[논문 리뷰] Towards deductive verification of MPI programs against session types

Eduardo R. B. Marques, Francisco Martins외 3명|2013. 12. 10.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 15인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 세션 유형을 사용하여 MPI 프로그램의 추론적 검증을 위한 프레임워크를 제시한다. 프로토콜 사양을 VCC로 검증 가능한 C 주석으로 변환함으로써, 특히 데드락 방지 기능을 포함한 통신 정합성의 형식적 검증을 가능하게 한다. 소프트웨어 검증기와 세션 유형 계약을 통합함으로써, 비정형적인 MPI 예제에서 수동 주석의 부담을 매우 낮게 유지(코드 크기의 5% 미만)하였다.

ABSTRACT

The Message Passing Interface (MPI) is the de facto standard message-passing infrastructure for developing parallel applications. Two decades after the first version of the library specification, MPI-based applications are nowadays routinely deployed on super and cluster computers. These applications, written in C or Fortran, exhibit intricate message passing behaviours, making it hard to statically verify important properties such as the absence of deadlocks. Our work builds on session types, a theory for describing protocols that provides for correct-by-construction guarantees in this regard. We annotate MPI primitives and C code with session type contracts, written in the language of a software verifier for C. Annotated code is then checked for correctness with the software verifier. We present preliminary results and discuss the challenges that lie ahead for verifying realistic MPI program compliance against session types.

연구 동기 및 목표

• 복잡한 MPI 프로그램의 통신 정합성, 특히 데드락 방지를 검증하는 데 도전하는 문제를 해결하기 위해.
• MPI 프로그램이 사전 정의된 통신 프로토콜을 따르도록 보장하는 구축 가능한 형식적 방법을 제공하기 위해.
• 모델 체킹이나 동적 분석에 의존하는 것을 줄이고, 정적 검증 도구를 활용한 추론적 검증을 가능하게 하기 위해.
• MPI의 집합적 연산과 비차단 호출을 세션 유형과 통합하여 검증된 C 인터페이스를 제공하기 위해.
• 특히 반복문과 선택 구조에 대해 주석을 자동 생성할 수 있도록 하여 수동 주석 작업의 부담을 최소화하기 위해.

제안 방법

• MPI 전용 동작을 모델링하기 위해 집합적 연산, 선택, 종속 함수 유형을 추가한 통신 유형 언어를 정의한다.
• 전역 세션 유형 프로토콜을 VCC 호환 형식으로 변환하여, 통신 계약을 데이터 유형과 공리로 표현한다.
• VCC의 requires/ensures 술어와 함수 계약을 사용해 MPI C 코드에 주석을 추가하여 프로토콜 준수를 강제한다.
• VCC 검증기를 사용해 각 함수의 통신 동작이 지정된 세션 유형을 준수하는지 확인한다.
• 통신 유형에 대한 타입 체킹과 VCC 표현식 생성을 자동화하기 위한 Eclipse 플러그인을 개발한다.
• 비차단 MPI 연산을 지원하도록 프레임워크를 확장하고, 일급 종속 유형과 for-each 구조를 도입하여 유형 표현력을 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 세션 유형이 MPI의 집합적 연산과 비차단 통신 패턴을 효과적으로 모델링할 수 있는가?
• RQ2 C+MPI 프로그램에서 통신 프로토콜 주석을 어느 정도 자동으로 생성할 수 있는가?
• RQ3 이 검증 방법의 수동 주석 부담은 기존의 모델 체킹 또는 동적 분석 기법과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 통신 단계 간의 종속성, 즉 이전 메시지 값에 기반한 의존성은 통신 유형 체계에서 표현 가능한가?
• RQ5 복잡한 제어 흐름과 통신 패턴을 가진 실제 MPI 응용 프로그램에 대해 검증 과정의 확장성은 어느 정도인가?

주요 결과

• 이 프레임워크는 수동 주석의 부담이 총 코드 크기의 5% 이하로 유지되는 비정형적인 MPI 프로그램 4종(260~430줄)을 성공적으로 검증하였다.
• 100줄당 평균 수동 주석 수는 5개 이하였으며, 주로 함수 수준의 전제 조건과 후행 조건이 수동으로 작성된 주석의 대부분을 차지하였다.
• 이중 코어 환경에서 VCC는 합리적인 시간 내에 검증을 완료하였으며, 1코어와 2코어 가상 환경 간에 성능 차이가 없었다.
• 저자들은 반복문과 선택 구조의 주석을 자동 생성할 수 있음을 확인하여 프로그래머의 부담을 줄일 수 있었다.
• 현재의 통신 유형 언어는 표현력 면에서 제한이 있다. 특히 종속 함수 유형이 최상위 수준에만 허용되어 있어 제약이 있다.
• 팀은 타입 형성 체킹과 VCC 표현식 생성을 자동화하기 위한 Eclipse 플러그인을 개발 중이며, 향후 for-each 구조와 값 기반 의존 통신을 지원하도록 언어를 확장할 계획이다.