[論文レビュー] VERIFAS: A Practical Verifier for Artifact Systems

Yuliang Li, Alin Deutsch+1 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2017

Business Process Modeling and Analysis参考文献 1被引用数 11

ひとこと要約

VERIFAS は、無限大のデータを完全にサポートする新しいバリエーションである Hierarchical Artifact Systems (HAS*) を実装した、高性能で記号的検証可能なデータ駆動型アーティファクトシステム向けの検証ツールである。記号的状態表現と能動的な最適化を組み合わせることで、実世界および合成されたワークフローにおいて1秒未塔の検証を達成し、従来の Spin に基づくアプローチを10倍以上に上回る性能を発揮しながら、より洗練されたデータ操作をサポートする。

ABSTRACT

Data-driven workflows, of which IBM's Business Artifacts are a prime exponent, have been successfully deployed in practice, adopted in industrial standards, and have spawned a rich body of research in academia, focused primarily on static analysis. The present research bridges the gap between the theory and practice of artifact verification with VERIFAS, the first implementation of practical significance of an artifact verifier with full support for unbounded data. VERIFAS verifies within seconds linear-time temporal properties over real-world and synthetic workflows of complexity in the range recommended by software engineering practice. Compared to our previous implementation based on the widely-used Spin model checker, VERIFAS not only supports a model with richer data manipulations but also outperforms it by over an order of magnitude. VERIFAS' good performance is due to a novel symbolic representation approach and a family of specialized optimizations.

研究の動機と目的

• 理論的検証と実用的導入の間のギャップを埋めるために、スケーラブルで効率的な検証ツールの構築を目的とする。
• Spin のような汎用ツールが、アーティファクトモデルにおける無限大のデータと複雑なデータ操作に対し苦戦しているという限界を解決することを目的とする。
• 集合、関係、パラメータ化されたタスク階層といった豊富なデータ機能を備えた、現実的で産業用途に耐えるアーティファクト定義をサポートする検証ツールの開発を目的とする。
• データに依存する性質を有する、実世界および合成されたアーティファクトシステムの新しいベンチマークを用いて検証ツールを評価し、実用的妥当性を示すこと。
• サイクルマティック・コンプレックスのソフトウェア工学的メトリクスと検証性能の相関関係を明らかにし、構造化が適切で複雑度の低いシステムが効率的に検証可能であることを示すこと。

提案手法

• 表現力と決定可能検証の両立を図るために、データ操作を制限しつつも産業的関連性を保った、Hierarchical Artifact Systems の実用的バリエーションである HAS* の設計。
• Karp-Miller アルゴリズムに基づく記号的モデルチェックのアプローチを採用し、無限状態系における無限大のデータを有限表現で扱えるように変更。
• 制約に基づくデータ構造を用いた新しい記号的状態表現を採用し、集合や関係を効果的に圧縮表現する。
• 検証中の状態空間探索において、重複するか不実行可能な経路を避けるために能動的なプルーニング技術を導入。
• 最適化されたデータ構造とインクリメンタル計算を活用し、状態遷移と性質検査の高速化を実現。
• アーティファクトシステムの動作に特化した、LTL をベースにした性質記述言語を統合し、時間的およびデータ依存条件を含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 無限大のデータを有するデータに依存するアーティファクトシステムに対して、完全に自動化された検証ツールを構築可能であり、実世界のワークロードにおいて実用的な性能を達成できるか？
• RQ2 記号的表現と最適化技術は、Spin のような汎用モデルチェッカーと比較して、検証性能にどのように影響を与えるか？
• RQ3 サイクルマティック・コンプレックスのようなソフトウェア工学的メトリクスと、アーティファクトシステムにおける検証時間との相関関係はどの程度強いのか？
• RQ4 タプルの挿入・取得・算術制約といった豊富なデータ操作をサポートしつつ、決定可能性と効率性を維持できる検証ツールを設計可能か？
• RQ5 データ依存性と階層的タスク構造を持つ複雑な実際のビジネスプロセスを、数秒以内に検証可能か？

主な発見

• VERIFAS は、推奨されるソフトウェア工学的範囲内のサイクルマティック・コンプレックスを持つ実世界および合成されたアーティファクトシステムに対して、線形時系列論理的性質を1秒未塔で検証し、高い実用的効率を示した。
• VERIFAS は、それらが処理可能なより単純なアーティファクトモデルですら、従来の Spin に基づく検証ツールを10倍以上に上回る性能を発揮した。
• VERIFAS における記号的表現と最適化技術は、状態空間の爆発を顕著に低減し、無限大のデータドメインを持つシステムの検証を可能にした。
• HAS* 定義におけるサイクルマティック・コンプレックスは、検証時間と意味的に相関しており、構造化が適切で複雑度の低いシステムは迅速に検証可能であることが示唆された。
• VERIFAS は、既存のツールが到達していない範囲まで拡張した、実用的意義を持つ無限大データの完全サポートを実装した最初のツールである。
• 実験的評価により、VERIFAS が関係、パラメータ、事前／事後条件を含む豊富なデータ操作を伴う複雑で現実的なビジネスプロセスを処理可能であることが確認された。