Performance of Scheduling Policies in Adversarial Networks with Non-synchronized Clocks

In this paper we generalize the Continuous Adversarial Queuing Theory (CAQT) model (Blesa et al. in MFCS, Lecture Notes in Computer Science, vol. 3618, pp. 144–155, 2005) by considering the possibility that the router clocks in the network are not synchronized. We name the new model Non Synchronized CAQT (NSCAQT). Clearly, this new extension to the model only affects those scheduling policies that use some form of timing. In a first approach we consider the case in which although not synchronized, all clocks run at the same speed, maintaining constant differences. In this case we show that all universally stable policies in CAQT that use the injection time and the remaining path to schedule packets remain universally stable. These policies include, for instance, Shortest in System (SIS) and Longest in System (LIS). Then, we study the case in which clock differences can vary over time, but the maximum difference is bounded. In this model we show the universal stability of two families of policies related to SIS and LIS respectively (the priority of a packet in these policies depends on the arrival time and a function of the path traversed). The bounds we obtain in this case depend on the maximum difference between clocks. This is a necessary requirement, since we also show that LIS is not universally stable in systems without bounded clock difference. We then present a new policy that we call Longest in Queues (LIQ), which gives priority to the packet that has been waiting the longest in edge queues. This policy is universally stable and, if clocks maintain constant differences, the bounds we prove do not depend on them. To finish, we provide with simulation results that compare the behavior of some of these policies in a network with stochastic injection of packets.

Performance of Scheduling Policies in Adversarial Networks with Non-synchronized Clocks

In this paper we generalize the Continuous Adversarial Queuing Theory (CAQT) model (Blesa et al. in MFCS, Lecture Notes in Computer Science, vol. 3618, pp. 144–155, 2005) by considering the possibility that the router clocks in the network are not synchronized. We name the new model Non Synchronized CAQT (NSCAQT). Clearly, this new extension to the model only affects those scheduling policies that use some form of timing. In a first approach we consider the case in which although not synchronized, all clocks run at the same speed, maintaining constant differences. In this case we show that all universally stable policies in CAQT that use the injection time and the remaining path to schedule packets remain universally stable. These policies include, for instance, Shortest in System (SIS) and Longest in System (LIS). Then, we study the case in which clock differences can vary over time, but the maximum difference is bounded. In this model we show the universal stability of two families of policies related to SIS and LIS respectively (the priority of a packet in these policies depends on the arrival time and a function of the path traversed). The bounds we obtain in this case depend on the maximum difference between clocks. This is a necessary requirement, since we also show that LIS is not universally stable in systems without bounded clock difference. We then present a new policy that we call Longest in Queues (LIQ), which gives priority to the packet that has been waiting the longest in edge queues. This policy is universally stable and, if clocks maintain constant differences, the bounds we prove do not depend on them. To finish, we provide with simulation results that compare the behavior of some of these policies in a network with stochastic injection of packets.

