Математические методы верификации схем и программ — различия между версиями

Материал из Кафедра математической кибернетики
Перейти к: навигация, поиск
(Программа)
Строка 2: Строка 2:
  
  
Обязательный курс для магистров 618/2 и 621 групп 3 семестра магистратуры.  
+
Обязательный курс для магистров 618/2 и 621 групп 3 семестра магистратуры (группа 621 - "Методы верификации программ").  
  
Курс читают  
+
В 2017-2018 учебном году курс читают  
  
 
* профессор [[Захаров Владимир Анатольевич|В. А. Захаров]]
 
* профессор [[Захаров Владимир Анатольевич|В. А. Захаров]]
 
* младший научный сотрудник [[Подымов Владислав Васильевич|В. В. Подымов]].
 
* младший научный сотрудник [[Подымов Владислав Васильевич|В. В. Подымов]].
  
Лекционная нагрузка — 32 ч., семинары и практические занятия— 16 ч.
+
<!-- Лекционная нагрузка — 32 ч., семинары и практические занятия— 16 ч. -->
  
 
= Программа =
 
= Программа =
Строка 32: Строка 32:
 
''Материалы будут обновляться по мере проведения занятий.''
 
''Материалы будут обновляться по мере проведения занятий.''
  
''Любые'' вопросы по темам семинарских занятий можно высылать на почту [[Подымов Владислав Васильевич| valdus@yandex.ru]].
+
'''Любые''' вопросы по темам семинарских занятий можно задавать [[Подымов Владислав Васильевич|ему]].
  
 
'''[[Media: Seminar_Verification_1.pdf| Семинар 1.]]''' Доказательство корректности императивных программ с помощью логики Хоара.
 
'''[[Media: Seminar_Verification_1.pdf| Семинар 1.]]''' Доказательство корректности императивных программ с помощью логики Хоара.
Строка 56: Строка 56:
 
= Правила проведения экзамена =
 
= Правила проведения экзамена =
  
<ol>
+
# Итоговая экзаменационная оценка складывается из оценки за экзаменационную контрольную работу, зачетных оценок за выполнение домашних заданий и премиальных оценок за решение особо сложных задач, объявленных в курсе лекций.
<li> Экзамен по курсу "Математические методы верификации схем и программ " состоится 14 января в ауд. П-14; начало экзамена - 10.00; окончание экзамена - 12.00.
+
# Экзаменационная контрольная работа состоит из 5 задач и 5 вопросов. Каждая из задач контрольной относится к одному из типов задач, которые разбирались на семинарских занятиях или на лекциях. Каждый из вопросов касается формулировок определений или ключевых результатов, рассмотренных на лекциях.
<li> Итоговая экзаменационная оценка складывается из оценки за экзаменационную контрольную работу, зачетных оценок за выполнение домашних заданий и премиальных оценок за решение особо сложных задач, объявленных в курсе лекций.
+
<li> Экзаменационная контрольная работа состоит из 5 задач и 5 вопросов. Каждая из задач контрольной относится к одному из типов задач, которые разбирались на семинарских занятиях или на лекциях. Каждый из вопросов касается формулировок определений или ключевых результатов, рассмотренных на лекциях.
+
<li> Выставление экзаменационных оценок и ознакомление с работами будет проводиться 14 января в ауд. 506 в 17.00.
+
<li> Консультация к экзамену состоится 12 января в ауд. 506 в 16.30.
+
</ol>
+
  
 
== Учет домашних заданий ==
 
== Учет домашних заданий ==
  
'''Домашнее задание 1:''' предоставившие решение этого задания освобождаются от решения задачи на тему логики Хоара.
+
'''Логика Хоара:''' выполнившие это задание освобождаются от решения задачи на тему логики Хоара, и за особые заслуги могут быть поощрены дополнительной премиальной оценкой.
  
'''Домашние задания 3, 4:''' предоставившие решения этих заданий будут освобождены от задач, покрываемых темами заданий, а также (задание 4) поощрены дополнительными баллами на экзамене.
+
'''CTL: формализация требований и алгоритмы проверки формул:''' выполнившие это задание освобождаются от задач, покрываемых темами заданий, и могут быть поощрены дополнительной премиальной оценкой за особые заслуги (например, демонстрацию хорошего понимания устройства символьного алгоритма).
  
