Detail předmětu
Formální analýza a verifikace
FAV Ak. rok 2012/2013 zimní semestr 5 kreditů
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).
Garant předmětu
Jazyk výuky
Zakončení
Rozsah
- 39 hod. přednášky
- 13 hod. projekty
Zajišťuje ústav
Získané dovednosti, znalosti a kompetence z 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.
Cíle předmětu
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, ...).
Požadované prerekvizitní znalosti a dovednosti
Předpokládají se znalosti diskrétní matematiky, teorie formálních jazyků a algoritmizace na bakalářské úrovni.
Literatura studijní
- 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.
Literatura referenční
- 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.
Osnova přednášek
- 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.
- Stavový prostor, cesty stavovým prostorem, abstrakce stavů a přechodů. Prokládání a paralelismus. Lineární a větvící se logický čas. Bezpečnost, živost a spravedlivost.
- Temporální logiky CTL a CTL*, model checking systémů s vlastnostmi specifikovanými v těchto logikách s využitím explicitně reprezentovaných stavových prostorů.
- Binární rozhodovací diagramy pro úspornou symbolickou reprezentaci stavových prostorů a jejich implementace.
- Svazy, pevné body, Knaster-Tarského věta jako teoretický základ pro symbolický model checking.
- Symbolický model checking pro CTL a CTL*.
- Temporální logika LTL, korespondence mezi Büchi automaty a formulemi LTL, model checking systémů s vlastnostmi specifikovanými v LTL s využitím Büchiho automatů.
- Redukce stavových prostorů na základě částečného uspořádaní akcí prováděných systémem. Přehled dalších přístupů k redukci stavových prostorů (symetrie, kompozitní verifikace apod.).
- Metody automatizované abstrakce systémů, predikátová abstrakce, postupné zjemňování abstrakce na základě vylučování chybných protipříkladů, Craigova interpolace.
- Rozhodovací procedury a moderní metody řešení problémů SAT a SMT a jejich využití ve formální verifikaci (např. v rámci predikátové abstrakce).
- 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.
- Zmínka o abstraktní interpretaci a jejím využití pro definici statických analýz.
- Statická analýza založená na vyhledávání chybových vzorů, zmínka o metodách dynamické analýzy (zejména pro potřeby detekce chyb v paralelismech).
Průběžná kontrola studia
Získání alespoň 50% možného bodového zisku z projektu.
Kontrolovaná výuka
- Jeden opravovaný projekt za 30 bodů.
- Závěrečná zkouška za 70 bodů.
- Podmínka zápočtu: min. 15 bodů získaných v průběhu semestru.
- Hranice pro úspěšnou zkoušku podle pravidel ECTS: 50 bodů.
Zařazení předmětu ve studijních plánech