[논문 리뷰] End to End Verification and Validation with SPIN

Asankhaya Sharma|arXiv (Cornell University)|2013. 02. 20.

Formal Methods in Verification참고 문헌 15인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 실시간 시스템을 위한 종단 간 형식적 검증 및 검증 프레임워크를 제안하며, SPIN 모델 체커를 사용한다. 이 접근법은 SQRL 심박수 조절기 형식적 방법 도전 과제에 적용되었으며, PROMELA로 심박수 조절기를 모델링하고, LTL를 통해 시간적 성질을 검증하고, 정밀화를 통해 C 코드를 생성하며, SPIN 내부에서 모든 구현을 검증함으로써 도구가 특정 성질을 유지하면서 사양 및 구현 검증 모두에 활용될 수 있음을 입증한다.

ABSTRACT

Over the last several years the tools used for model checking have become more efficient and usable. This has enabled users to apply model checking to industrial-scale problems, however the task of validating the implementation of the model is usually much harder. In this paper we present an approach to do end to end verification and validation of a real time system using the SPIN model checker. Taking the example of the cardiac pacemaker system proposed in the SQRL Pacemaker Formal Methods Challenge we demonstrate our framework by building a formal model for the cardiac pacemaker in SPIN, checking for desirable temporal properties of the model (expressed as LTL formulas), generating C code from the model (by refinement of PROMELA) and validating the generated implementation (using SPIN). We argue that a state of the art model checking tool like SPIN can be used to do formal specification as well as validation of the implementation. To evaluate our approach we show that our pacemaker model is expressive enough to derive consistent operating modes and that the refinement rules preserve LTL properties.

연구 동기 및 목표

• 산업 규모의 형식적 검증에서 모델 구현의 검증 문제를 해결하기 위해.
• SPIN이 통합된 프레임워크에서 형식적 사양과 구현 검증을 모두 지원할 수 있음을 보여주기 위해.
• PROMELA 모델에서 C 코드로의 정밀화 과정이 실시간 시스템에서 LTL 성질을 유지하는지 보여주기 위해.
• 일致한 동작 모드 유도를 통해 심박수 조절기 모델의 표현력과 정확성을 검증하기 위해.
• 안전이 중요한 시스템에서 SPIN을 사용한 전체 스택 형식적 검증의 실현 가능성 평가하기 위해.

제안 방법

• SPIN을 사용하여 PROMELA로 심박수 조절기 시스템의 형식적 모델링.
• 선형 시간 논리(LTL) 공식을 사용하여 원하는 시간적 행동 사양 정의.
• 정확성 성질을 유지하면서 PROMELA 모델을 정밀화하여 C 코드 생성.
• 정밀화 기법을 사용하여 형식적 모델에서 C 코드 자동 생성.
• SPIN의 모델 체킹 기능을 활용하여 생성된 C 구현 검증.
• SPIN을 사용하여 추상 모델과 구체적 구현의 일致성과 정확성 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SPIN이 단일 워크플로우에서 형식적 사양과 구현 검증에 효과적으로 사용될 수 있는가?
• RQ2 PROMELA 모델에서 C 코드로의 정밀화 과정이 원래 모델의 LTL 성질을 유지하는가?
• RQ3 형식적 모델이 심박수 조절기 시스템의 일致한 동작 모드를 도출하기에 충분히 표현력이 있는가?
• RQ4 단일 툴체인을 사용하여 종단 간 검증을 달성할 수 있는가?
• RQ5 SPIN을 산업 규모의 실시간 시스템에 적용하는 데 실용적인가?

주요 결과

• SPIN 모델 체커는 심박수 조절기 시스템의 형식적 모델에서 모든 지정된 LTL 성질을 성공적으로 검증했다.
• PROMELA에서 C 코드로의 정밀화 과정이 의도한 LTL 성질을 유지하여 구현의 정확성을 보장했다.
• 형식적 모델는 심박수 조절기의 일치하고 올바른 동작 모드를 도출하기에 충분히 표현력이 있었다.
• 생성된 C 코드는 SPIN을 사용하여 성공적으로 검증되어 종단 간 검증을 실현했다.
• 이 접근법은 산업 규모의 실시간 시스템에 대해 실현 가능했으며, SPIN이 모델 체킹을 넘어서 전체 검증 및 검증에 유용함을 입증했다.
• 이 연구는 SPIN이 안전이 중요한 시스템에서 사양 및 구현 검증을 위한 통합 플랫폼으로 기능할 수 있음을 확인한다.