'''Домашние задания 5, 6, 7 (NuSMV, Spin, Uppaal):'''
+
'''CTL и справедливость:''' этим заданием покрывается часть задания "алгоритм верификации CTL-формул", и кроме того, выполнившие это задание будут поощрены дополнительной премиальной оценкой.
* если решены ровно два из трёх заданий, то из итоговой оценки (''2'', ''3'', ''4'', ''5'') вычитается один балл;
+
* если решено менее двух заданий, то из итоговой оценки вычитается два балла.
+
  
'''По окончании семестра снова открывается прием заявок на получение домашних заданий 5, 6, 7.''' Правила получения домашних заданий - в разделе домашних заданий. Крайний срок сдачи: '''сутки до экзамена'''. Решения, сданные позднее крайнего срока, могут быть не учтены на экзамене. '''Внимание:''' неправильно работающие решения, сданные вблизи крайнего срока, могут быть не приняты ввиду задержек, требуемых для их проверки, отправки на доработку, доработки и повторной проверки.
+
'''NuSMV, Spin, Uppaal:'''
 +
* если выполнены ровно два из трёх заданий, то из итоговой экзаменационной оценки (''2'', ''3'', ''4'', ''5'') вычитается один балл;
 +
* если выполнено менее двух заданий, то из итоговой экзаменационной оценки вычитается два балла.
  
= Домашние задания =
+
= Обязательные домашние задания "NuSMV", "Spin", "Uppaal" =
  
Решение домашних заданий, а также ''любые'' вопросы по домашним заданиям можно высылать на почту [[Подымов Владислав Васильевич| valdus@yandex.ru]].
+
Решение домашних заданий, а также ''любые'' вопросы по домашним заданиям можно высылать на почту [[Подымов Владислав Васильевич|ему]].
  
== Домашнее задание 1: логика Хоара ==
+
== Установка средств верификации ==
  
Домашнее задание сформулировано в слайдах семинара 1.
+
* Для выполнения обязательных домашних заданий необходимо поставить на свою рабочую машину средства [http://nusmv.fbk.eu NuSMV], [http://spinroot.com Spin] и [http://uppaal.org UPPAAL] (''лучше версию 4.0, но можно и последнюю'').
 +
* Настоятельно рекомендуется всё это поставить в Linux (''с Windows у студентов постоянно возникают странные проблемы, а в Linux всё работает - проверено'').
 +
* После установки средств желательно проверить, что они работают:
 +
** в выводе "'''./NuSMV'''" есть строки, утверждающие, что
 +
*** подключены CUDD и MiniSat, либо нет строк о том, что что-то надо подключить, и
 +
*** входной файл не подан и работа завершена;
 +
** "'''./spin -a <папка с примерами spin>/LTL/bakery.pml'''" успешно завершает работу без вывода;
 +
** "'''./uppaal'''" загружает графический интерфейс и для какого-нибудь примера при нажатии на кнопку '''Check''' вкладки '''Verifier''' при каком-нибудь выделенном свойстве завершает вывод словами '''Property is satisfied''' или '''Property is not satisfied'''.
 +
* '''Для работы на семинарах, посвящённых средствам верификации, требуется организовать хотя бы один ноутбук на двоих (если совсем не выходит, то на троих) с установленными соответствующими средствами верификации.'''
  
Решение должно быть нерукописным (.txt, .doc, TeX-pdf, ...).
+
== Общие правила выполнения заданий "NuSMV", "Spin" и "Uppaal" ==
  
