[論文レビュー] Towards Verification of Constituent Systems through Automated Proof

Luís Diogo Couto, Simon Foster+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2014

Formal Methods in Verification参考文献 9被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、Isabelle/HOLを用いた自動証明と、Symphonyツールプラットフォームに統合された定理証明者プラグイン（TPP）および証明義務生成ツール（POG）を用いて、システムの集合（SoS）における構成システムの検証フレームワークを提示する。CMLモデルから導出された証明義務（事前条件、事後条件、不変条件など）をIsabelle/HOLを用いて自動的に処理することで、契約準拠性の形式的検証を可能とし、機械的検証証明を通じて信頼性の高いSoSの構築を支援する。

ABSTRACT

This paper explores verification of constituent systems within the context of the Symphony tool platform for Systems of Systems (SoS). Our SoS modelling language, CML, supports various contractual specification elements, such as state invariants and operation preconditions, which can be used to specify contractual obligations on the constituent systems of a SoS. To support verification of these obligations we have developed a proof obligation generator and theorem prover plugin for Symphony. The latter uses the Isabelle/HOL theorem prover to automatically discharge the proof obligations arising from a CML model. Our hope is that the resulting proofs can then be used to formally verify the conformance of each constituent system, which is turn would result in a dependable SoS.

研究の動機と目的

• 構成システム（CSs）の形式的検証を自動証明を用いて可能にする。
• 意味的に異種で独立して制御されるCSsにおける契約準拠性を保証する課題に対処する。
• CML形式モデリング言語およびSymphonyツールプラットフォームと統合可能な証明義務生成ツール（POG）および定理証明者プラグイン（TPP）を開発する。
• Isabelle/HOLを用いた機械的検証により、事前条件、事後条件、不変条件の正しさを保証する。
• 精錬および契約合成を用いて検証済みのCSインタフェースを統合することで、SoSの性質に対するエンドツーエンドの検証の基盤を構築する。

提案手法

• 証明義務生成ツール（POG）は、CMLモデルから、事前条件、事後条件、型不変条件、状態不変条件を含む形式的検証の目標を抽出する。
• 定理証明者プラグイン（TPP）は、Isabelle/HOLを用いてPOGが生成した証明義務を自動的に処理する。
• フレームワークは、一貫性を保証する統一されたUTP（Unifying Theories of Programming）意味論基盤に基づいている。
• 証明義務はホーア計算および最小前提意味論に根ざした形式論理で表現され、状態遷移およびシステム動作に関する推論を可能にする。
• 精錬に基づく検証を支援する。CSsは形式的に精錬され、その契約的義務は自動証明によって検証される。
• Isabelle/HOLへの統合により、sledgehammer や nitpick といった高度な証明自動化ツールが利用可能になり、証明処理の成功率が向上する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CMLモデルから導出される証明義務は、どのように自動的に生成され、処理されるか？ これにより構成システムの正しさが検証可能となるか？
• RQ2 Isabelle/HOLは、VDMファミリーのツールチェーンに効果的に統合可能か？ これにより、SoSの構成システムに対する自動形式検証が可能となるか？
• RQ3 個々のCSの形式的検証は、どのように組み合わせられ、全体のSoSの正しく動作する性質を保証できるか？
• RQ4 CSレベルからSoSレベルへの検証を拡張するには、どのようなメカニズムが必要か？ これにより、グローバルシステムの性質が保持されるか？
• RQ5 証明義務が処理できない場合、証明失敗をどのように診断し、ユーザーにガイドする仕組みが必要か？

主な発見

• POGおよびTPPプラグインは、CMLモデルから証明義務を効果的に生成・処理し、事前条件、事後条件、不変条件などの契約的性質の自動検証を可能にした。
• SymphonyプラットフォームへのIsabelle/HOLの統合は、VDMファミリーのツールにおける形式的検証の新しいかつ効果的なアプローチを提供した。
• UTPベースの意味論の使用により、シミュレーション、モデルチェック、形式的証明の間で意味論の一貫性が保たれ、検証結果に対する信頼性が向上した。
• フレームワークは精錬に基づく開発を支援し、システムの進化やコンポONENTの置換の過程でも正しさの形式的証明が可能となった。
• 本アプローチにより、CSを個別に検証できるようになり、将来的なエンドツーエンドSoS検証の基盤が構築された。
• ホーア論理および最小前提意味論を含む証明計算の拡張に関する継続的作業により、システム動作および状態遷移に関するより深い推論が可能になる。