Computergestützte Modellierung und Verifikation

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1 Computergestützte Modellierung und Verifikation Vorlesung mit Übungen SS 2007 Prof. F. von Henke mit Dr. H. Pfeifer Inst. für Künstliche Intelligenz

2 Organisatorisches Vorlesung: Mi Raum 3211 Do Raum 2203 Übungen finden in der Regel 14-tägig im Rahmen des zweiten Vorlesungsblocks statt Sprechstunde: nach der Vorlesung, oder nach Vereinbarung Voraussetzungen: elementare Logik (etwa wie für Vordiplom Informatik) Vorlesungsunterlagen: Kopien der Vorlesungsfolien werden über die Webseite zur Vorlesung verfügbar gemacht Zugang über die Webseite des Inst. für KI. Literatur: M. Huth, M. Ryan: Logic in Computer Science. Modelling and reasoning about systems. 2d edition, Cambridge University Press, speziell Kap. 3 und 6. Auch die erste Auflage des Buchs (2000) ist noch brauchbar. Weitere Literatur wird in der Vorlesung angegeben. 0 1

3 Gegenstand der Lehrveranstaltung Modellierung von Systemen (Programmen, Software, Hardware) mit dem Ziel, sie daraufhin zu überprüfen, ob sie bestimmte Eigenschaften haben Verifikation von System-Eigenschaften Ziel der Lehrveranstaltung: Vertrautmachen mit bestimmten modernen Methoden und deren Anwendbarkeit und Anwendungen insbesondere Methoden der Modellüberprüfung (engl. model checking) Weiterführende Veranstaltungen und Aktivitäten: Seminare und Praktika Bachelor-, Master-, Diplomarbeiten Mitarbeit in Forschungsprojekten des Instituts, auch als studentische Hilfskraft v.henke: Computergestützte Modellierung und Verifikation SS

4 Modellierung und Verifikation Es werden benötigt: Modell eines Systems (Programm, Hardware, technisches System) Beschreibung von Eigenschaften, die das System haben soll Spezifikation (auch partiell) der System-Eigenschaft(en) Verfahren zur Prüfung, ob das System die gewünschte(n) Eigenschaft(en) besitzt Computergestützte Verfahren erfordern, dass Modell und Eigenschaften in einer Form vorliegen (beschrieben sind), die mittels Computer verarbeitet werden kann. formale Sprachen v.henke: Computergestützte Modellierung und Verifikation SS

5 Modellierung und Verifikation (2) Modellierung zum Zweck der Problem-Analyse des Entwurfs der Analyse des Entwurfs als Grundlage der Realisierung (Implementierung) Modellierung umfaßt die Spezifikation der Struktur und des Verhaltens eines Systems vgl. Model-driven Architecture (MDA), Model-driven Design Modellierung bedeutet auch immer Abstraktion von Details, die für den Zweck der Modellierung nicht relevant sind. v.henke: Computergestützte Modellierung und Verifikation SS

6 Modellierung und Verifikation (3) Verifikation: Plausibilität Vollständigkeit Korrektheit Überprüfung des Verhaltens eines Systems auf Überprüfung sollte so weit wie möglich automatisch, d.h. ohne Interaktion mit Benutzer erfolgen. Überprüfung soll nützliche postive und auch negative Resultate liefern z.b. Lokalisierung einer möglichen Ursache (des Fehlers ), wenn Überprüfung fehlschlägt (d.h. die gewünschte Eigenschaft nicht erfüllt ist) Verifikation findet in verschiedenen Formen statt vgl. Typüberprüfung vgl. klassische Programmverifikation (mit Hoare-Kalkül o.ä.) v.henke: Computergestützte Modellierung und Verifikation SS

7 Korrektheit Generelle Bedeutung von Korrektheit im Zusammenhang mit Ausfall-Sicherheit (engl. safety) Daten-Sicherheit (engl. security) Fehlertoleranz allgemein: Zuverlässigkeit (engl. dependability) insbesondere bei sicherheitskritischen Systemen etwa in den Anwendungsbereichen: Elektronik im Auto, im Flugzeug; Anlagensteuerung. Eingebettete Systeme (embedded systems) Korrektheit wird immer relativ zu bestimmten Anforderungen gesehen v.henke: Computergestützte Modellierung und Verifikation SS