Herramienta de apoyo a la docencia en sistemas operativos

El proyecto fin de carrera de herramienta de apoyo a la docencia en Sistemas Operativos quiere ayudar al alumno a entender el funcionamiento de un planificador a corto plazo. Lo hace mediante una representación gráfica de procesos que ocupan o el procesador o distintas unidades de entrada/salida mientras transcurre el tiempo. El tiempo está dividido en ciclos de reloj de un procesador, a lo que a continuación se referirá como unidades de tiempo. Los procesos están definidos por su nombre, la instante de entrada que entran al sistema, su prioridad y la secuencia de unidades de tiempo en el procesador y unidades de entrada/salida que necesitan para terminar su trabajo. El alumno puede configurar el sistema a su gusto en cuanto al número y comportamiento de las unidades de entrada/salida. Puede definir que una unidad solo permita acceso exclusivo a los procesos, es decir que solo un proceso puede ocuparla simultáneamente, o que permita el acceso múltiple a sus recursos. El alumno puede construir un planificador a corto plazo propio, integrarlo en el sistema y ver cómo se comporta. Se debe usar la interfaz Java proporcionada para su construcción. La aplicación muestra datos estadísticos como por ejemplo la eficiencia del sistema (el tiempo activo de la CPU dividido por el tiempo total de la simulación), tiempos de espera de los procesos, etc. Se calcula después de cada unidad de tiempo para que el alumno pueda ver el momento exacto donde la simulación tomó un giro inesperado. La aplicación está compuesta por un motor de simulación que contiene toda la lógica y un conjunto de clases que forman la interfaz gráfica que se presenta al usuario. Estos dos componentes pueden ser reemplazados siempre y cuando se mantenga la definición de sus conectores igual. La aplicación la he hecho de manejo muy simple e interfaz fácil de comprender para que el alumno pueda dedicar todo su tiempo a probar distintas configuraciones y situaciones y así entender mejor la asignatura. ABSTRACT. The project is called “Tool to Support Teaching of the Subject Operating Systems” and is an application that aims to help students understand on a deeper level the inner workings of how an operating system handles multiple processes in need of CPU time by the means of a short-term planning algorithm. It does so with a graphical representation of the processes that occupy the CPU and different input/output devices as time passes by. Time is divided in CPU cycles, from now on referred to as time units. The processes are defined by their name, the moment they enter the system, their priority and the sequence of time units they need to finish their job. The student can configure the system by changing the number and behavior of the input/output devices. He or she can define whether a device should only allow exclusive access, i.e. only one process can occupy it at any given time, or if it should allow multiple processes to access its resources. The student can build a planning algorithm of his or her own and easily integrate it into the system to see how it behaves. The provided Java interface and the programming language Java should be used to build it. The application shows statistical data, e.g. the efficiency of the system (active CPU time divided by total simulation time) and time spent by the processes waiting in queues. The data are calculated after passing each time unit in order for the student to see the exact moment where the simulation took an unexpected turn. The application is comprised of a simulation motor, which handles all the logic, and a set of classes, which is the graphical user interface. These two parts can be replaced individually if the definition of the connecting interfaces stays the same. I have made the application to be very easy to use and with an easy to understand user interface so the student can spend all of his or her time trying out different configurations and scenarios in order to understand the subject better.

Formal Verification of Temporal Properties for Parametrized Concurrent Programs and Concurrent Data Structures

