Název:

Formální analýza a verifikace

Zkratka:FAV
Ak.rok:2014/2015
Semestr:zimní
Studijní plán:
ProgramOborRočníkPovinnost
IT-MGR-2MBI-volitelný
IT-MGR-2MBS-povinně volitelný - skupina B
IT-MGR-2MGM-volitelný
IT-MGR-2MIN-povinně volitelný - skupina B
IT-MGR-2MIS-povinně volitelný - skupina F
IT-MGR-2MMI-volitelný
IT-MGR-2MMM-povinný
IT-MGR-2MPV-volitelný
IT-MGR-2MSK2.povinně volitelný - skupina M
Vyučovací jazyk:čeština
Informace veřejné:http://www.fit.vutbr.cz/study/courses/FAV/public/
Kredity:5 kreditů
Ukončení:zápočet+zkouška (kombinovaná)
Výuka:
hod./sempřednáškasem./cvičenílab. cvičenípoč. cvičeníjiná
Rozsah:3900013
 zkouškatestycvičenílaboratořeostatní
Body:7000030
Garant:Vojnar Tomáš, prof. Ing., Ph.D., UITS
Přednášející:Vojnar Tomáš, prof. Ing., Ph.D., UITS
Fakulta:Fakulta informačních technologií VUT v Brně
Pracoviště:Ústav inteligentních systémů FIT VUT v Brně
Prerekvizity: 
Algoritmy (IAL), UIFS
Formální jazyky a překladače (IFJ), UIFS
 
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, ...).
Anotace:
  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).
Požadované prerekvizitní znalosti a dovednosti:
  Předpokládají se znalosti diskrétní matematiky, teorie formálních jazyků a algoritmizace na bakalářské úrovni.
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.
Dovednosti, znalosti a kompetence obecné:
  Získané povědomí o významu a možnostech uplatnění formálních metod při vývoji různých typů systémů a o jejich rostoucím nasazení v praxi.
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.).
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.
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.
Průběžná kontrola studia:
  
  • Jeden opravovaný projekt za 30 bodů.
  • Závěrečná zkouška za 70 bodů.
  • Podmínka zápočtu: min. 15 bodů získaných v průběhu semestru.
Podmínky zápočtu:
  Získání alespoň 50% možného bodového zisku z projektu.