8 Techniken der Verifikation Techniken der Analyse und des Nachweises von Eigenschaften von Systemen: Modellüberprüfung (engl. model checking) Dies ist ein Hauptthema dieser Vorlesung aber auch maschinelles Beweisen nicht Gegenstand der Vorlesung separate Vorlesung Maschinelles Beweisen Testen?? Im Allgemeinen sind Testmethoden zu schwach, um hinreichendes Vertrauen zu rechtfertigen. Testen kann die Existenz von Fehlern demonstrieren, nicht deren Abwesenheit. Trotzdem: Testen ist ein wichtiges Thema, aber nicht Gegenstand dieser Vorlesung. Verifikationsverfahren stehen nicht in Konkurrenz zueinander, sondern ergänzen sich. v.henke: Computergestützte Modellierung und Verifikation SS

9 Modellüberprüfung modell-basiert im Gegensatz etwa zu logik-basierter Verifikation Ursprünglich hauptsächlich für Hardware-Verifikation entwickelt. Modelle typischerweise in einer Form von Zustandsübergangssystem gegeben Auf endliche Modelle beschränkt, aber Anzahl der Zustände kann recht groß sein. Im Hardware-Bereich extrem erfolgreich (alle Firmen haben F+E-Gruppen) Nicht auf rein sequentielle Modelle (Systemverhalten) beschränkt, sondern auch auf verteilte Systeme anwendbar Beispiel: Kommunikationsprotokolle v.henke: Computergestützte Modellierung und Verifikation SS

10 Zustandsübergangssysteme Spezifikation von Systemen häufig in Form von Zustandsübergangssystemen (state transition systems) als Abstraktion von realen Systemen charakterisiert durch Menge von (abstrakten) Zuständen Menge von möglichen Zustandsübergängen Eingaben, verbunden mit Zustandsübergängen Ausgaben, verbunden mit Zuständen und/oder Zustandsübergängen endliche Automaten andere Varianten von Automatenmodellen State charts (UML) Spezifikation der geforderten bzw. nachzuweisenden Eigenschaften: für diese Sorte von Systemen bevorzugt in Form von temporal-logischen Formeln v.henke: Computergestützte Modellierung und Verifikation SS

11 Einführendes Beispiel: einfacher Getränke-Automat Genauer: Kontrolle eines solchen Automaten Ein Getränk soll EUR 1,20 kosten Preis kann erreicht werden durch Einwurf verschiedener Folgen von Münzen Erlaubt sollen folgende Münzen sein: 1 EUR, 50 ct, 20 ct Betrag muss genau erreicht werden (kein Wechseln) Andernfalls Fehler: Rückgabe des Geldes Automat hat verschiedene Zustände: bereit, unterschiedliche Zwischenbeträge, Endbetrag (mit Getränkausgabe), Fehler (Rückgabe des Gelds) Verschiedene Zustände können auf unterschiedlichen Wegen erreicht werden. v.henke: Computergestützte Modellierung und Verifikation SS

12 Einführendes Beispiel (2) Eigenschaften: Wir sind neben den (Eigenschaften von) Zuständen auch an Folgen von Zuständen und Erreichbarkeit von Zuständen interessiert: Wird immer ein Endzustand (Ausgabe eines Getränks) erreicht? Wird immer wieder auf den Anfangszustand zurückgegangen? Ist der Automat immer wieder einsatzbereit? Eine formale Sprache, in der solche Eigenschaften ausgedrückt werden können, ist eine Form der Temporallogik. v.henke: Computergestützte Modellierung und Verifikation SS

13 Geplanter Inhalt der Vorlesung Temporallogiken und Zustandsübergangsysteme (Zustandsmaschinen): Syntax Semantik: Abläufe in (endlichen) Zustandsübergangsystemen Varianten der Temorallogik: CTL, LTL,... Modellüberprüfung (model checking) als Analyse- und Beweismethode für temporallogisch spezifizierte Eigenschaften von Zustandsübergangsystemen Grundalgorithmen Symbolische Modellüberprüfung BDDs: Binäre Entscheidungsbäume Modellierung und Verifikation zeitabhängiger Systeme v.henke: Computergestützte Modellierung und Verifikation SS

14 Geplanter Inhalt der Vorlesung (2) Abstraktion, Analyse von Systemen mit unendlich vielen Zuständen, Modellüberprüfung von Software Objekt-orentierte Modellierung, UML Werkzeuge (Systeme) und Sprachen; speziell: SAL Typische Beispielanwendungen v.henke: Computergestützte Modellierung und Verifikation SS

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