Efficient State Space Construction Using Petri Net Invariants

1. Fighting State Explosion Using Petri net Invariants in State Space Construction

2. Quelle K. Schmidt: Using Petri net Invariants in State Space Construction Proc. 9th Conf. Tools and Algorithms for the Construction and Analysis of Systems LNCS 2619: Seite 473-488, Springer, 2003

3. Überblick • Grundidee • Depth-first-Algorithmus • S-Invarianten-Technik • T-Invarianten-Technik • Praktische Versuche • Fazit

4. Überblick • Grundidee • Depth-first-Algorithmus • S-Invarianten-Technik • T-Invarianten-Technik • Praktische Versuche • Fazit

5. Grundidee 5-speisende-Philosophen-System • 242 Zustände

6. Grundidee • 10-Philosophen-System : 59048 Zustände • 500-Philosophen-System: 3500-1 Zustände • Eigenschaften wie Deadlockfreiheit werden durch Aufstellen des Erreichbarkeitsgraphen verifiziert. • Problem: Wie können die Zustände in einem begrenzten Speicher gebracht werden, damit z.B. ein Algorithmus zum Aufstellen des Erreichbarkeitsgraphen terminiert?

7. Grundidee • mögliche Lösungsansätze: • Die Größe der Zustände wird komprimiert. S-Invarianten-Technik • Die Anzahl der gespeicherten Zustände wird reduziert. T-Invarianten-Technik

8. Überblick • Grundidee • Depth-first-Algorithmus • S-Invarianten-Technik • T-Invarianten-Technik • Praktische Versuche • Fazit

9. Depth-first-Algorithmus var V: set of markings initial; var E: set of edges initial; var current: marking initial MN; procedure StateGraph () vart: transition; var Enabled: set of transitions: begin V:=V U {current}; Enabled := {t| t T  current  t - } for t in Enabled do E := E U [current,current+t+- t -] current = current+t+- t -; if current  V then StateGraph(); fi current = current+t - - t+ ; doneend. // t - = W(.,t) // t + = W(t,.)

10. Überblick • Grundidee • Depth-first-Algorithmus • S-Invarianten-Technik • T-Invarianten-Technik • Praktische Versuche • Fazit

11. S-Invarianten-Technik Wiederholung: • Inzidenzmatrix C(N): • jede Stelle sS einer Zeile und jede Transition tT entspricht einer Spalte der Inzidenzmatrix • C(s,t) = W(t,s) + W(s,t) • S-Invariante: • Zeilenvektor y, mit y . C(N) = 0 (0 entspricht Nullvektor) • M  [MN  : y. M = y. MN

12. S-Invarianten-Technik • Modifiziertes Producer-Consumer-Petrinetz Inzidenzmatrix:

13. S-Invarianten-Technik S-Invariante: (1,1,0,0,0,0,0,0)

14. S-Invarianten-Technik • Ziel der S-Invarianten-Technik: Zustandskompression Sei y eine S-Invariante mit y(s) ≠ 0 : y. M = y. MN sS y(s) . M(s) = y. MN y(s) . M(s) = y. MN - s'S\{s} y(s') . M(s') y. MN - s'S\{s} y(s') .M(s') M(s) = y(s)

15. S-Invarianten-Technik • Producer-Consumer-Beispiel: y. MN - s'S\{s2} y(s') . M(s') M(s2) = = y(s2) (1,1,0,0,0,0,0,0) * (1,0,0,1,1,0,0,1) - M(s1) = = 1 - M(s1) 1 Nach Schalten von p: M(s2) = 1 - M(s1) = 1 - 0 = 1

16. S-Invarianten-Technik • Partitionierung der Stellenmenge S: s6 P = signifikante Stellen R = redundante Stellen S = P U R, P ∩ R = 0 s2 s3 s1 P R s7 s5 s4 s8 für jede Stelle rR: S-Invariante y mit y(r) ≠ 0 und r'R\{r}: y(r') = 0 Markierungen aller redundanten Stellen können durch die Markierungen der signifikanten Stellen berechnet werden

