[论文解读] McFSM: globally taming complex systems

Florian Murr, Wolfgang Mauerer|arXiv (Cornell University)|May 20, 2017

Formal Methods in Verification参考文献 10被引用 2

一句话总结

McFSM 通过使用多个耦合的有限状态机，引入一种模型驱动的方法，以形式化方式管理网络物理系统、实时系统和安全关键系统中的复杂依赖关系。它提供了一种全局、一致且可分析的系统行为描述，支持在多种编程语言中实现高效代码生成和编译时验证。

ABSTRACT

Industrial computing devices, in particular cyber-physical, real-time and safety-critical systems, focus on reacting to external events and the need to cooperate with other devices to create a functional system. They are often implemented with languages that focus on a simple, local description of how a component reacts to external input data and stimuli. Despite the trend in modern software architectures to structure systems into largely independent components, the remaining interdependencies still create rich behavioural dynamics even for small systems. Standard and industrial programming approaches do usually not model or extensively describe the global properties of an entire system. Although a large number of approaches to solve this dilemma have been suggested, it remains a hard and error-prone task to implement systems with complex interdependencies correctly.We introduce multiple coupled finite state machines (McFSMs), a novel mechanism that allows us to model and manage such interdependencies. It is based on a consistent, well-structured and simple global description. A sound theoretical foundation is provided, and associated tools allow us to generate efficient low-level code in various programming languages using model-driven techniques. We also present a domain specific language to express McFSMs and their connections to other systems, to model their dynamic behaviour, and to investigate their efficiency and correctness at compile-time.

研究动机与目标

• 为解决工业级网络物理系统和实时系统中复杂依赖关系的管理挑战。
• 提供一种全局的、形式化的系统行为描述，以捕捉组件之间的交互。
• 通过模型驱动技术实现高效且正确的低层代码生成。
• 通过领域特定语言支持在编译时进行正确性和效率分析。
• 通过使用一致的全局模型来组织复杂动态，从而减少安全关键系统中的错误。

提出的方法

• 将系统建模为多个耦合的有限状态机（McFSMs），以表示组件之间的交互和全局行为。
• 定义一种领域特定语言（DSL），用于表达 McFSM 的行为和系统连接关系。
• 利用坚实的理论基础，确保全局系统模型的一致性和正确性。
• 应用模型驱动工程技术，自动在多种目标编程语言中生成高效的低层代码。
• 通过 DSL 和 McFSM 模型，在编译时支持对效率和正确性的静态分析。
• 将系统描述结构化为全局一致的形式，同时保持组件级别的模块化。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在全局层面形式化建模实时和安全关键系统中的复杂依赖关系？
• RQ2 哪些机制能够实现组件交互的一致性、可扩展性和可分析性建模？
• RQ3 领域特定语言是否能够有效表达 McFSM 的行为并支持编译时验证？
• RQ4 McFSM 模型在多种编程语言中生成低层代码的效率如何？
• RQ5 McFSM 方法在具有丰富行为动态的系统中，能在多大程度上减少错误？

主要发现

• McFSM 方法为具有复杂依赖关系的系统提供了统一且结构良好的全局模型。
• 理论基础确保了全局系统描述的正确性和严谨性。
• 领域特定语言支持对 McFSM 行为和系统连接关系的精确规范表达。
• 基于模型的代码生成在多种编程语言中实现了高效的低层实现。
• 编译时分析支持对效率和正确性的验证，从而减少了运行时错误。
• 该方法在小型到中型工业系统中，能有效管理丰富的行为动态，并实现高可靠性。