Крайний срок сдачи: '''27 сентября, 23:59'''.
+
* Каждое из заданий можно выполнять как в одиночку, так и в паре.
 +
* Срок выполнения задания (кроме индивидуально согласованных случаев) - от начала проведения соответствующих семинаров и до начала проведения следующего тематического блока семинаров (для последнего блока семинаров - до окончания семестра).
 +
* Первый шаг выполнения - выслать [[Подымов Владислав Васильевич|ему]] на почту письмо с любым текстом и специальным заголовком:
 +
** "[Ver 2017 nusmv] Фамилия И.О.", для выполнения задания "NuSMV" в одиночку;
 +
** "[Ver 2017 nusmv] Фамилия И.О., Фамилия И.О.", для выполнения задания "NuSMV" в паре;
 +
** "[Ver 2017 spin] Фамилия И.О.", для выполнения задания "Spin" в одиночку;
 +
** "[Ver 2017 spin] Фамилия И.О., Фамилия И.О.", для выполнения задания "Spin" в паре;
 +
** "[Ver 2017 uppaal] Фамилия И.О.", для выполнения задания "Uppaal" в одиночку;
 +
** "[Ver 2017 uppaal] Фамилия И.О., Фамилия И.О.", для выполнения задания "Uppaal" в паре.
 +
* В ответ будет выслано письмо, содержащее описание системы и цели исследования этой системы при помощи проверки требований.
 +
* В тексте первого письма можно сформулировать пожелания по виду системы и целей исследования, вплоть до полной формулировки:
 +
** если пожелания разумны, они с немалой вероятностью будут учтены в задании;
 +
** типовые примеры пожеланий: "хочу исследовать параллельно работающие программы", "... схему", "... игру/головоломку", "... систему общего вида, без программистско-математической специализации".
 +
* Решение задания должно быть выслано в ответ на письмо с формулировкой задания в установленный срок.
 +
* Присланное решение
 +
** принимается, если оно полностью или с незначительными недочётами верно;
 +
** не принимается, если оно демонстрирует, что выполнявшие его не пытались вдумчиво разобраться в принципах работы со средством верификации;
 +
** отправляется на доработку, если оно содержит существенные ошибки, но демонстрирует осознанную и правильную работу со средством верификации.
  
Поощрение за сделанное домашнее задание: '''освобождение от задачи на тему логики Хоара'''.
+
== NuSMV ==
  
== Домашнее задание 2, обязательное: установка средств верификации ==
+
Решение этого задания - это
 +
* файл с расширением ".smv", содержащий формализацию системы и требований в формате средства NuSMV, и
 +
* пояснение того, как результаты проверки требований, выдаваемые NuSMV, соотносятся с поставленными целями, в свободной форме.
  
* (''прежде всего'') поставить [http://nusmv.fbk.eu NuSMV]
+
== Spin ==
* (''чуть позже, но тоже надо'') поставить [http://spinroot.com Spin]
+
 
* (''ещё позже, но тоже надо'') поставить [http://uppaal.org UPPAAL] (''лучше версию 4.0, но можно и последнюю'')
+
Решение этого задания - это
* настоятельно рекомендуется всё это поставить в Linux (''с Windows у студентов постоянно возникают странные проблемы, а в Linux всё работает - проверено'')
+
* файл с расширением ".pml", содержащий формализацию системы и требований на языке PROMELA, и
* проверить, что всё это работает:
+
* пояснение того, как результаты проверки требований, выдаваемые средством Spin, соотносятся с поставленными целями, в свободной форме.
** в выводе "'''./NuSMV'''" есть строки, утверждающие, что
+
 
*** подключены CUDD и MiniSat, либо нет строк о том, что что-то надо подключить
+
== Uppaal ==
*** входной файл не подан и работа завершена
+
 
** "'''./spin -a <папка с примерами spin>/LTL/bakery.pml'''" успешно завершает работу без вывода
+
Решение этого задания - это
** "'''./uppaal'''" загружает графический интерфейс и для какого-нибудь примера при нажатии на кнопку '''Check''' вкладки '''Verifier''' при каком-нибудь выделенном свойстве завершает вывод словами '''Property is satisfied''' или '''Property is not satisfied'''
+
* файл с расширением ".xml", сгенерированный средством Uppaal и содержащий формализацию системы,
* '''Организовать хотя бы один ноутбук на двоих (если совсем не выходит, то на троих) с поставленным NuSMV на занятии 21.10.2016'''
+
* файл с расширением ".q", сгенерированный средством Uppaal и содержащий формализацию требований, и
 +
* пояснение того, как результаты проверки требований, выдаваемые средством Uppaal, соотносятся с поставленными целями, в свободной форме.
  
