Praktyczne metody weryfikacji

Transkrypt

1 Praktyczne metody weryfikacji Sławomir Lasota Uniwersytet Warszawski semestr zimowy 06/07. p.1/??

2 I. Motywacja czyli po co?. p.2/??

3 czerwiec p.3/??

4 nieobsłużony wyjatek szacunkowy koszt: 600 mln euro. p.4/??

5 grudzień 1999 awaria z powodu niezainicjowanej zmiennej. p.5/??

6 lipiec 2001 przepełnienie bufora szacunkowy koszt: 2.5 miliarda USD. p.6/??

7 Błędy kosztowne nieakceptowalne (ang. safety-critical) Rozwiazanie: formalna weryfikacja = dowód poprawności. p.7/??

8 II. Weryfikacja, ale jak?. p.8/??

9 Weryfikacja modelowa (ang. model checking) model M możliwe zachowania (abstrakcja rzeczywistego systemu) specyfikacja własności φ dopuszczalne zachowania test M φ. p.9/??

10 Przykładowe własności φ: bezpieczeństwo: wszystkie stany osiagalne spełniaja dany wymóg żywotność: zawsze osiagniemy stan, w którym dany wymóg jest spełniony sprawiedliwość (ang. fairness): zasób zostanie przyznany,... o ile będziemy konsekwentnie go żadać. p.10/??

11 Inne podejścia testowanie audyt kodu źródłowego dowodzenie poprawności (proof checker) analiza statyczna.... p.11/??

12 Weryfikacja interakcyjna problem sprowadza się do dowodzenia twierdzeń narzędzie wspomagajace (ang. proof checker) wymaga pracy eksperta. p.12/??

13 Weryfikacja modelowa analiza dynamiczna vs. statyczna przeszukiwanie stanów osiagalnych algorytm weryfikacji, narzędzie w pełni automatyczna. p.13/??

14 Weryfikacja modelowa zalety w pełni automatyczna: tworzymy model formułujemy wymagania weryfikujemy kontrprzykład, gdy odpowiedź negatywna. p.14/??

15 Weryfikacja modelowa ograniczenia zlożoność obliczeniowa, eksplozja stanów nie weryfikacja, tylko tropienie błędów weryfikujemy model a nie sam system sprawdzamy tylko wymaganie φ, innych nie błędy w narzędziach wykonanie abstrakcji wymaga pracy eksperta. p.15/??

16 Od rzeczywistości do modelu system M M M wymagania φ M φ?. p.16/??

17 Motto: celem formalnej weryfikacji nie jest tworzenie poprawnego oprogramowania, lecz dostarczenie metodologii, która pozwoliłaby zwiększyć niezawodność (zmiejszyć liczbę błędów).. p.17/??

18 Dziedziny zastosowań: sprzęt (SMV, NuSMV, Murphi) protokoły, oprogramowanie systemowe, sterowniki (Spin) oprogramowanie (BLAST, PathFinder, CBMC) systemy zależne od czasu (Uppaal, Kronos) systemy stochastyczne (PRISM). p.18/??

19 Zagadnienia teoretyczne teoria języków i automatów logiki temporalne, rozstrzygalność i złożoność algorytmika matematyczne modele systemów współbieżnych teoria grafów. p.19/??

20 Zagadnienia praktyczne heurystyki dla wydajności zastosowanie do rzeczywistych, dużych systemów właczenie weryfikacji do procesu projektowania sprzętu i oprogramowania. p.20/??

21 III. Jaki model?. p.21/??

22 Jaki model? funkcyjny: dane wynik reaktywny: interakcja z otoczeniem działanie może się nie kończyć wymagania = własności temporalne przykłady: system operacyjny, bankomat, serwer WWW,.... p.22/??

23 Model = sterowanie + interakcja brak skomplikowanych danych i skomplikowanych obliczeń na danych kompozycjonalność dopuszczamy niedeterminizm ścisłość matematyczna. p.23/??

24 np. ABP. p.24/??

25 Własności modeli modele wysokiego poziomu (abstrakcyjne), niedospecyfikowane (częściowe) niedeterminizm interakcja pomiędzy składowymi współbieżność prototypowanie/symulacja model wykonywalny weryfikacja formalna semantyka matematyczna. p.25/??

26 Typowy model: FSM (stany i przejścia) + zmienne (np. liczniki) + komunikacja (kanały komunikacyjne) + zegary +... Stan = punkt sterowania + wartości zmiennych + zawartość kanałów komunikacyjnych p.26/??

27 Opis kompozycjonalny złożenie równoległe przemianowanie (kopie modułu)... Zło żenie równoległe synchroniczne (hardware) asynchroniczne (software lub anynchr. hardware). p.27/??

28 Inne modele ró żnice pojęcie stanu atomowy krok obliczeń interakcja równoważność semantyczna. p.28/??

29 Inne modele przykłady różne rozszerzenia automatów algebra procesów: CSP, CCS, ACP, rachunek Π,... języki synchronniczne: SCCS, Esterel, Lustre sieci Petriego pamięć dzielona: Promela (Spin). p.29/??

30 Eksplozja stanów! M = M 1... M n S S 1... S n. p.30/??

31 Metody walki z eksplozja podejście symboliczne symboliczna weryfikacja modelowa ograniczona weryfikacja modelowa (ang. bounded model checking) niezależność modułów redukcje częściowo-porzadkowe. p.31/??

32 IV. Historia. p.32/??

33 1960 Dowodzenie poprawności programów [Dijkstra] [Floyd] [Hoare] podejście strukturalne. p.33/??

34 1970 Boyer Moore prover: automatyczne dowodzenie poprawności prostych programów w LISPie [Owicki-Gries] rozszerzenie Hoare a dla programów współbieżnych [Pnueli] logika temporalna dla systemów reaktywnych weryfikacje protokołów, zjawisko eksplozji stanów. p.34/??

35 1980 Model checking [Clarke, Emerson], [Queille, Sifakis] model explicite (skończony system przejść, automat) specyfikacja = formuła logiki temporalnej (później też automat) weryfikacja automatyczna kontrprzykład gdy odpowiedź negatywna zweryfikowano małe układy cyfrowe, znaleziono błędy. p.35/??

36 przełom lat 80 i 90 Metody walki z eksplozja: metody abstrakcji symboliczna weryfikacja modelowa redukcje częściowo-porzadkowe. p.36/??

37 1990 systemy nieskończeniestanowe, np. zależne od czasu parametryczne narzędzia (SMV, Murphi,... ) zastosowania przemysłowe zastosowanie SAT-solverów: ograniczona weryfikacja modelowa. p.37/??

38 2000 narzędzia dla rozszerzonych modeli: zależnych od czasu stochastycznych... zastosowania przemysłowe cd nowe dziedziny zastosowań, np. bioinformatyka weryfikacja oprogramowania (ang. software model checking). p.38/??

39 Plan wykład laboratorium LTL, translacja do ω-automatów (3x) SPIN (3x) CTL, OBDD, symboliczna w.m. (3x) NuSMV (3x) abstrakcje (2x) Blast (1x) redukcje częśc.-porz. (1x) ograniczona w.m., redukcja do SAT (1x) NuSMV automaty czasowe (2x) Uppaal (1x) weryfikacja param. (1x) weryfikacja stochast. (1x). p.39/??