17. S-Invarianten-Technik • Wie erfolgt die Partitionierung der Stellenmenge S ? 1. Inzidenzmatrix C(N) transponieren 2. Transponierte Matrix CT(N) in Obere-Dreiecks-Form umwandeln 3. Einteilung in head- und tail-Variablen (signifikante Stellen = head-Variablen, redundante Stellen = tail-Variablen) 4. partial-assignment durchführen (eine tail-Variable wird mit 1, allen anderen mit 0 belegt) 5. Gleichung CT(N) . y = 0 lösen

18. S-Invarianten-Technik • Ergebnis: • Bei n linear-unabhängigen S-Invarianten können n Komponenten der Markierung weggelassen werden • für zwei erreichbare Markierungen M und M' : M = M' sP: m(s) = m'(s)

19. S-Invarianten-Technik var V: set of markings initial; var E: set of edges initial; var current: marking initial MN; procedure StateGraph () vart: transition; var Enabled: set of transitions: begin V:=V U {current}; Enabled := {t| t T  current  t - } for t in Enabled do E := E U [current,current+t+- t -] current = current+t+- t -; ifcurrent V then StateGraph(); fi current = current+t - - t+ ; doneend. • der aktuelle Zustand ist immer komplett (current) bekannt • P-Teil (current) der Markierung wird in V und E gespeichert • Korrektheit bleibt erhalten • S-Invarianten müssen nicht bekannt sein • kleinere Vektoren beschleunigen Suchen und Einfügen in V

20. S-Invarianten-Technik • Nach Terminierung des Algorithmus sind folgende Erreichbarkeitsgraphen des Producer-Consumer-Beispiel gespeichert: Ohne S-Invarianten Kompression Mit S-Invarianten Kompression

21. S-Invarianten Technik • Zusammenfassung: • 30 – 50% einer Markierung muss nicht in die Datenstruktur gespeichert werden • Laufzeitverbesserung durch Beschleunigung von Such- und Einfügeoperationen aufgrund von geschrumpften Vektoren in der Datenstruktur • Der Aufwand zur Berechnung der nötigen Informationen wird überkompensiert. • Informationen können aus der Inzidenzmatrix gewonnen werden

22. Überblick • Grundidee • Depth-first-Algorithmus • S-Invarianten-Technik • T-Invarianten-Technik • Praktische Versuche • Fazit

23. T-Invarianten-Technik • Wiederholung: • Zustandsgleichung: M' = M + C(N) . Parikh(w) • T-Invariante: • Ganzzahliger Spaltenvektor x, mit C(N) . x = 0 • x ist trivial, wenn x = 0 gilt. • Gilt M [w M (Zyklus), dann ist Parikh(w) eine T-Invariante.

24. T-Invarianten-Technik • Producer-Consumer-Petrinetz Inzidenzmatrix:

25. T-Invarianten-Technik T-Invariante: (1,1,1,1)

26. T-Invarianten-Technik • Ziel der T-Invarianten-Technik: Zustandsreduktion • Jedoch müssen so viele Zustände gespeichert werden, damit der depth-first-Algorithmus terminiert. • Zyklen gefährden das Terminieren des depth-first-Algorithmus • Mindestens ein Zustand jedes Zyklus muss abgespeichert werden.

27. T-Invarianten-Technik Gesucht ist eine Menge Z  [MN von Zuständen,so dass jeder Zyklus im Erreichbarkeitsgraphen mindestens eine Markierung in Z hat. • Jeder Zyklus kann durch eine T-Invariante ausgedrückt werden • Ermittle Menge U von Transitionen, wobei U mindestens eine Transition jeder nicht trivialen T-Invariante hat und somit mindestens eine Transition jedes Zyklus enthält.

28. T-Invarianten-Technik U T-Invariante x a T-Invariante y b T-Invariante z c Erreichbarkeitsgraph • jeder Zyklus im Erreichbarkeitsgraph hat einen Zustand, der mit einer Kante versehen ist, die mit einer Transition aus U gekennzeichnet ist.

29. T-Invarianten-Technik Die Menge von Zuständen, bei denen mindestens ein Element aus U aktiviert wird, erfüllt die Anforderungen von Z.