== Домашнее задание 3: формализация систем и свойств, алгоритмы проверки CTL-формул ==
+
= Поощряемые домашние задания =
  
* написать письмо с любым содержанием и заголовком "'''[Ver 2016 hw2] Фамилия И.О.'''"
+
Решение домашних заданий, а также ''любые'' вопросы по домашним заданиям можно высылать на почту [[Подымов Владислав Васильевич|ему]].
* в ответ будут присланы описание системы и требований к этой системе
+
* задача: поработать в качестве табличного или символьного алгоритма верификации CTL-формул и донести результат в любом виде
+
** табличный алгоритм:
+
*** нарисовать модель Крипке
+
*** записать требования в виде CTL-формул
+
*** описать шаги работы алгоритма настолько (''не'')строго, чтобы можно было без чрезмерных усилий строго восстановить каждый шаг работы
+
** символьный алгоритм:
+
*** записать набор формул для модели Крипке
+
*** записать требования в виде CTL-формул
+
*** описать шаги работы алгоритма (включающие BDD, QBF или аналогичную формальную запись) настолько (''не'')строго, чтобы можно было без чрезмерных усилий строго восстановить каждый шаг работы
+
  
== Домашнее задание 4, сложное: символьный алгоритм проверки CTL-формул ==
+
== Логика Хоара ==
  
* этим заданием покрывается домашнее задание 3
+
Домашнее задание будет сформулировано в обновлённых слайдах семинара 1.
* привести описание символьного алгоритма верификации CTL-формул, работающего в условиях справедливости для CTL
+
** можно написать псевдокод с пояснениями
+
** можно описать на естественном языке, но так, чтобы можно было без чрезмерных усилий строго восстановить каждый шаг работы алгоритма
+
** можно написать программу
+
** ...
+
* привести пример работы алгоритма, иллюстрирующий его отличие от "несправедливого" символьного алгоритма
+
  
== Домашнее задание 5, обязательное: NuSMV ==
+
== CTL: формализация требований и алгоритмы проверки формул ==
  
'''Внимание,''' в связи с неоднократными просьбами и неожиданным осознанием сдающих, что в NuSMV всё не так просто, крайний срок домашнего задания сдвинут на несколько дней: '''20.11.2016, 23:59'''.
+
Как выполнить это задание:
 +
* написать письмо с любым содержанием и заголовком "'''[Ver 2017 ctl] Фамилия И.О.'''";
 +
* в ответ будут присланы описание системы и требований к этой системе;
 +
* требуется адекватно формализовать требования в логике ветвящегося времени, изобразить шаги работы табличного или символьного алгоритма и донести результат до [[Подымов Владислав Васильевич|него]] в любом виде.
  
* задание можно выполнять как в одиночку, так и в паре
+
Если сомневаетесь, что означает "изобразить шаги работы алгоритма", то по умолчанию поступайте так:
* написать письмо с любым содержанием и заголовком
+
* табличный алгоритм:
** "'''[Ver 2016 nusmv] Фамилия И.О.'''", если задание выполняется в одиночку
+
** нарисовать модель Крипке, адекватно описывающую систему;
** "'''[Ver 2016 nusmv] Фамилия И.О. Фамилия И.О.'''", если задание выполняется в паре
+
** описать пошаговое получение разметки алгоритмом настолько (''не'')строго, чтобы можно было без чрезмерных усилий строго восстановить каждый шаг работы алгоритма;
* в ответ будут присланы описание системы и требований к ней
+
* символьный алгоритм:
* задача: описать систему и требования в формате NuSMV так, чтобы можно было проверить требования обычным для NuSMV образом
+
** описать модель Крипке в символьной записи (основанной на любом общеизвестном представлении булевых функций);
* необходимо выслать ответом на присланное письмо файл с расширением .smv, содержащий описание системы и требований в формате NuSMV
+
** описать пошаговое преобразование символьных записей алгоритмом настолько (''не'')строго, чтобы можно было без чрезмерных усилий строго восстановить каждый шаг работы алгоритма.
* если есть предпочтения: из какой области хотелось бы видеть описание системы - то эти предпочтения можно выразить в тексте первого письма
+
** если предпочтения разумны, то они могут быть учтены
+
** например, на семинаре 5 было озвучено несколько таких областей: параллельно работающие программы, схемы, игры/головоломки, системы общего вида
+
* крайний срок сдачи: '''20.11.2016, 23:59'''
+
* поощрение за выполненное домашнее задание: '''необходимо для допуска к экзамену'''
+
* наказание за невыполненное домашнее задание: '''сдача этого задания перед экзаменом в более сжатые сроки'''
+
* в зависимости от степени ошибочности решение может быть принято, не принято или отправлено на доработку; последнее - в том случае, если в системе есть существенные недостатки, но в достаточном количестве присутствуют правильно реализованные разумные идеи
+
** рекомендуется задействовать все средства, позволяющие убедиться, что система и требования описаны правильно
+
** если задание выполняется в паре, рекомендуется каждому участнику проверить правильность итогового .smv-файла
+
  
