[論文レビュー] Incremental Bounded Model Checking for Embedded Software (extended version)

Peter Schrammel, Daniel Kroening+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2014

Formal Methods in Verification参考文献 27被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、繰り返しのループアンワインディングにおいて再計算を回避するため、インクリメンタルSATソルバを活用した埋め込みCソフトウェア向けのインクリメンタルバウンドドモデルチェック（BMC）技術を提示する。前回の解法作業を再利用することにより、非インクリメンタルBMCと比較して検証時間を最大10倍短縮し、産業的応用における埋め込みシステム検証のスケーラビリティを顕著に向上させる。

ABSTRACT

Program analysis is on the brink of mainstream in embedded systems development. Formal verification of behavioural requirements, finding runtime errors and automated test case generation are some of the most common applications of automated verification tools based on Bounded Model Checking. Existing industrial tools for embedded software use an off-the-shelf Bounded Model Checker and apply it iteratively to verify the program with an increasing number of unwindings. This approach unnecessarily wastes time repeating work that has already been done and fails to exploit the power of incremental SAT solving. This paper reports on the extension of the software model checker CBMC to support incremental Bounded Model Checking and its successful integration with the industrial embedded software verification tool BTC EmbeddedTester. We present an extensive evaluation over large industrial embedded programs, which shows that incremental Bounded Model Checking cuts runtimes by one order of magnitude in comparison to the standard non-incremental approach, enabling the application of formal verification to large and complex embedded software.

研究の動機と目的

• 非インクリメンタルバウンドドモデルチェックが、増加するアンワインディングの各段階で繰り返しSATソルビングを実行することで著しい時間的コストを要することに起因する非効率性を是正すること。
• 産業的Cプログラム向けに最適化されたソフトウェアモデルチェッカーにインクリメンタルSATソルビングを統合し、埋め込み制御ループとハードウェア遷移関係との間の構造的類似性を活用すること。
• 大規模な産業的ベンチマーク上でインクリメンタルBMCの性能向上を評価し、実世界の検証ツールにおける実用的妥当性を示すこと。
• BTC EmbeddedTesterおよびEmbeddedValidatorツールへの統合を通じて産業的採用を可能にし、現在は数百人の産業利用者が使用していること。

提案手法

• CbmcツールにインクリメンタルBMCのサポートを拡張し、連続するアンワインディング間でSATソルバの状態を再利用することで、事前に解いた論理式の再計算を回避する。
• シンボリック実行とプログラムスリングを適用し、SATソルビングの前段階で検証式のサイズを縮小し、処理効率を向上させる。
• ループアンワインディングに加え、パス探索やプロパティチェックといった他の検証タスクに対してもインクリメンタルSATソルビングを適用する。
• バウンドドモデルチェックとインクリメンタルSATソルビングをハイブリッド的に組み合わせ、安全特性の検証および反例の生成を実現する。
• 大規模な産業的埋め込みCベンチマークを用いて、非インクリメンタルBMCおよびTACUS 2014コンペティション優勝者との比較を通じて、手法の有効性を検証する。
• 強化されたモデルチェッカーをBTC EmbeddedTesterおよびEmbeddedValidatorに統合し、バージョン3.4および4.3以降から産業現場での利用を可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 インクリメンタルSATソルビングは、埋め込みCプログラムのバウンドドモデルチェックの実行時間を顕著に短縮できるか？
• RQ2 産業的埋め込みソフトウェアにおいて、インクリメンタルBMCは非インクリメンタルBMCに比べてどの程度スケーラビリティに優れているか？
• RQ3 インクリメンタルBMCは、埋め込み制御ソフトウェアの連続するループアンワインディングにおいて、冗長な計算をどの程度効果的に削減できるか？
• RQ4 インクリメンタルBMCは産業的検証ツールに成功裏に統合され、実際の現場で採用可能か？
• RQ5 顕著な性能向上を達成しつつ、インクリメンタルBMCは高い正確性（偽陽性なし）を維持できるか？

主な発見

• インクリメンタルBMCアプローチは、大規模な産業的埋め込みベンチマークにおいて、非インクリメンタルBMCと比較して検証実行時間を最大10倍短縮した。
• 性能向上は多様な産業プログラムにわたり一貫しており、複雑な埋め込みシステムにおける強固なスケーラビリティを示している。
• TACAS 2014ソフトウェア検証コンペティション優勝者と比較して、実行効率面で10倍の優位性を示した。
• BTC EmbeddedTesterおよびEmbeddedValidatorへの統合により、数百人の産業利用者がより高速かつスケーラブルな検証を実現できるようになった。
• インクリメンタルSATソルビングは、正確性を損なうことなく、前回の計算を再利用し、連続するアンワインディング間で冗長な作業を排除した。
• 本アプローチは完全な正確性を維持しており、有効な反例を生成し、カバレッジ駆動テストのためのテストベクター生成をサポートしている。