[论文解读] Verification of Data-Aware Processes via Array-Based Systems (Extended Version)

Diego Calvanese, Silvio Ghilardi+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2018

Logic, programming, and type systems参考文献 1被引用 11

一句话总结

本文提出了一种新颖的框架，通过将数据感知的工件系统建模为基于数组的系统，实现了基于Satisfiability-Modulo-Theories（SMT）技术的后向可达性分析，从而对安全属性进行验证。该框架通过模型补全技术建立了模型检测与SMT求解之间的对应关系，首次系统性地将SMT技术应用于关系型工件系统，并通过扩展MCMT模型检查器实现了实际验证。

ABSTRACT

We study verification over a general model of artifact-centric systems, to assess (parameterized) safety properties irrespectively of the initial database instance. We view such artifact systems as array-based systems, which allows us to check safety by adapting backward reachability, establishing for the first time a correspondence with model checking based on Satisfiability-Modulo-Theories (SMT). To do so, we make use of the model-theoretic machinery of model completion, which surprisingly turns out to be an effective tool for verification of relational systems, and represents the main original contribution of this paper. In this way, we pursue a twofold purpose. On the one hand, we reconstruct (restricted to safety) the essence of some important decidability results obtained in the literature for artifact-centric systems, and we devise a genuinely novel class of decidable cases. On the other, we are able to exploit SMT technology in implementations, building on the well-known MCMT model checker for array-based systems, and extending it to make all our foundational results fully operational.

研究动机与目标

• 统一数据感知流程的形式化验证与基于SMT的模型检测，克服以往零散可判定性结果的局限性。
• 开发一个通用框架——关系型工件系统（RASs），通过数组表示演化数据与约束，建模以工件为中心的系统。
• 通过利用后向可达性与SMT求解，实现与初始数据库实例无关的参数化安全验证。
• 扩展MCMT模型检查器，支持基于SMT的后向可达性，用于基于数组的系统，使理论成果得以实际应用。
• 通过在真实世界RAS示例上的实证评估，证明该方法的有效性。

提出的方法

• 将工件系统建模为基于数组的系统，其中工件变量与关系通过无限数据域上的数组和函数进行编码。
• 使用带一元函数和约束的多排序逻辑表示只读数据库，支持对主键与外键的代数处理。
• 应用模型论中的模型补全技术，实现量化消除与关系约束的有效推理。
• 将后向可达性方法适配为使用SMT求解器计算不安全状态的前驱，构建基于逻辑公式的可达性树。
• 将该框架集成至MCMT模型检查器中，扩展其功能以支持基于SMT的公式操作与增量求解。
• 采用简化策略（前向/后向）在后向可达性过程中剪枝冗余状态，提升性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过基于数组的形式化方法，系统性地将数据感知工件系统中的安全验证归约为SMT求解？
• RQ2 如何利用模型补全技术，在具有数据的无限状态系统中推理关系约束？
• RQ3 基于SMT的后向可达性在验证以工件为中心的流程中的安全属性方面，其实际可扩展性与表达能力如何？
• RQ4 现有SMT求解器及工具（如MCMT）在多大程度上可被扩展以支持复杂关系型工件系统的验证？
• RQ5 所提出的框架能否以可判定且高效的方式处理包含主键与外键约束的完整关系型数据库？

主要发现

• 该框架在16个测试用例中的14个成功验证了安全属性，MCMT在所有情况下均返回正确结果（SAFE或UNSAFE）。
• 在0.06秒内完成招聘流程RAS的安全性验证，仅使用3个节点与1238次SMT调用，表明其在简单安全检查中具有高效率。
• 当安全检查被弱化（如移除对申请者结果的约束）时，系统正确报告为UNSAFE，验证耗时0.50秒，共调用2867次SMT。
• 最复杂的示例（E5）耗时5.6秒，调用5618次SMT，表明其在中等复杂度规格下的可扩展性。
• SMT调用次数（最高达5618次）虽高，但执行时间仍保持较低水平，表明SMT求解器能高效处理后向可达性引擎生成的证明义务。
• 当验证失败时，工具能够重建不安全路径，证实了该方法的正确性与实际可用性。