30. T-Invarianten-Technik • Wie findet man die Menge U ? • Für jede T-Invariante x gilt: C(N) . x = 0 • C(N) wird in Obere-Dreiecks-Form gebracht • Wird allen tail-Variablen die 0 zugeordnet, so wird der 0-Vektor als Lösung berechnet. • keine T-Invariante hat bei allen tail-Variablen eine 0. Menge U = Menge der tail-Variablen

31. T-Invarianten-Technik • Wie findet man die Menge U ? 1. Inzidenzmatrix C(N) aufstellen 2. C(N) in Obere-Dreiecks-Form umwandeln 3. Einteilung in head- und tail-Variablen vornehmen 4. Die Menge der tail-Variablen bilden U.

32. T-Invarianten-Technik var V: set of markings initial; var current: marking initial MN; var depth: integer initial 0; procedure TStateGraph () var t: transition; var Enabled: set of transitions: begin Enabled := {t| t T  current  t- } if Enabled ∩ U ≠ or depth mod k = 0 then V:=V U {current}; fi for t in Enabled do current = current+t+- t -; depth := depth + 1; if current  V then TStateGraph(); fi current = current+t - - t+ ; depth := depth - 1; doneend.

33. T-Invarianten-Technik Ursprünglicher Erreichbarkeitsgraph Abgespeicherte Zustände

34. T-Invarianten Technik • Zusammenfassung: • Erheblich weniger Speicheraufwand nötig • Laufzeit-Speicher-Verhältnis durch Variable k konfigurierbar • T-Invarianten müssen nicht berechnet werden • Informationen können aus der Inzidenzmatrix gewonnen werden

35. Überblick • Grundidee • Depth-first-Algorithmus • S-Invarianten-Technik • T-Invarianten-Technik • Praktische Versuche • Fazit

36. Praktische Versuche • S-Invarianten-Technik: • n-Philosophen-System: 5n Stellen, 2n linear unabhängige S-Invarianten gespeicherter Vektor um 40% reduziert • Laufzeit: 10 phil 11 phil 12 phil Zustände 59048 117146 531440 Zeit (sec) ohne Reduktion 2.7 9.8 37.7 Zeit (sec) mit Reduktion 2.1 7.7 30.3

37. Praktische Versuche • T-Invarianten-Technik: 5 phil 6 phil 7 phil 8 phil 9 phil Zustände ohne Red. 242 728 2186 6560 19682 Zeit (sec) ohne Red. 0.03 0.04 0.08 0.23 0.76 Zustände mit Red. (k=5000) 160 530 1708 5417 16952 Zeit (sec) mit Red. (k=5000) 0.09 0.7 9.7 136.0 2177.6 Zustände mit Red. (k=20) 186 591 1828 5664 17545 Zeit (sec) mit Red. (k=20) 0.05 0.1 0.36 3.19 10.8 Zustände mit Red. (k=10) 201 629 1947 5984 18289 Zeit (sec) mit Red. (k=10) 0.04 0.07 0.19 0.59 1.8

38. Praktische Versuche • T-Invarianten-Technik in Kombination mit partial order reduction: 100 phil 200 phil Zustände mit partial order reduction 29702 119402 Zeit (sec) mit partial order reduction 2.2 16.4 Zustände mit beiden Red. (k=5000) 10311 41093 Zeit (sec) mit beiden Red. (k=5000) 45.3 395.3 Zustände mit beiden Red. (k=20) 14502 59002 Zeit (sec) mit beiden Red. (k=20) 3.5 26.5 Zustände mit beiden Red. (k=10) 17702 71402 Zeit (sec) mit beiden Red. (k=10) 2.8 21.4

39. Überblick • Grundidee • Depth-first-Algorithmus • S-Invarianten-Technik • T-Invarianten-Technik • Praktische Versuche • Fazit

40. Fazit • S-Invarianten-Technik: • Verbesserung in Speicherbedarf und Laufzeit • Kompatibel zu anderen Techniken • Keine besondere Vorsicht bei Einsatz notwendig • In den Programmen LoLA, INA verwendet

41. Fazit • T-Invarianten-Technik: • Als „standalone“-Technik nicht geeignet • Wertvoll in Kombination mit anderen Techniken • Parameter k muss sinnvoll gewählt werden • In dem Programm UPPAAL verwendet

42. Vielen Dank für die Aufmerksamkeit !!!