== Домашнее задание 6, обязательное: Spin ==
+
== CTL и справедливость ==
  
* задание можно выполнять как в одиночку, так и в паре
+
Это '''трудное''' домашнее задание.
* написать письмо с любым содержанием и заголовком
+
** "'''[Ver 2016 spin] Фамилия И.О.'''", если задание выполняется в одиночку
+
** "'''[Ver 2016 spin] Фамилия И.О. Фамилия И.О.'''", если задание выполняется в паре
+
* в ответ будут присланы описание системы и требований к ней
+
* задача: описать систему и требования на языке PROMELA так, чтобы можно было проверить требования обычным для средства SPIN образом
+
* необходимо выслать ответом на присланное письмо файл с расширением .pml, содержащий описание системы и требований на языке PROMELA
+
* если есть предпочтения: из какой области хотелось бы видеть описание системы - то эти предпочтения можно выразить в тексте первого письма
+
* крайний срок сдачи: '''06.12.2016, 23:59'''
+
* поощрение за выполненное домашнее задание: '''необходимо для допуска к экзамену'''
+
* наказание за невыполненное домашнее задание: '''сдача этого задания перед экзаменом в более сжатые сроки'''
+
* в зависимости от степени ошибочности решение может быть принято, не принято или отправлено на доработку; последнее - в том случае, если в системе есть существенные недостатки, но в достаточном количестве присутствуют правильно реализованные разумные идеи
+
** рекомендуется задействовать все средства, позволяющие убедиться, что система и требования описаны правильно
+
** если задание выполняется в паре, рекомендуется каждому участнику проверить правильность итогового .pml-файла
+
  
== Домашнее задание 7, обязательное: Uppaal ==
+
При выполнении этого задания автоматически засчитывается часть задания "CTL: формализация требований и алгоритмы проверки формул", относящаяся к изображению шагов работы алгоритма.
  
* задание можно выполнять как в одиночку, так и в паре
+
Как выполнить это задание:
* написать письмо с любым содержанием и заголовком
+
* предложить описание символьного алгоритма верификации CTL-формул, работающего в условиях справедливости для CTL:
** "'''[Ver 2016 uppaal] Фамилия И.О.'''", если задание выполняется в одиночку
+
** можно написать псевдокод с пояснениями,
** "'''[Ver 2016 uppaal] Фамилия И.О. Фамилия И.О.'''", если задание выполняется в паре
+
** можно описать на естественном языке, но так, чтобы можно было без чрезмерных усилий строго восстановить каждый шаг работы алгоритма,
* в ответ будут присланы описание системы и задачу, которую требуется решить для этой системы
+
** можно написать программу,
* задача: описать систему в GUI Uppaal, а также составить в этом же GUI набор формул, по результатам проверки которых можно легко выяснить ответ к задаче
+
** ...;
* необходимо выслать ответом на присланное письмо два файла, генерируемые GUI Uppaal: с расширением .xml (описание системы) и с расширением .q (описание требований)
+
* привести пример работы алгоритма, иллюстрирующий его отличие от "несправедливого" символьного алгоритма;
* если есть предпочтения, относящиеся к виду анализируемой системы, можно их выражать в тексте первого письма
+
* донести результаты выполнения задания до руководителей курса в любом виде.
* крайний срок сдачи: '''20.12.2016, 23:59'''
+
* поощрение за выполненное домашнее задание: '''необходимо для допуска к экзамену'''
+
* наказание за невыполненное домашнее задание: '''сдача этого задания перед экзаменом в более сжатые сроки'''
+
* в зависимости от степени ошибочности решение может быть принято, не принято или отправлено на доработку; последнее - в том случае, если в системе есть существенные недостатки, но в достаточном количестве присутствуют правильно реализованные разумные идеи
+
  
 
= Литература =
 
= Литература =

Версия 18:36, 12 сентября 2017

Общая информация

Обязательный курс для магистров 618/2 и 621 групп 3 семестра магистратуры (группа 621 - "Методы верификации программ").

В 2017-2018 учебном году курс читают


Программа

Программа будет обновляться по мере проведения занятий.

