[論文レビュー] Incremental Observer Reduction Applied to Opacity Verification and Synthesis

Mona Noori-Hosseini, Bengt Lennartson+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2018

Petri Nets in System Modeling被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、共有される非観測可能なイベントを有するモジュラー離散イベントシステムにおける現在状態のオpaqueおよび匿名性の検証と強制のための段階的観測者削減手法を提案する。同期後に観測可能なイベントの段階的抽象化と局所的観測者生成を組み合わせることで、状態空間の爆発を抑えるとともに正しさを維持し、エレベーターを備えた多階層建物のような大規模システムに対してもスケーラブルな検証と監視者設計を可能にする。モノリシックなアプローチと比較して、合成時間に最大6倍の高速化を達成した。

ABSTRACT

With the proliferation of communication networks and mobile devices, the privacy and security concerns on their information flow are raised. Given a critical system that may leak confidential information, the problem consists of verifying and also enforcing opacity by designing supervisors, to conceal confidential information from unauthorized persons. To find out what the intruder sees, it is required to construct an observer of the system. In this paper, we consider incremental observer generation of modular systems, for verification and enforcement of current state opacity. The synchronization of the subsystems generate a large state space. Moreover, the observer generation with exponential complexity adds even larger state space. To tackle the complexity problem, we prove that observer generation can be done locally before synchronizing the subsystems. The incremental local observer generation along with an abstraction method lead to a significant state space reduction compared to traditional monolithic methods. The existence of shared unobservable events is also considered in the incremental approach. Moreover, we present an illustrative example, where the results of verification and enforcement of current state opacity are shown on a modular multiple floor/elevator building with an intruder. Furthermore, we extend the current state opacity, current state anonymity, and language based opacity formulations for verification of modular systems.

研究の動機と目的

• 共有される非観測可能なイベントを有するモジュラーシステムにおける観測者生成の指数的複雑性に対処する。
• エレベーターを備えた多階層建物のような大規模システムにおける現在状態のオpaqueおよび匿名性のスケーラブルな検証を可能にする。
• 禁止状態を用いて問題を非ブロッキング制御問題に変換することで、オpaqueを強制する監視者合成手法を開発する。
• 同期されたサブシステムを有するシステムにおいて、状態空間の爆発を回避しながら正しさを保つために、段階的抽象化を観測者生成と統合する。
• 任意の階数とエレベーター数を有する実際の建物セキュリティ事例において、手法の効率性とスケーラビリティを示す。

提案手法

• 同期後に観測可能なイベントを局所的に処理する、組み合わせ的段階的抽象化と観測者生成技術を提案し、グローバルな観測者構築を回避する。
• 一時的な状態ラベルと可視双模倣を用いて、共有される非観測可能なイベントを有するシステムの正しさを保証する。
• 非安全（機密）状態を禁止状態としてマークする検出器オートマトンを導入することで、オpaque検証問題を非ブロッキング監視制御問題に変換する。
• 既存の抽象化技術（衝突同値性や監視者合成同値性など）を用いて、抽象化されたモジュラー拡張観測者に対して合成的監視者合成を適用する。
• 抽象化された観測者モデルを用いて監視者を構築し、制御可能性と非ブロッキング動作を保証するとともに、オpaqueを強制する。
• 同期合成を介して監視者をシステムと統合し、非安全状態が観測者から除外されていることを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共有される非観測可能なイベントを有するモジュラーシステムにおいて、どのようにして観測者生成の複雑性を低減できるか？
• RQ2 段階的抽象化を観測者生成と効果的に組み合わせることで、オpaque検証における状態空間の爆発を防げるか？
• RQ3 モジュラーかつスケーラブルな方法で、現在状態のオpaqueおよび匿名性を監視制御によってどのように強制できるか？
• RQ4 大規模システムにおいて、段階的合成はモノリシックアプローチに比べてどの程度の性能向上を達成できるか？
• RQ5 提案手法は、エレベーターを備えた多階層建物のような実世界のシステムに適用可能か？

主な発見

• 段階的抽象化と観測者生成の統合手法は、共有される非観測可能なイベントを有するモジュラーシステムにおいて、状態空間の爆発を抑えるとともに、オpaqueおよび匿名性の正しく正確な検証を可能にする。
• 多階層建物の事例において、段階的合成はモノリシック合成と比較して最大6倍の高速化を達成し、状態数および遷移数の顕著な削減を実現した。
• 検出器オートマトンを用いることで、オpaque検証問題を非ブロッキング監視制御問題に変換でき、効率的な既存の抽象化および合成技術の利用を可能にした。
• 段階的抽象化に基づく監視者合成は、より小さく効率的な監視者を生成し、最大10階・66台のエレベーターを有するケースで700状態・441遷移にまで縮小したのに対し、モノリシックアプローチは実行不可能であった。
• 任意の階数とエレベーター数を有する建物セキュリティ例を通じて、手法のスケーラビリティと実用性が示された。
• 一時的な状態ラベルを用いた可視双模倣の使用により、標準的な抽象化が失敗する共有される非観測可能なイベントを有するシステムにおいても正しさを保証できた。