Informationssysteme verarbeiten Daten, die logisch und physisch über Knoten verteilt sind. Datenobjekte verschiedener Knoten können dabei Bezüge zueinander haben. Beispielsweise kann ein Datenobjekt eine Referenz auf ein Datenobjekt eines anderen Knotens oder eine kritische Information enthalten. Die Semantik der Daten induziert Datenintegrität in Form von Anforderungen: Zum Beispiel sollte keine Referenz verwaist und kritische Informationen nur an einem Knoten verfügbar sein. Datenintegrität unterscheidet gültige von ungültigen Verteilungen der Daten. Ein verteiltes System verändert sich in Schritten, die nebenläufig auftreten können. Jeder Schritt manipuliert Daten. Ein verteiltes System erhält Datenintegrität, wenn alle Schritte in einer Datenverteilung resultieren, die die Anforderungen von Datenintegrität erfüllen. Die Erhaltung von Datenintegrität ist daher ein notwendiges Korrektheitskriterium eines Systems. Der Entwurf und die Analyse von Datenintegrität in verteilten Systemen sind schwierig, weil ein verteiltes System nicht global kontrolliert werden kann. In dieser Arbeit untersuchen wir formale Methoden für die Modellierung und Analyse verteilter Systeme, die mit Daten arbeiten. Wir entwickeln die Grundlagen für die Verifikation von Systemmodellen. Dazu verwenden wir algebraische Petrinetze. Wir zeigen, dass die Schritte verteilter Systeme mit endlichen vielen Transitionen eines algebraischen Petrinetzes beschrieben werden können, genau dann, wenn eine Schranke für die Bedingungen aller Schritte existiert. Wir verwenden algebraische Gleichungen und Ungleichungen, um Datenintegrität zu spezifizieren. Wir zeigen, dass die Erhaltung von Datenintegrität unentscheidbar ist, wenn alle erreichbaren Schritte betrachtet werden. Und wir zeigen, dass die Erhaltung von Datenintegrität entscheidbar ist, wenn auch unerreichbare Schritte berücksichtigt werden. Dies zeigen wir, indem wir die Berechenbarkeit eines nicht-erhaltenden Schrittes als Zeugen zeigen. / Information systems process data that is logically and physically distributed over many locations. Data entities at different locations may be in a specific relationship. For example, a data entity at one location may contain a reference to a data entity at a different location, or a data entity may contain critical information such as a password. The semantics of data entities induce data integrity in the form of requirements. For example, no references should be dangling, and critical information should be available at only one location. Data integrity discriminates between correct and incorrect data distributions. A distributed system progresses in steps, which may occur concurrently. In each step, data is manipulated. Each data manipulation is performed locally and affects a bounded number of data entities. A distributed system preserves data integrity if each step of the system yields a data distribution that satisfies the requirements of data integrity. Preservation of data integrity is a necessary condition for the correctness of a system. Analysis and design are challenging, as distributed systems lack global control, employ different technologies, and data may accumulate unboundedly. In this thesis, we study formal methods to model and analyze distributed data-aware systems. As a result, we provide a technology-independent framework for design-time analysis. To this end, we use algebraic Petri nets. We show that there exists a bound for the conditions of each step of a distributed system if and only if the steps can be described by a finite set of transitions of an algebraic Petri net. We use algebraic equations and inequalities to specify data integrity. We show that preservation of data integrity is undecidable in case we consider all reachable steps. We show that preservation of data integrity is decidable in case we also include unreachable steps. We show the latter by showing computability of a non-preserving step as a witness.

Die steigende Nachfrage an immer komplexeren Systemen in verschiedensten wirtschaftlichen Bereichen, erfordert Strategien, die Wartbarkeit und Wiederverwendbarkeit unterstützen. An diesem Punkt setzen service-orientierte Architekturen (SOAn) an. Dieses Paradigma fordert die Aufspaltung von Funktionalität in Services, die komponiert werden können, um eine gewünschte, komplexe Funktionalität zu erreichen. Besonders in sicherheitskritischen Bereichen, kann eine fehlerbehaftete Komposition jedoch zu hohen finanziellen Einbußen oder sogar zu lebensbedrohlichen Situationen führen. Um die Korrektheit sicherzustellen, müssen Kompositionsmethoden im Vorfeld definierte Eigenschaften garantieren und die, durch die unabhängige Entwicklung auftretenden, Interface-Inkompatibilitäten behandeln. Existierende Ansätze zur automatisierten Service-Komposition durch Controller-Synthese beinhalten jedoch keine formale Datenbehandlung und können daher nicht mit datenabhängigem Verhalten umgehen. In der vorliegenden Arbeit, löse ich dieses Problem durch die Bereitstellung eines Ansatzes zur automatisierten Synthese datenabhängiger, korrekter Service-Controller. Dabei wird ein Controller direkt aus den spezifizierten Anforderungen und dem Verhalten der Services erzeugt. Basierend auf den Annahmen, dass die Anforderungen in RCTL, einer Untermenge der Computational Tree Logic (CTL), spezifiziert und die Services als Algebraische Petrinetze (APNe) gegeben sind, vereinigt mein neuartiger Ansatz die beiden Formalismen und unterstützt eine zuverlässige Extraktion des Controller-Verhaltens. Durch die Nutzung der APNe, erlaubt der Ansatz eine formale Datenbehandlung und somit eine Betrachtung datenabhängigen Verhaltens. Die Anwendbarkeit meines Ansatzes habe ich an drei Fallstudien aus dem medizinischen Bereich gezeigt, wo Geräte sicher miteinander kommunizieren müssen. / The continuously increasing demand for more complex systems in various economical domains requires a strategy that supports maintainability and reusability. This is addressed by the service-oriented architecture (SOA)}-paradigm that encourages the encapsulation of functionality into services. To achieve a specific functionality, services can be composed. Especially in safety-critical systems, an incorrect composition of various components can lead to high financial losses or even life threatening situations. To ensure the correctness, composition methods must particularly be able to guarantee pre-specified requirements and to overcome interface incompatibilities, which result from the independent development of the single services. However, current approaches for automated service composition via controller synthesis do not support a formal data-treatment and do not cope with data-dependent behavior. In this thesis, we overcome this problem by providing an approach for the automated synthesis of data-dependent service controllers that are correct-by-construction. The core idea is to synthesize such a controller directly from given requirements and the behavior of the services. Based on the assumptions that the requirements are specified using a subset of Computational Tree Logic (CTL), called RCTL, and that the services are given as algebraic Petri Nets (APNs), our novel synthesis process unifies the two formalisms and enables a reliable extraction of the controller behavior. Especially due to the use of APNs, our approach supports a formal data-treatment and enables a consideration of data-dependent behavior. With our synthesis process, which is based on a successive combination of requirements and services, we provide a practical applicable approach that works fully automatically. We show the applicability of our approach using three case studies in which medical devices interact with each other.