[論文レビュー] Model-Based Trace-Checking

Yvonne Howard, Stefan Grüner+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2011

Software Testing and Debugging Techniques参考文献 21被引用数 11

ひとこと要約

本論文では、Spin や Pro-B といった標準的なモデル・チェッカーを用いて、プログラムのトレースを形式的モデルに対して検証するモデルベースのトレース・チェック手法を提案する。J2EE トラベル・エージェント・システムにトレース・ビーンを組み込んで実行トレースをデータベースに記録するようにすることで、著者らは、これらのトレースを形式検証ツールの入力に変換できることを示した。これにより、複数の形式的表記法を用いた検証が可能であることが明らかになり、複雑なシステムにおける自動的かつスケーラブルなデバッグの可能性が示された。

ABSTRACT

Trace analysis can be a useful way to discover problems in a program under test. Rather than writing a special purpose trace analysis tool, this paper proposes that traces can usefully be analysed by checking them against a formal model using a standard model-checker or else an animator for executable specifications. These techniques are illustrated using a Travel Agent case study implemented in J2EE. We added trace beans to this code that write trace information to a database. The traces are then extracted and converted into a form suitable for analysis by Spin, a popular model-checker, and Pro-B, a model-checker and animator for the B notation. This illustrates the technique, and also the fact that such a system can have a variety of models, in different notations, that capture different features. These experiments have demonstrated that model-based trace-checking is feasible. Future work is focussed on scaling up the approach to larger systems by increasing the level of automation.

研究の動機と目的

• 形式的モデル・チェッカーを用いてプログラムのトレースを分析することの妥当性を検討すること。
• 実世界のシステムからのトレースが、形式的検証ツールの入力に効果的に変換可能かどうかを評価すること。
• 同じシステムのトレースを分析する際に、異なる形式的表記法（例：B表記法とPromela）の相互運用性を実証すること。
• 本番に近いソフトウェア環境において、トレース収集と形式的検証を統合する実用性を評価すること。
• より自動化を強化することで、大規模な産業用システムへのモデルベースのトレース・チェックのスケーリング基盤を構築すること。

提案手法

• J2EEベースのトラベル・エージェントアプリケーションに、実行イベントをデータベースに記録するトレース・ビーンを組み込む。
• 記録されたトレースを抽出・変換し、Spin（Promela用）やPro-B（B表記法用）などのモデル・チェッカーと互換性のある形式に変換する。
• システムの動作をモデル化し、トレースの整合性を検証することで、Spin を用いて形式的トレース・チェックを実施する。
• Pro-B をモデル・チェッカーおよびアニメーターとして用い、実行可能なB仕様に対してトレースを検証する。
• 異なる表記法を用いた複数の形式的モデルをサポートし、さまざまなシステム的性質や挙動を捉える。
• 標準的な形式的検証技術を実実行トレースに適用することで、動作上の不整合を自動検出可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実世界のJ2EEアプリケーションからのプログラムのトレースを、形式的モデル・チェッカーを用いて効果的に検証できるか？
• RQ2 Spin や Pro-B のような既存のモデル・チェッカーが、システムモデルの代わりにランタイム・トレースを分析するためにどれほど適応可能か？
• RQ3 B表記法やPromelaなどの異なる形式的表記法は、同じトレース挙動を表現・検証する能力において、どのように比較されるか？
• RQ4 本番のソフトウェアスタックにおいて、トレース収集と形式的検証を統合する際の実用的課題は何か？
• RQ5 トレース・チェックのパイプラインを、より大規模で複雑なシステムへ自動化・スケーリングできるか？

主な発見

• モデルベースのトレース・チェックは、J2EE トラベル・エージェント・アプリケーションからのトレースの妥当性検証に成功したことで、実世界のシステムに対しても実現可能であることが示された。
• 本アプローチは複数の形式的表記法をサポートしており、Spin や Pro-B を用いた異なるシステム的性質の補完的分析が可能である。
• トレース・ビーンはランタイム動作を効果的に捉え、形式的検証を通じて決定的かつ繰り返し可能な分析を可能にする。
• トレースログの収集と形式的ツールの統合により、カスタムのトレース分析ロジックの必要性が低減され、デバッグと検証が簡素化される。
• 実際の実行トレースを形式的モデルと比較することで、動作上の不整合を早期に検出できる。
• 実験の結果、既存のモデル・チェッカーがトレース検証の目的に効果的に再利用可能であることが示され、自動化とスケーラビリティへの道が開かれた。