Zugl.: Berlin, Humboldt-Univ., Diss., 2007 u.d.T.: Entwurf und Verifikation von Petrinetzmodellen verteilter Algorithmen durch Verfeinerung unverteilter Algorithmen

Thesis (Ph. D.)--Utrecht University, 2007. / Vita. Includes bibliographical references (p. 197-209).

Zugl.: Augsburg, Universiẗat, Diss., 2008.

Mannheim, Univ., Diss., 2003.

Zugl.: Braunschweig, Techn. Univ., Diss., 2008

University, Diss., 2001--Mannheim.

Techn. University, Diss., 2004--Berlin.

Um Entwurf und Verifikation komplizierter verteilter Algorithmen leichter und verständlicher zu machen, wird oft eine Verfeinerungsmethode verwendet. Dabei wird ein einfacher Algorithmus, der gewünschte Eigenschaften erfüllt, schrittweise zu einem komplizierten Algorithmus verfeinert. In jedem Schritt sollen die gewünschten Eigenschaften erhalten bleiben. Für nachrichtenbasierte verteilte Algorithmen haben wir eine neue Verfeinerungsmethmode entwickelt. Wir beginnen mit einem Anfangsalgorithmus, der Aktionen enthält, die gemeinsame Aufgaben mehrerer Agenten beschreiben. In jedem Schritt verfeinern wir eine dieser Aktionen zu einem Netz, das nur solche Aktionen enthält, die die Aufgaben einzelner Agenten beschreiben. Jeder Schritt ist also eine Verteilung einer unverteilten Aktion. Die Analyse solcher Verfeinerungsschritte wird mit Hilfe eines neuen Verfeinerungsbegriffs - der verteilenden Verfeinerung - durchgeführt. Entscheidend dabei ist das Erhaltenbleiben der Halbordnungen des zu verfeinernden Algorithmus. Dies ist durch Kausalitäten der Aktionen der Agenten im lokalen Verfeinerungsnetz zu erreichen. Die Kausalitäten im lokalen Verfeinerungsnetz lassen sich einerseits beim Entwurf direkt durch Nachrichtenaustausch realisieren. Andererseits kann man bei der Verifikation die Gültigkeit einer Kausalität im lokalen Verfeinerungsnetz direkt vom Netz ablesen. Daher ist diese Methode leicht zu verwenden. Die Anwendung der Methode wird in der Arbeit an verschiedenen nicht trivialen Beispielen demonstriert. / In order to make design and verification of complicated distributed algorithms easier and more understandable, a refinement method is often used. A simple algorithm, which fulfills desired properties, is refined stepwise to a complicated algorithm. In each step the desired properties are preserved. For messages-based distributed algorithms we have developed a new refinement method. We begin with an initial algorithm, which contains actions, which describe common tasks of several agents. In each step we refine one of these actions to a net, which contains only such actions, which describe the tasks of individual agents. Thus, each step is a distribution of an undistributed action. The analysis of such refinement steps is accomplished with the help of a new refinement notation - the distributing refinement. Preservation of the partial order of the refined algorithm is important. This can be achieved by causalities of the actions of the agents in the local refinement net. Causalities in the local refinement net can be realized on the one hand at design directly by messages passing. On the other hand, at verification one can read the validity of causality in the local refinement net directly from the net. Therefore, this method is easy to use. The application of the method is demonstrated by several nontrivial examples in this thesis.

