinis en général. Nous surmontons ce défi en concevant un nouvel algorithme qui vérifie l'accessibilité dans un réseau en calculant une troncature finie de son graphe de zone locale. Nous montrons que plusieurs nœuds dans le graphe de zone standard, qui correspondent à différents entrelacements des mêmes actions, sont remplacés par un seul nœud dans le graphe de zone locale. L'évaluation expérimentale de notre algorithme montre le gain d'un ordre de grandeur par rapport aux algorithmes de référence sur plusieurs exemples standards.Dans la deuxième partie de cette thèse, nous nous concentrons sur l'application des techniques de réduction d'ordre partiel à l'exploration des graphes de zones locales. La réduction d'ordre partiel est une technique largement utilisée pour combattre l'explosion combinatoire de l'espace d'états. Elle consiste à identifier une petite partie de l'espace d'états dont l'exploration est suffisante pour vérifier le système. Nous décrivons pourquoi ceci est difficile à réaliser dans un cadre temporisé. Nous identifions ensuite une sous-classe de réseaux d'automates temporisés, que nous appelons systèmes à désynchronisation bornée, pour lesquels nous développons des algorithmes de réduction d'ordre partiel. Nous présentons plusieurs exemples pour cette sous-classe, motivés par des benchmarks standards. Nous fournissons également une évaluation d'un prototype de l'implémentation de ces méthodes en utilisant l'outil TChecker.

In this thesis, we study the reachability problem for networks of timedautomata. We focus on the issue of state-space explosion caused due tointerleavings in these networks, and provide two different solutions for al-leviating the effects of this explosion. The first is a reachability algorithmbased on a local time semantics for networks of timed automata, and thesecond is a framework for partial order reduction methods for networks oftimed automata.The standard approach for solving the reachability problem for a timedautomaton involves exploring a directed graph, known as the zone graphof the timed automaton. In our work, we consider an alternate semanticsfor networks of timed automata, called local time semantics, which wasintroduced by Bengtsson et al., and the related notion of localzone graphs. The approach in local time semantics is to make time local toeach process, and synchronize the local times of processes when they executea common action. The main challenge here is that local zone graphs areinfinite in general. We overcome this challenge by designing a new algorithmthat checks reachability in a network by computing a finite truncation ofthe local zone graph of the network. We show that multiple nodes in thestandard zone graph that correspond to different interleavings of the samesequence are replaced by a single node in the local zone graph. Experimentalevaluation of our algorithm shows an order of magnitude gain with respectto state of the art algorithms on several standard benchmark examples.In the second part of this thesis, we shift our focus to applying partialorder reduction techniques to the exploration of local zone graphs. Partialorder reduction is a widely used technique that combats the combinatorialexplosion of search space by identifying a small part of the state space whoseexploration is sufficient to verify the system. We describe why this is difficultto achieve in the timed setting. We then identify a subclass of networks oftimed automata which we call bounded spread systems for which we developpartial order reduction algorithms. We exhibit several examples motivatedby standard benchmark models that belong to this subclass. We also providean evaluation of a prototype of the implementation of these methods usingthe tool TChecker.