  1. Задача верификации аппаратуры и программного обеспечения. Зачем нужна формальная верификация программ? Основные подходы к задаче формальной верификации. Принципы верификации моделей программ. Исторические сведения. Достижения методов формальной верификации программ. Алгоритмические и комбинаторные трудности применения метода верификации моделей программ. Лекция 1.
  2. Общие принципы дедуктивной верификации программ. Операционная семантика императивных программ. Формальная постановка задачи верификации программ. Логика Хоара: правила вывода и свойства. Аннотированные программы. Автоматизация проверки правильности программ. Лекция 2.
  3. Моделирование схем. Системы переходов - модели Крипке. Представление систем переходов формулами логики предикатов первого порядка. Синхронные и асинхронные схемы. Степень детализации представления. Трансляция описаний программ и схем в модели Крипке. Лекция 3.
  4. Темпоральная логика деревьев вычислений CTL. Синтаксис и семантика CTL. Примеры спецификаций моделей в терминах формул CTL. Темпоральная логика линейного времени LTL. Синтаксис и семантика LTL. Свойства живости и безопасности. Ограничения справедливости. Задача верификации моделей (model-checking). Лекция 4.
  5. Табличный алгоритм верификации моделей для CTL. Обоснование корректности и сложности табличного алгоритма верификации моделей. Проблема “комбинаторного взрыва”. Символьные средства описания моделей. Двоичные разрешающие диаграммы (BDD). Алгоритм редукции BDD к каноническому виду (OBDD). Выполнение операций над OBDD: унарные и бинарные булевы операции, квантификация, проверка выполнимости, подсчет числа единиц. Общие представления о сложности в классе OBDD. Лекция 5.
  6. Представления неподвижной точки в CTL. Алгоритм символьной верификации моделей в CTL. Лекция 6.
  7. Табличная верификация моделей для LTL. Автоматы Бюхи: их свойства и обобщения. Трансляция формул PLTL в автоматы Бюхи. Сведение задачи проверки выполнимости формул LTL к проблеме пустоты для автоматов Бюхи. Лекция 7.
  8. Отношения бисимуляционной эквивалентности (бисимуляции) и симуляционного квазипорядка (симуляции) на моделях Крипке. Равновыполнимость темпоральных формул на бисимуляционно эквивалентных моделях Крипке. Вычисление классов бисимуляционной эквивалентности на конечных моделях Крипке. Упрощение моделей Крипке при помощи отношений симуляции и и бисимуляции. Редукция моделей Крипке по конусу влияния. Абстракции данных при построении моделей Крипке. Лекция 8.
  9. Временные автоматы как формальные модели распределенных систем реального времени. Вычисления временных автоматов. Примеры использования временных автоматов для моделирования встроенных систем. Зеноновские вычисления. Синтаксис и семантика Timed CTL. Примеры формальных спецификаций поведения встроенных систем при помощи TCTL. Лекция 9.
  10. Задача верификации моделей программ реального времени. Отношение эквивалентности часов и регионы. Регионные системы переходов. Оценка числа регионов. Сведение задачи верификации временных автоматов относительно TCTL к задаче верификации моделей Крипке относительно CTL. Лекция 10.
  11. Верификация моделей программ для вычислений ограниченной длины (bounded model checking, BMC). Сведение задачи BMC к задаче проверки выполнимости булевых формул (SAT). Применение автоматических средств решения задачи SAT для решения задачи BMC. Лекция 11.

Материалы семинаров

Материалы будут обновляться по мере проведения занятий.

Любые вопросы по темам семинарских занятий можно задавать ему.

Семинар 1. Доказательство корректности императивных программ с помощью логики Хоара.

Семинар 2. Модели Крипке. LTL, CTL. Безопасность, живость, справедливость.

Семинар 3. Табличный и символьный алгоритмы проверки CTL-формул на моделях Крипке. ROBDD.

Семинар 4. Обзор средства NuSMV: описание параллельной композиции автоматов, проверка CTL-формул.

Семинар 5-6. NuSMV: практические задания по проверке CTL-спецификаций.

Семинар 7. Обзор средства SPIN: синтаксис, трансляция базовых конструкций в модели Крипке.

Инструкция по работе со средством SPIN.

Семинар 8-9. SPIN: практические задания по проверке LTL-спецификаций.

Семинар 10. UPPAAL: практические задания по проверке временных спецификаций.