In dieser Arbeit geht es um die schrittweise Verfeinerung verteilter Algorithmen. Dabei wird ein einfacher Algorithmus, der einige gewünschte Eigenschaften hat, Schritt für Schritt zu einem komplexen Algorithmus verfeinert, der konkrete Implementationsanforderungen erfüllt, so daß in jedem Schritt die gewünschten Eigenschaften erhalten bleiben. Wir stellen einen neuen eigenschaftserhaltenden Verfeinerungsbegriff vor, der auf der kausalen Ordnung der Aktionen eines Algorithmus basiert. Diesen Begriff definieren wir als Transitionsverfeinerung für elementare Petrinetze und diskutieren Beweiskriterien. Danach definieren und diskutieren wir die simultane Verfeinerung mehrerer Transitionen. Zur Modellierung komplexer verteilter Algorithmen sind elementare Petrinetze oft nicht adäquat. Wir benutzen deshalb algebraische Petrinetze. Wir definieren Transitionsverfeinerung für algebraische Petrinetze und stellen einen Zusammenhang zur simultanen Verfeinerung von Transitionen in elementaren Petrinetzen her. Transitionsverfeinerung ist besonders für Verfeinerungsschritte geeignet, in denen synchrone Kommunikation zwischen Agenten durch asynchronen Nachrichtenaustausch ersetzt wird. Wir zeigen dies am Beispiel eines komplexen verteilten Algorithmus, zur Berechnung des minimalen spannenden Baumes in einem gewichteten Graphen. Wir zeigen die Korrektheit dieses Algorithmus in mehreren Schritten, von denen einige Schritte Transitionsverfeinerungen sind. In anderen Schritten sind klassische Verfeinerungsbegriffe ausreichend. Wir übertragen deshalb auch einen klassischen Verfeinerungsbegriff in unser formales Modell. / The topic of this PhD thesis is the stepwise refinement of distributed algorithms. Stepwise refinement starts with a simple algorithm with certain desired properties. This algorithm is refined step by step such that the desired properties are preserved in each refinement step. The result is a complex distributed algorithm which satisfies concrete implementation requirements and which still has the desired properties. We propose a new property preserving notion of refinement which is based on the causal ordering of actions of an algorithm. We call this notion transition refinement and we define it first for elementary Petri nets. Furthermore, we discuss proof criteria. Then, we define and discuss the simultaneous refinement of several transitions. For modelling complex distributed algorithms, we use algebraic Petri nets instead of elementary Petri nets. We define transition refinement for algebraic Petri nets, and we show its relationship to simultaneous transition refinement in elementary Petri nets. Transition refinement is particularly suitable for refinement steps in which synchronous communication between agents is replaced by asynchronous message passing. We show this by means of a complex distributed algorithm for determining the minimal spanning tree of a weighted graph. We prove the correctness of this algorithm in several steps. Some of these steps are transition refinements. For other steps, well-known notions of refinement are sufficient. Therefore, we also carry over a well-known notion of refinement into our formal model.

Serviceevolution erlaubt es, einen Service durch einen anderen Service zu verfeinern oder zu ersetzen. Der Austausch durch einen anderen Service sollte garantieren, dass alle oder ausgewählte Partner des Originalservices erhalten bleiben. In dieser Arbeit entwickeln wir einen Ansatz welcher einem Serviceentwickler helfen soll, Analyse- und Syntheseaufgaben für den Serviceaustausch so durchzuführen, dass jeder Partner eines gegebenen Services beim Austausch erhalten bleibt. Wir modellieren einen Kontrollfluss eines Services als Beschreibung der Reihenfolge von asynchron kommunizierenden Ereignissen mittels eines impliziten ungeordneten Nachrichtenspeichers. Weiterhin studieren wir den Verhaltensaspekt von korrekter Interaktion zwischen Services und konzentrieren uns auf zwei Varianten von Verklemmungsfreiheit als Korrektheitskriterien von Serviceersetzung. Der wichtigste Beitrag ist ein Ansatz zur Charakterisierung jedes möglichen Austausches eines gegebenen Services. Die zentrale Idee dieses Ansatzes ist eine systematische Untersuchung der Verbindung zwischen einem Service und all seiner Partner bzgl. eines gegebenen Korrektheitskriteriums. Wir nutzen diese Verbindung um von einem gegebenen Service einen kanonischen Partner und einen kanonischen Austausch bzgl. aller Partner zu synthetisieren. Ein Service welcher den kanonischen Austausch eines gegebenen Services verfeinert wird als Austausch des gegebenen Services angesehen, wenn die Menge all seiner Partner jeden Partner des gegebenen Services enthält. Mit dem kanonischen Austausch eines gegebenen Services identifizieren wir die Menge der möglichen austauschenden Services eines gegebenen Services bei der jeder exakt die gleichen Partner wie der gegebene Service hat. Einige Ergebnisse dieser Arbeit fundieren auf früheren Arbeiten zu Austausch und Korrektheit von Services und können daher mit diesen verbunden werden um schwierigere Analyse- und Syntheseaufgaben für den Serviceaustausch durchzuführen. / Service evolution allows one service to be refined into or substituted by another service. Substituting one service by another service should guarantee to preserve all or selected partners of the original service. In this thesis, we develop an approach that shall assist a service designer, such as a domain expert, to perform analysis and synthesis tasks on service substitution. We model a control flow of services that describes the ordering of asynchronously communicating events over an implicit unordered message buffer. We study the behavioral aspect of correct interaction between services and concentrate on two variants of deadlock freedom as correctness criteria of service substitution. The major contribution of this thesis is an approach for characterizing the set of all substitutes for a given service. We systematically investigate the relationship between a service and all its partners under a given correctness criterion and employ this relationship to synthesize from a given service its canonical partner and its canonical substitute with respect to all partners. A service that refines the canonical substitute for a given service is regarded as a substitute for the given service if the set of all its partners includes every partner of the given service. With the canonical substitute of a given service, we identify a specific subset of the set of all substitutes for the given service, each of which has exactly the same set of partners as that of the given service. Parts of the results in this thesis have been established upon previous works on service substitution and correctness of services. Consequently, we can also combine our results with the related existing techniques to perform more sophisticated analysis and synthesis tasks on service substitution.