Los tipos de datos concurrentes son implementaciones concurrentes de las abstracciones de datos clásicas, con la diferencia de que han sido específicamente diseñados para aprovechar el gran paralelismo disponible en las modernas arquitecturas multiprocesador y multinúcleo. La correcta manipulación de los tipos de datos concurrentes resulta esencial para demostrar la completa corrección de los sistemas de software que los utilizan. Una de las mayores dificultades a la hora de diseñar y verificar tipos de datos concurrentes surge de la necesidad de tener que razonar acerca de un número arbitrario de procesos que invocan estos tipos de datos de manera concurrente. Esto requiere considerar sistemas parametrizados. En este trabajo estudiamos la verificación formal de propiedades temporales de sistemas concurrentes parametrizados, poniendo especial énfasis en programas que manipulan estructuras de datos concurrentes. La principal dificultad a la hora de razonar acerca de sistemas concurrentes parametrizados proviene de la interacción entre el gran nivel de concurrencia que éstos poseen y la necesidad de razonar al mismo tiempo acerca de la memoria dinámica. La verificación de sistemas parametrizados resulta en sí un problema desafiante debido a que requiere razonar acerca de estructuras de datos complejas que son accedidas y modificadas por un numero ilimitado de procesos que manipulan de manera simultánea el contenido de la memoria dinámica empleando métodos de sincronización poco estructurados. En este trabajo, presentamos un marco formal basado en métodos deductivos capaz de ocuparse de la verificación de propiedades de safety y liveness de sistemas concurrentes parametrizados que manejan estructuras de datos complejas. Nuestro marco formal incluye reglas de prueba y técnicas especialmente adaptadas para sistemas parametrizados, las cuales trabajan en colaboración con procedimientos de decisión especialmente diseñados para analizar complejas estructuras de datos concurrentes. Un aspecto novedoso de nuestro marco formal es que efectúa una clara diferenciación entre el análisis del flujo de control del programa y el análisis de los datos que se manejan. El flujo de control del programa se analiza utilizando reglas de prueba y técnicas de verificación deductivas especialmente diseñadas para lidiar con sistemas parametrizados. Comenzando a partir de un programa concurrente y la especificación de una propiedad temporal, nuestras técnicas deductivas son capaces de generar un conjunto finito de condiciones de verificación cuya validez implican la satisfacción de dicha especificación temporal por parte de cualquier sistema, sin importar el número de procesos que formen parte del sistema. Las condiciones de verificación generadas se corresponden con los datos manipulados. Estudiamos el diseño de procedimientos de decisión especializados capaces de lidiar con estas condiciones de verificación de manera completamente automática. Investigamos teorías decidibles capaces de describir propiedades de tipos de datos complejos que manipulan punteros, tales como implementaciones imperativas de pilas, colas, listas y skiplists. Para cada una de estas teorías presentamos un procedimiento de decisión y una implementación práctica construida sobre SMT solvers. Estos procedimientos de decisión son finalmente utilizados para verificar de manera automática las condiciones de verificación generadas por nuestras técnicas de verificación parametrizada. Para concluir, demostramos como utilizando nuestro marco formal es posible probar no solo propiedades de safety sino además de liveness en algunas versiones de protocolos de exclusión mutua y programas que manipulan estructuras de datos concurrentes. El enfoque que presentamos en este trabajo resulta ser muy general y puede ser aplicado para verificar un amplio rango de tipos de datos concurrentes similares. Abstract Concurrent data types are concurrent implementations of classical data abstractions, specifically designed to exploit the great deal of parallelism available in modern multiprocessor and multi-core architectures. The correct manipulation of concurrent data types is essential for the overall correctness of the software system built using them. A major difficulty in designing and verifying concurrent data types arises by the need to reason about any number of threads invoking the data type simultaneously, which requires considering parametrized systems. In this work we study the formal verification of temporal properties of parametrized concurrent systems, with a special focus on programs that manipulate concurrent data structures. The main difficulty to reason about concurrent parametrized systems comes from the combination of their inherently high concurrency and the manipulation of dynamic memory. This parametrized verification problem is very challenging, because it requires to reason about complex concurrent data structures being accessed and modified by threads which simultaneously manipulate the heap using unstructured synchronization methods. In this work, we present a formal framework based on deductive methods which is capable of dealing with the verification of safety and liveness properties of concurrent parametrized systems that manipulate complex data structures. Our framework includes special proof rules and techniques adapted for parametrized systems which work in collaboration with specialized decision procedures for complex data structures. A novel aspect of our framework is that it cleanly differentiates the analysis of the program control flow from the analysis of the data being manipulated. The program control flow is analyzed using deductive proof rules and verification techniques specifically designed for coping with parametrized systems. Starting from a concurrent program and a temporal specification, our techniques generate a finite collection of verification conditions whose validity entails the satisfaction of the temporal specification by any client system, in spite of the number of threads. The verification conditions correspond to the data manipulation. We study the design of specialized decision procedures to deal with these verification conditions fully automatically. We investigate decidable theories capable of describing rich properties of complex pointer based data types such as stacks, queues, lists and skiplists. For each of these theories we present a decision procedure, and its practical implementation on top of existing SMT solvers. These decision procedures are ultimately used for automatically verifying the verification conditions generated by our specialized parametrized verification techniques. Finally, we show how using our framework it is possible to prove not only safety but also liveness properties of concurrent versions of some mutual exclusion protocols and programs that manipulate concurrent data structures. The approach we present in this work is very general, and can be applied to verify a wide range of similar concurrent data types.

Esquema de Referencia para Acoplamiento Débil entre Sistema Informático y Equipo de Producción

