L'un des aspects fondamentaux des systèmes informatiques modernes, et en particulier des systèmes critiques, est la possibilité d'exécuter plusieurs processus, partageant des ressources communes, de façon simultanée. De par leur nature concurrentielle, le bon fonctionnement de ces systèmes n'est assuré que lorsque leurs comportements ne dépendent pas d'un ordre d'exécution prédéterminé. En raison de cette caractéristique, il est particulièrement difficile de s'assurer qu'un système concurrent ne possède pas de faille. Dans cette thèse, nous étudions la vérification formelle, une approche algorithmique qui vise à automatiser la vérification du bon fonctionnement de systèmes concurrents en procédant par une abstraction vers des modèles mathématiques. Nous considérons deux de ces modèles, les réseaux de Petri et les systèmes d'addition de vecteurs, et les problèmes de vérification qui leur sont associés. Nous montrons que le problème d'accessibilité pour les systèmes d'addition de vecteurs (avec états) à deux compteurs est PSPACE-complet, c'est-à-dire complet pour la classe des problèmes solubles à l'aide d'une quantité polynomiale de mémoire. Nous établissons ainsi la complexité calculatoire précise de ce problème, répondant à une question demeurée ouverte depuis plus de trente ans. Nous proposons une nouvelle approche au problème de couverture pour les réseaux de Petri, basée sur un algorithme arrière guidé par une caractérisation logique de l'accessibilité dans les réseaux de Petri dits continus. Cette approche nous a permis de mettre au point un nouvel algorithme qui s'avère particulièrement efficace en pratique, tel que démontré par notre implémentation logicielle nommée QCover. Nous complétons ces résultats par une étude des systèmes de transitions bien structurés qui constituent une abstraction générale des systèmes d'addition de vecteurs et des réseaux de Petri. Nous considérons le cas des systèmes de transitions bien structurés à branchement infini, une classe qui inclut les réseaux de Petri possédant des arcs pouvant consommer ou produire un nombre arbitraire de jetons. Nous développons des outils mathématiques facilitant l'étude de ces systèmes et nous délimitons les frontières au-delà desquelles la décidabilité des problèmes de terminaison, de finitude, de maintenabilité et de couverture est perdue. / One fundamental aspect of computer systems, and in particular of critical systsems, is the ability to run simultaneously many processes sharing resources. Such concurrent systems only work correctly when their behaviours are independent of any execution ordering. For this reason, it is particularly difficult to ensure the correctness of concurrent systems.In this thesis, we study formal verification, an algorithmic approach to the verification of concurrent systems based on mathematical modeling. We consider two of the most prominent models, Petri nets and vector addition systems, and their usual verification problems considered in the literature.We show that the reachability problem for vector addition systems (with states) restricted to two counters is PSPACE-complete, that is, it is complete for the class of problems solvable with a polynomial amount of memory. Hence, we establish the precise computational complexity of this problem, left open for more than thirty years.We develop a new approach to the coverability problem for Petri nets which is primarily based on applying forward coverability in continuous Petri nets as a pruning criterion inside a backward coverability framework. We demonstrate the effectiveness of our approach by implementing it in a tool named QCover.We complement these results with a study of well-structured transition systems which form a general abstraction of vector addition systems and Petri nets. We consider infinitely branching well-structured transition systems, a class that includes Petri nets with special transitions that may consume or produce arbitrarily many tokens. We develop mathematical tools in order to study these systems and we delineate the decidability frontier for the termination, boundedness, maintainability and coverability problems for these systems.

