[論文レビュー] Verification of Timed Automata Using Rewrite Rules and Strategies

Emmanuel Beffara, Olivier Bournez+2 more|ArXiv.org|Jul 17, 2009

Formal Methods in Verification参考文献 23被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、リライト規則と戦略を活用して、タイムド・オートマトンにおける到達可能性性の性質のプロトタイピングと検証を実現する、ELANシステムを用いた革新的なアプローチを提示している。この手法は、高い柔軟性と、専用ツールに近い性能を実現するシンボリック・モデル・チェックイング・アルゴリズムの実装を可能にする。この方法により、状態空間の効率的なオンザフライ探索が可能となり、宣言的で戦略制御のフレームワークを通じて、グラフ走査法や制約解決技術のモジュラーな実験が可能になる。

ABSTRACT

ELAN is a powerful language and environment for specifying and prototyping deduction systems in a language based on rewrite rules controlled by strategies. Timed automata is a class of continuous real-time models of reactive systems for which efficient model-checking algorithms have been devised. In this paper, we show that these algorithms can very easily be prototyped in the ELAN system. This paper argues through this example that rewriting based systems relying on rules and strategies are a good framework to prototype, study and test rather efficiently symbolic model-checking algorithms, i.e. algorithms which involve combination of graph exploration rules, deduction rules, constraint solving techniques and decision procedures.

研究の動機と目的

• リライトベースのシステム、たとえばELANが、タイムド・オートマトンのシンボリック・モデル・チェックイング・アルゴリズムのプロトタイピングに適していることを示すこと。
• ELANの戦略言語が、ハードウェアに固定されたモデル・チェッカーを上回る柔軟性をもって、グラフ走査法や制約解決技術のカスタマイズを可能にしていることを示すこと。
• KRONOS や UPPAAL といった専用ツールと同等の性能を達成しながら、コードの明確さとモジュラリティを維持すること。
• 1つの形式的フレームワーク内で、証明と制約操作技術を統合し、モデル・チェックイング・アルゴリズムの理解を深めること。

提案手法

• 著者らは、ELANのルールベースのシステムを用いて、タイムド・オートマトンの到達可能性検証を実装しており、各ルールがモデル・チェックプロセスにおける変換ステップに対応している。
• リライト規則が遷移と状態更新をモデル化し、ガードのチェックと時計のリセットを表すために条件とローカル代入を含む。
• ELANの戦略がルール適用の順序と選択を制御し、製品オートマトンの遷移をオンザフライで生成することを可能にする。
• システムは、`first one` などの戦略の合成メカニズムを用い、複数のオートマトンの同期的な製品におけるルール適用の順序を制御する。
• 制約解決は、時計ゾーンと状態構成における条件付きチェックとパターンマッチングを通じて統合される。
• 戦略定義の単純な再設定により、深さ優先探索と幅優先探索の両方の探索戦略をサポートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高水準のルールベースのシステム、たとえばELANは、タイムド・オートマトンのシンボリック・モデル・チェックイング・アルゴリズムのプロトタイピングに効果的に機能するか？
• RQ2 ELANを用いたプロトタイピングの性能は、最適化された専用モデル・チェッキング・ツールと比べてどの程度か？
• RQ3 ELANの戦略言語は、異なるグラフ走査法や制約解決技術の実験において、どの程度の柔軟性を向上させるか？
• RQ4 同じELANコードを、分割精錬や代替の制約表現といった、他の検証技術に容易に適応できるか？

主な発見

• ELANベースのプロトタイプは、戦略制御リライトシステムの高度なコンパイル技術のおかげで、KRONOS や UPPAAL といった専用ツールと同等の性能を達成している。
• モデル・チェッカーの実装全体がコメントを含めても1100行未満であり、高いコード密度と保守性を示している。
• 探索戦略（例：深さ優先探索 vs. 幅優先探索）や制約解決コンponentの変更は、数行のコード変更で実現可能であり、優れたモジュラリティと柔軟性を示している。
• 製品オートマトンの遷移のオンザフライ生成がネイティブにサポートされており、全状態空間を事前に計算する必要がない。
• 計算と帰納の部分が明確に分離されているため、制約操作とシンボリック推論の相互作用を理解しやすく、分析しやすい。