Detail předmětu

Formální analýza a verifikace

FIT-FAVAk. rok: 2017/2018

Formální analýza a verifikace systémů jako moderní alternativa a/nebo doplněk k simulaci a testování systémů. Vybrané formalismy pro specifikaci ověřovaných vlastností. Model checking: formální verifikace založená na systematickém zkoumání stavových prostorů ověřovaných systémů. Různé přístupy k redukci stavových prostorů, zejména pak redukce založená na částečném uspořádaní akcí. Metody automatické abstrakce zkoumaných systémů, zejména pak predikátová abstrakce. Moderní metody řešení problémů SAT a SMT a jejich aplikace ve formální analýze a verifikaci. Statická analýza založená na vyhledávání chybových vzorů, analýze toku dat a abstraktní interpretaci. Stručný popis několika vyspělých nástrojů pro formální analýzu a verifikaci: SMV, Spin, Slam, Blast, Java PathFinder, ARMC, FindBugs apod. (dle aktuální situace v oboru).

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

5

Garant předmětu

prof. Ing. Tomáš Vojnar, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav inteligentních systémů (UITS)

Výsledky učení předmětu

Studenti jsou obeznámení s principy a metodami formální analýzy a verifikace a s jejím využitím při návrhu systémů, u nichž je kladen důraz na jejich korektní funkčnost. Studenti znají možnosti a základní způsoby použití počítačových nástrojů, které formální analýzu a verifikaci podporují.

Získané povědomí o významu a možnostech uplatnění formálních metod při vývoji různých typů systémů a o jejich rostoucím nasazení v praxi.

Prerekvizity

Předpokládají se znalosti diskrétní matematiky, teorie formálních jazyků a algoritmizace na bakalářské úrovni.

Způsob a kritéria hodnocení

Získání alespoň 50% možného bodového zisku z projektu.

Osnovy výuky

    Osnova přednášek:
    1. Vymezení pojmu "formální analýza a verifikace". Možnosti a přínos formální analýzy a verifikace. Různé přístupy k formální analýze a verifikaci: model checking, statická analýza, dokazování teorémů.
    2. Stavový prostor, cesty stavovým prostorem, abstrakce stavů a přechodů. Prokládání a paralelismus. Lineární a větvící se logický čas. Bezpečnost, živost a spravedlivost.
    3. Temporální logiky CTL a CTL*, model checking systémů s vlastnostmi specifikovanými v těchto logikách s využitím explicitně reprezentovaných stavových prostorů.
    4. Binární rozhodovací diagramy pro úspornou symbolickou reprezentaci stavových prostorů a jejich implementace.
    5. Svazy, pevné body, Knaster-Tarského věta jako teoretický základ pro symbolický model checking.
    6. Symbolický model checking pro CTL a CTL*.
    7. Temporální logika LTL, korespondence mezi Büchi automaty a formulemi LTL, model checking systémů s vlastnostmi specifikovanými v LTL s využitím Büchiho automatů.
    8. Redukce stavových prostorů na základě částečného uspořádaní akcí prováděných systémem. Přehled dalších přístupů k redukci stavových prostorů (symetrie, kompozitní verifikace apod.).
    9. Metody automatizované abstrakce systémů, predikátová abstrakce, postupné zjemňování abstrakce na základě vylučování chybných protipříkladů, Craigova interpolace.
    10. Rozhodovací procedury a moderní metody řešení problémů SAT a SMT a jejich využití ve formální verifikaci (např. v rámci predikátové abstrakce).
    11. Klasické analýzy toku dat (živé proměnné, dostupné výrazy apod.) i některé vybrané pokročilé analýzy toku dat (např. některé analýzy ukazatelů), jejich popis pomocí tokových rovnic, metody iterativního řešení těchto rovnic.
    12. Abstraktní interpretace a její využití pro definici statických analýz.
    13. Statická analýza založená na vyhledávání chybových vzorů, zmínka o metodách dynamické analýzy (zejména pro potřeby detekce chyb v paralelismech).

    Osnova ostatní - projekty, práce:
    • Projekt zahrnující nainstalování zvoleného nástroje pro automatickou verifikaci na formálním základě (Spin, Blast, ARMC, SMV, JPF, FindBugs, Invader, Uppaal aj.), experimenty s tímto nástrojem a sepsání eseje krátce popisující princip činnosti zvoleného nástroje (10b.) a provedené experimenty (10b. za experimenty na stávajících případových studiích, 10b. za nové případové studie). Po domluvě je možno se zaměřit i na nástroj založený na principech, které nejsou součástí přednášek (dokazování teorémů, systémy pracující v reálném časy apod.).

Učební cíle

Cílem předmětu je představit studentům formální analýzu a verifikaci jako moderní a perspektivní metodu automatizovaného ověřování vlastností různých typů systémů, u nichž je kladen důraz na bezchybnou funkci (např. ovladačů a jiných částí operačních systémů, řídících programů, workflow, komunikačních protokolů, částí hardware apod.). Předmět seznamuje studenty jak s teoretickými základy dané oblasti, s počítačovými nástroji na nich založenými, tak i s úspěšnými aplikacemi formální analýzy a verifikace v praxi (Microsoft, Intel, Nasa, Airbus, ...).

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky

  • Jeden opravovaný projekt za 30 bodů.
  • Závěrečná zkouška za 70 bodů.
  • Podmínka zápočtu: min. 15 bodů získaných v průběhu semestru.