Réalisé en cotutelle avec l'École normale supérieure de Cachan – Université Paris-Saclay / L'un des aspects fondamentaux des systèmes informatiques modernes, et en particulier des systèmes critiques, est la possibilité d'exécuter plusieurs processus, partageant des ressources communes, de façon simultanée. De par leur nature concurrentielle, le bon fonctionnement de ces systèmes n'est assuré que lorsque leurs comportements ne dépendent pas d'un ordre d'exécution prédéterminé. En raison de cette caractéristique, il est particulièrement difficile de s'assurer qu'un système concurrent ne possède pas de faille. Dans cette thèse, nous étudions la vérification formelle, une approche algorithmique qui vise à automatiser la vérification du bon fonctionnement de systèmes concurrents en procédant par une abstraction vers des modèles mathématiques. Nous considérons deux de ces modèles, les réseaux de Petri et les systèmes d'addition de vecteurs, et les problèmes de vérification qui leur sont associés. Nous montrons que le problème d'accessibilité pour les systèmes d'addition de vecteurs (avec états) à deux compteurs est PSPACE-complet, c'est-à-dire complet pour la classe des problèmes solubles à l'aide d'une quantité polynomiale de mémoire. Nous établissons ainsi la complexité calculatoire précise de ce problème, répondant à une question demeurée ouverte depuis plus de trente ans. Nous proposons une nouvelle approche au problème de couverture pour les réseaux de Petri, basée sur un algorithme arrière guidé par une caractérisation logique de l'accessibilité dans les réseaux de Petri continus. Cette approche nous a permis de mettre au point un nouvel algorithme qui s'avère particulièrement efficace en pratique, tel que démontré par notre implémentation logicielle nommée QCover. Nous complétons ces résultats par une étude des systèmes de transitions bien structurés qui constituent une abstraction générale des systèmes d'addition de vecteurs et des réseaux de Petri. Nous considérons le cas des systèmes de transitions bien structurés à branchement infini, une classe qui inclut les réseaux de Petri possédant des arcs pouvant consommer ou produire un nombre arbitraire de jetons. Nous développons des outils mathématiques facilitant l'étude de ces systèmes et nous délimitons les frontières au-delà desquelles la décidabilité des problèmes de terminaison, de finitude, de maintenabilité et de couverture est perdue. / One fundamental aspect of computer systems, and in particular of critical systems, is the ability to run simultaneously many processes sharing resources. Such concurrent systems only work correctly when their behaviours are independent of any execution ordering. For this reason, it is particularly difficult to ensure the correctness of concurrent systems. In this thesis, we study formal verification, an algorithmic approach to the verification of concurrent systems based on mathematical modeling. We consider two of the most prominent models, Petri nets and vector addition systems, and their usual verification problems considered in the literature. We show that the reachability problem for vector addition systems (with states) restricted to two counters is PSPACE-complete, that is, it is complete for the class of problems solvable with a polynomial amount of memory. Hence, we establish the precise computational complexity of this problem, left open for more than thirty years. We develop a new approach to the coverability problem for Petri nets which is primarily based on applying forward coverability in continuous Petri nets as a pruning criterion inside a backward coverability framework. We demonstrate the effectiveness of our approach by implementing it in a tool named QCover. We complement these results with a study of well-structured transition systems which form a general abstraction of vector addition systems and Petri nets. We consider infinitely branching well-structured transition systems, a class that includes Petri nets with special transitions that may consume or produce arbitrarily many tokens. We develop mathematical tools in order to study these systems and we delineate the decidability frontier for the termination, boundedness, maintainability and coverability problems.

<p>Computer programs keep finding their ways into new safety-critical applications, while at the same time growing more complex. This calls for new and better methods to verify the correctness of software. We focus on one approach to verifying systems, namely that of <i>model checking</i>. At first, we investigate two categories of problems related to model checking: <i>games</i> and <i>stochastic infinite-state systems</i>. In the end, we join these two lines of research, by studying <i>stochastic infinite-state games</i>.</p><p>Game theory has been used in verification for a long time. We focus on finite-state 2-player parity and limit-average (mean payoff) games. These problems have applications in model checking for the <i>μ</i>-calculus, one of the most expressive logics for programs. We give a simplified proof of memoryless determinacy. The proof applies <i>both</i> to parity and limit-average games. Moreover, we suggest a strategy improvement algorithm for limit-average games. The algorithm is discrete and strongly subexponential.</p><p>We also consider probabilistic infinite-state systems (Markov chains) induced by three types of models. <i>Lossy channel systems (LCS)</i> have been used to model processes that communicate over an unreliable medium. <i>Petri nets</i> model systems with unboundedly many parallel processes. <i>Noisy Turing machines</i> can model computers where the memory may be corrupted in a stochastic manner. We introduce the notion of <i>eagerness</i> and prove that all these systems are eager. We give a scheme to approximate the value of a reward function defined on paths. Eagerness allows us to prove that the scheme terminates. For probabilistic LCS, we also give an algorithm that approximates the limit-average reward. This quantity describes the long-run behavior of the system.</p><p>Finally, we investigate Büchi games on probabilistic LCS. Such games can be used to model a malicious cracker trying to break a network protocol. We give an algorithm to solve these games.</p>

Computer programs keep finding their ways into new safety-critical applications, while at the same time growing more complex. This calls for new and better methods to verify the correctness of software. We focus on one approach to verifying systems, namely that of model checking. At first, we investigate two categories of problems related to model checking: games and stochastic infinite-state systems. In the end, we join these two lines of research, by studying stochastic infinite-state games. Game theory has been used in verification for a long time. We focus on finite-state 2-player parity and limit-average (mean payoff) games. These problems have applications in model checking for the μ-calculus, one of the most expressive logics for programs. We give a simplified proof of memoryless determinacy. The proof applies both to parity and limit-average games. Moreover, we suggest a strategy improvement algorithm for limit-average games. The algorithm is discrete and strongly subexponential. We also consider probabilistic infinite-state systems (Markov chains) induced by three types of models. Lossy channel systems (LCS) have been used to model processes that communicate over an unreliable medium. Petri nets model systems with unboundedly many parallel processes. Noisy Turing machines can model computers where the memory may be corrupted in a stochastic manner. We introduce the notion of eagerness and prove that all these systems are eager. We give a scheme to approximate the value of a reward function defined on paths. Eagerness allows us to prove that the scheme terminates. For probabilistic LCS, we also give an algorithm that approximates the limit-average reward. This quantity describes the long-run behavior of the system. Finally, we investigate Büchi games on probabilistic LCS. Such games can be used to model a malicious cracker trying to break a network protocol. We give an algorithm to solve these games.