Předmět Formální analýza a verifikace (FIT-FAV)

Na serveru studentino.cz naleznete nejrůznější studijní materiály: zápisky z přednášek nebo cvičení, vzorové testy, seminární práce, domácí úkoly a další z předmětu FIT-FAV - Formální analýza a verifikace, Fakulta informačních technologií, Vysoké učení technické v Brně (VUT).

Materiál	Typ	Datum	Počet stažení

Cíl

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, ...).

Osnova

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. Abstraktní interpretace a její využití pro definici statických analýz. 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.).

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. 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.

Požadavky

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

Garant

prof. Ing. Tomáš Vojnar, Ph.D.

Vyučující

prof. Ing. Tomáš Vojnar, Ph.D.