Základní literatura

Baier, C., Katoen, J.-P.: Principles of Model Checking. MIT Press, 2008. Nielson, F., Nielson, H.R., Hankin, C.: Principles of Program Analysis, Springer-Verlag, 2005. Edmund, M.C., Grumberg, O., Peled, D.A.: Model Checking. MIT Press, 2000. Khedker, U., Sanyal, A., Sathe, B.: Data Flow Analysis: Theory and Practice, CRC Press, 2009.

Doporučená literatura

Baier, C., Katoen, J.-P.: Principles of Model Checking. MIT Press, 2008. Nielson, F., Nielson, H.R., Hankin, C.: Principles of Program Analysis, Springer-Verlag, 2005. Edmund, M.C., Grumberg, O., Peled, D.A.: Model Checking. MIT Press, 2000. Aho, A.V., Lam, S., Sethi, R., Ullman, J.D.: Compilers: Principles, Techniques, and Tools. Addison Wesley, 2nd ed., 2006. (Část věnovaná statické analýze.) Bradley, A.R., Manna, Z.: The Calculus of Computation: Decision Procedures with Applications to Verification, Springer, 2007. Valmari, A.: The State Explosion Problem. In Reisig, W., Rozenberg, G.: Lectures on Petri Nets I: Basic Models, volume 1491 of Lecture Notes in Computer Science, pages 429-528. Springer-Verlag, 1998. Chess, B., West,J.: Secure Programming with Static Analysis. Addison-Wesley Professional, 2007. Khedker, U., Sanyal, A., Sathe, B.: Data Flow Analysis: Theory and Practice, CRC Press, 2009. Kroening, D., Strichman, O.: Decision Procedures: An Algorithmic Point of View, Springer, 2008. Holzmann, G.J.: The SPIN Model Checker: Primer and Reference Manual, Addison-Wesley Professional, 2003. Ben-Ari, M.: Principles of the Spin Model Checker, Springer, 2008. Bertot Y., Castéran, P.: Interactive Theorem Proving and Program Development: Coq'Art: The Calculus of Inductive Constructions, Springer, 2010. Soubor materiálů prezentovaných na přednáškách a zveřejněných přes WWW. Materiály aktuálně volně dostupné na Internetu, a to zejména články a dokumentace týkající se počítačových nástrojů pro formální analýzu a verifikaci.

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program IT-MGR-2 magisterský navazující

    obor MMI , 0 ročník, zimní semestr, volitelný
    obor MBI , 0 ročník, zimní semestr, volitelný
    obor MSK , 2 ročník, zimní semestr, povinně volitelný
    obor MMM , 0 ročník, zimní semestr, povinný
    obor MBS , 0 ročník, zimní semestr, povinně volitelný
    obor MPV , 0 ročník, zimní semestr, volitelný
    obor MIS , 0 ročník, zimní semestr, povinně volitelný
    obor MIN , 0 ročník, zimní semestr, povinně volitelný
    obor MGM , 0 ročník, zimní semestr, volitelný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

39 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

prof. Ing. Tomáš Vojnar, Ph.D.

Osnova

  1. Vymezení pojmu "formální analýza a verifikace". Možnosti a přínos formální analýzy a verifikace. Různé přístupy k formální analýze a verifikaci: model checking, statická analýza, dokazování teorémů.
  2. Stavový prostor, cesty stavovým prostorem, abstrakce stavů a přechodů. Prokládání a paralelismus. Lineární a větvící se logický čas. Bezpečnost, živost a spravedlivost.
  3. Temporální logiky CTL a CTL*, model checking systémů s vlastnostmi specifikovanými v těchto logikách s využitím explicitně reprezentovaných stavových prostorů.
  4. Binární rozhodovací diagramy pro úspornou symbolickou reprezentaci stavových prostorů a jejich implementace.
  5. Svazy, pevné body, Knaster-Tarského věta jako teoretický základ pro symbolický model checking.
  6. Symbolický model checking pro CTL a CTL*.
  7. Temporální logika LTL, korespondence mezi Büchi automaty a formulemi LTL, model checking systémů s vlastnostmi specifikovanými v LTL s využitím Büchiho automatů.
  8. Redukce stavových prostorů na základě částečného uspořádaní akcí prováděných systémem. Přehled dalších přístupů k redukci stavových prostorů (symetrie, kompozitní verifikace apod.).
  9. Metody automatizované abstrakce systémů, predikátová abstrakce, postupné zjemňování abstrakce na základě vylučování chybných protipříkladů, Craigova interpolace.
  10. Rozhodovací procedury a moderní metody řešení problémů SAT a SMT a jejich využití ve formální verifikaci (např. v rámci predikátové abstrakce).
  11. Klasické analýzy toku dat (živé proměnné, dostupné výrazy apod.) i některé vybrané pokročilé analýzy toku dat (např. některé analýzy ukazatelů), jejich popis pomocí tokových rovnic, metody iterativního řešení těchto rovnic.
  12. Abstraktní interpretace a její využití pro definici statických analýz.
  13. Statická analýza založená na vyhledávání chybových vzorů, zmínka o metodách dynamické analýzy (zejména pro potřeby detekce chyb v paralelismech).

Projekt

13 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

prof. Ing. Tomáš Vojnar, Ph.D.