Архив, прилагающийся к семинару 10.

Правила проведения экзамена

  1. Итоговая экзаменационная оценка складывается из оценки за экзаменационную контрольную работу, зачетных оценок за выполнение домашних заданий и премиальных оценок за решение особо сложных задач, объявленных в курсе лекций.
  2. Экзаменационная контрольная работа состоит из 5 задач и 5 вопросов. Каждая из задач контрольной относится к одному из типов задач, которые разбирались на семинарских занятиях или на лекциях. Каждый из вопросов касается формулировок определений или ключевых результатов, рассмотренных на лекциях.

Учет домашних заданий

Логика Хоара: выполнившие это задание освобождаются от решения задачи на тему логики Хоара, и за особые заслуги могут быть поощрены дополнительной премиальной оценкой.

CTL: формализация требований и алгоритмы проверки формул: выполнившие это задание освобождаются от задач, покрываемых темами заданий, и могут быть поощрены дополнительной премиальной оценкой за особые заслуги (например, демонстрацию хорошего понимания устройства символьного алгоритма).

CTL и справедливость: этим заданием покрывается часть задания "алгоритм верификации CTL-формул", и кроме того, выполнившие это задание будут поощрены дополнительной премиальной оценкой.

NuSMV, Spin, Uppaal:

  • если выполнены ровно два из трёх заданий, то из итоговой экзаменационной оценки (2, 3, 4, 5) вычитается один балл;
  • если выполнено менее двух заданий, то из итоговой экзаменационной оценки вычитается два балла.

Обязательные домашние задания "NuSMV", "Spin", "Uppaal"

Решение домашних заданий, а также любые вопросы по домашним заданиям можно высылать на почту ему.

Установка средств верификации

  • Для выполнения обязательных домашних заданий необходимо поставить на свою рабочую машину средства NuSMV, Spin и UPPAAL (лучше версию 4.0, но можно и последнюю).
  • Настоятельно рекомендуется всё это поставить в Linux (с Windows у студентов постоянно возникают странные проблемы, а в Linux всё работает - проверено).
  • После установки средств желательно проверить, что они работают:
    • в выводе "./NuSMV" есть строки, утверждающие, что
      • подключены CUDD и MiniSat, либо нет строк о том, что что-то надо подключить, и
      • входной файл не подан и работа завершена;
    • "./spin -a <папка с примерами spin>/LTL/bakery.pml" успешно завершает работу без вывода;
    • "./uppaal" загружает графический интерфейс и для какого-нибудь примера при нажатии на кнопку Check вкладки Verifier при каком-нибудь выделенном свойстве завершает вывод словами Property is satisfied или Property is not satisfied.
  • Для работы на семинарах, посвящённых средствам верификации, требуется организовать хотя бы один ноутбук на двоих (если совсем не выходит, то на троих) с установленными соответствующими средствами верификации.

Общие правила выполнения заданий "NuSMV", "Spin" и "Uppaal"

  • Каждое из заданий можно выполнять как в одиночку, так и в паре.
  • Срок выполнения задания (кроме индивидуально согласованных случаев) - от начала проведения соответствующих семинаров и до начала проведения следующего тематического блока семинаров (для последнего блока семинаров - до окончания семестра).
  • Первый шаг выполнения - выслать ему на почту письмо с любым текстом и специальным заголовком:
    • "[Ver 2017 nusmv] Фамилия И.О.", для выполнения задания "NuSMV" в одиночку;
    • "[Ver 2017 nusmv] Фамилия И.О., Фамилия И.О.", для выполнения задания "NuSMV" в паре;
    • "[Ver 2017 spin] Фамилия И.О.", для выполнения задания "Spin" в одиночку;
    • "[Ver 2017 spin] Фамилия И.О., Фамилия И.О.", для выполнения задания "Spin" в паре;
    • "[Ver 2017 uppaal] Фамилия И.О.", для выполнения задания "Uppaal" в одиночку;
    • "[Ver 2017 uppaal] Фамилия И.О., Фамилия И.О.", для выполнения задания "Uppaal" в паре.
  • В ответ будет выслано письмо, содержащее описание системы и цели исследования этой системы при помощи проверки требований.
  • В тексте первого письма можно сформулировать пожелания по виду системы и целей исследования, вплоть до полной формулировки:
    • если пожелания разумны, они с немалой вероятностью будут учтены в задании;
    • типовые примеры пожеланий: "хочу исследовать параллельно работающие программы", "... схему", "... игру/головоломку", "... систему общего вида, без программистско-математической специализации".
  • Решение задания должно быть выслано в ответ на письмо с формулировкой задания в установленный срок.
  • Присланное решение
    • принимается, если оно полностью или с незначительными недочётами верно;
    • не принимается, если оно демонстрирует, что выполнявшие его не пытались вдумчиво разобраться в принципах работы со средством верификации;
    • отправляется на доработку, если оно содержит существенные ошибки, но демонстрирует осознанную и правильную работу со средством верификации.