La meta de intercambiabilidad de piezas establecida en los sistemas de producción del siglo XIX, es ampliada en el último cuarto del siglo pasado para lograr la capacidad de fabricación de varios tipos de producto en un mismo sistema de manufactura, requerimiento impulsado por la incertidumbre del mercado. Esta incertidumbre conduce a plantear la flexibilidad como característica importante en el sistema de producción. La presente tesis se ubica en el problema de integración del sistema informático (SI) con el equipo de producción (EP) en la búsqueda de una solución que coadyuve a satisfacer los requerimientos de flexibilidad impuestas por las condiciones actuales de mercado. Se describen antecedentes de los sistemas de producción actuales y del concepto de flexibilidad. Se propone una clasificación compacta y práctica de los tipos de flexibilidad relevantes en el problema de integración SI-EP, con la finalidad de ubicar el significado de flexibilidad en el área de interés. Así mismo, las variables a manejar en la solución son clasificadas en cuatro tipos: Medio físico, lenguajes de programación y controlador, naturaleza del equipo y componentes de acoplamiento. Por otra parte, la característica de reusabilidad como un efecto importante y deseable de un sistema flexible, es planteada como meta en la solución propuesta no solo a nivel aplicación del sistema sino también a nivel de reuso de conceptos de diseño. Se propone un esquema de referencia en tres niveles de abstracción, que permita manejar y reutilizar en forma organizada el conocimiento del dominio de aplicación (integración SI-EP), el desarrollo de sistemas de aplicación genérica así como también la aplicación del mismo en un caso particular. Un análisis del concepto de acoplamiento débil (AD) es utilizado como base en la solución propuesta al problema de integración SI-EP. El desarrollo inicia identificando condiciones para la existencia del acoplamiento débil, compensadores para soportar la operación del sistema bajo AD y los efectos que ocasionan en el sistema informático los cambios en el conjunto de equipos de producción. Así mismo, se introducen como componentes principales del acoplamiento los componentes tecnológico, tarea y rol, a utilizar en el análisis de los requerimientos para el desarrollo de una solución de AD entre SI-EP. La estructura de tres niveles del esquema de referencia propuesto surge del análisis del significado de conceptos de referencia comúnmente reportados en la literatura, tales como arquitectura de referencia, modelo de referencia, marco de trabajo, entre otros. Se presenta un análisis de su significado como base para la definición de cada uno de los niveles de la estructura del esquema, pretendiendo con ello evitar la ambigüedad existente debido al uso indistinto de tales conceptos en la literatura revisada. Por otra parte, la relación entre niveles es definida tomando como base la estructura de cuatro capas planteada en el área de modelado de datos. La arquitectura de referencia, implementada en el primer nivel del esquema propuesto es utilizada como base para el desarrollo del modelo de referencia o marco de trabajo para el acoplamiento débil entre el SI y el EP. La solución propuesta es validada en la integración de un sistema informático de coordinación de flujo y procesamiento de pieza con un conjunto variable de equipos de diferentes tipos, naturaleza y fabricantes. En el ejercicio de validación se abordaron diferentes estándares y técnicas comúnmente empleadas como soporte al problema de integración a nivel componente tecnológico, tales como herramientas de cero configuración (ejemplo: plug and play), estándar OPC-UA, colas de mensajes y servicios web, permitiendo así ubicar el apoyo de estas técnicas en el ámbito del componente tecnológico y su relación con los otros componentes de acoplamiento: tarea y rol. ABSTRACT The interchangeability of parts, as a goal of manufacturing systems at the nineteenth century, is extended into the present to achieve the ability to manufacture various types of products in the same manufacturing system, requirement associated with market uncertainty. This uncertainty raises flexibility as an important feature in the production system. This thesis addresses the problem regarding integration of software system (SS) and the set of production equipment (PE); looking for a solution that contributes to satisfy the requirements of flexibility that the current market conditions impose on manufacturing, particularly to the production floor. Antecedents to actual production systems as well as the concept of flexibility are described and analyzed in detail. A practical and compact classification of flexibility types of relevance to the integration SS-EP problem is proposed with the aim to delimit the meaning of flexibility regarding the area of interest. Also, a classification for the variables involved in the integration problem is presented into four types: Physical media, programming and controller languages, equipment nature and coupling components. In addition, the characteristic of reusability that has been seen as an important and desirable effect of a flexible system is taken as a goal in the proposed solution, not only at system implementation level but also at system design level. In this direction, a reference scheme is proposed consisting of three abstraction levels to systematically support management and reuse of domain knowledge (SS-PE), development of a generic system as well as its application in a particular case. The concept of loose coupling is used as a basis in the development of the proposed solution to the problem of integration SS-EP. The first step of the development process consists of an analysis of the loose coupled concept, identifying conditions for its existence, compensators for system operation under loose coupling conditions as well as effects in the software system caused by modification in the set of production equipment. In addition coupling components: technological, task and role are introduced as main components to support the analysis of requirements regarding loose coupling of SS-PE. The three tier structure of the proposed reference scheme emerges from the analysis of reference concepts commonly reported in the literature, such as reference architecture, reference model and framework, among others. An analysis of these concepts is used as a basis for definition of the structure levels of the proposed scheme, trying to avoid the ambiguity due to the indiscriminate use of such concepts in the reviewed literature. In addition, the relation between adjacent levels of the structure is defined based on the four tiers structure commonly used in the data modelling area. The reference architecture is located as the first level in the structure of the proposed reference scheme and it is utilized as a basis for the development of the reference model or loose coupling framework for SS-PE integration. The proposed solution is validated by integrating a software system (process and piece flow coordination system) with a variable set of production equipment including different types, nature and manufacturers of equipment. Furthermore, in this validation exercise, different standards and techniques commonly used have been taken into account to support the issue of technology coupling component, such as tools for zero configuration (i.e. Plug and Play), message queues, OPC-UA standard, and web services. Through this part of the validation exercise, these integration tools are located as a part of the technological component and they are related to the role and task components of coupling.