NuSMV

Решение этого задания - это

  • файл с расширением ".smv", содержащий формализацию системы и требований в формате средства NuSMV, и
  • пояснение того, как результаты проверки требований, выдаваемые NuSMV, соотносятся с поставленными целями, в свободной форме.

Spin

Решение этого задания - это

  • файл с расширением ".pml", содержащий формализацию системы и требований на языке PROMELA, и
  • пояснение того, как результаты проверки требований, выдаваемые средством Spin, соотносятся с поставленными целями, в свободной форме.

Uppaal

Решение этого задания - это

  • файл с расширением ".xml", сгенерированный средством Uppaal и содержащий формализацию системы,
  • файл с расширением ".q", сгенерированный средством Uppaal и содержащий формализацию требований, и
  • пояснение того, как результаты проверки требований, выдаваемые средством Uppaal, соотносятся с поставленными целями, в свободной форме.

Поощряемые домашние задания

Решение домашних заданий, а также любые вопросы по домашним заданиям можно высылать на почту ему.

Логика Хоара

Домашнее задание будет сформулировано в обновлённых слайдах семинара 1.

CTL: формализация требований и алгоритмы проверки формул

Как выполнить это задание:

  • написать письмо с любым содержанием и заголовком "[Ver 2017 ctl] Фамилия И.О.";
  • в ответ будут присланы описание системы и требований к этой системе;
  • требуется адекватно формализовать требования в логике ветвящегося времени, изобразить шаги работы табличного или символьного алгоритма и донести результат до него в любом виде.

Если сомневаетесь, что означает "изобразить шаги работы алгоритма", то по умолчанию поступайте так:

  • табличный алгоритм:
    • нарисовать модель Крипке, адекватно описывающую систему;
    • описать пошаговое получение разметки алгоритмом настолько (не)строго, чтобы можно было без чрезмерных усилий строго восстановить каждый шаг работы алгоритма;
  • символьный алгоритм:
    • описать модель Крипке в символьной записи (основанной на любом общеизвестном представлении булевых функций);
    • описать пошаговое преобразование символьных записей алгоритмом настолько (не)строго, чтобы можно было без чрезмерных усилий строго восстановить каждый шаг работы алгоритма.

CTL и справедливость

Это трудное домашнее задание.

При выполнении этого задания автоматически засчитывается часть задания "CTL: формализация требований и алгоритмы проверки формул", относящаяся к изображению шагов работы алгоритма.

Как выполнить это задание:

  • предложить описание символьного алгоритма верификации CTL-формул, работающего в условиях справедливости для CTL:
    • можно написать псевдокод с пояснениями,
    • можно описать на естественном языке, но так, чтобы можно было без чрезмерных усилий строго восстановить каждый шаг работы алгоритма,
    • можно написать программу,
    • ...;
  • привести пример работы алгоритма, иллюстрирующий его отличие от "несправедливого" символьного алгоритма;
  • донести результаты выполнения задания до руководителей курса в любом виде.

Литература

  1. Э.М. Кларк, О. Грамберг, Д. Пелед. Верификация моделей программ: Model Checking. Изд-во МЦНМО, 2002.
  2. Ю.Г. Карпов. Model Checking: верификация параллельных и распределенных программных систем. Изд-во БХВ-Петербург, 2010.
  3. K. R. Apt, E.-R. Olderog. Verification of sequential and concurrent programs, Springer, 1997.
  4. B. Berard, M. Bidoit, A. Finkel, F. Laroussinie, A. Petit, L. Petrucci, P. Schnoebelen. Systems and Software Verification: Model-Checking Techniques and Tools. Springer, 2001.
  5. Baier C., Katoen J.-P. Principles of model checking, MIT Press, 2008.