Khóa luận Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NUSMV

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nông Gia Tự

KIỂM CHỨNG MÔ HÌNH PHẦN MỀM SỬ

DỤNG NUSMV

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Công nghệ thông tin

HÀ NỘI - 2010

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nông Gia Tự

KIỂM CHỨNG MÔ HÌNH PHẦN MỀM SỬ

DỤNG NUSMV

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Công nghệ thông tin

Cán bộ hướng dẫn: TS. Phạm Ngọc Hùng

HÀ NỘI - 2010

Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV

Nông Gia Tự

Lời cảm ơn

Lời đầu tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Phạm Ngọc Hùng, thầy

đã hướng dẫn em tận tình trong suốt năm học vừa qua.

Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy, cô giáo trong Khoa Công nghệ thông

tin - Trường Đại học Công nghệ - ĐHQGHN. Các thầy cô đã dạy bảo, chỉ dẫn

chúng em và luôn tạo điều kiện tốt nhất cho chúng em học tập trong suốt quá trình

học đại học đặc biệt là trong thời gian làm khoá luận tốt nghiệp.

Tôi xin cảm ơn các bạn sinh viên lớp K51CD và lớp K51CNPM đã cho tôi

những ý kiến đóng góp giá trị cùng những lời động viên khích lệ khi thực hiện đề

tài này.

Cuối cùng con xin gửi tới bố mẹ và toàn thể gia đình lòng biết ơn và tình cảm

yêu thương.

Hà Nội, ngày 15 tháng 5 năm 2008

Nông Gia Tự

i

Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV

Nông Gia Tự

Tóm tắt

Kiểm chứng mô hình (model checking) là một hướng tiếp cận hiệu quả cho

việc đảm bảo chất lượng phần mềm. Kĩ thuật này được áp dụng để chứng minh một

cách tự động tính đúng đắn của phần mềm hoặc chỉ ra tại sao phần mềm không chạy

đúng thông qua phản ví dụ.

Hiện nay có rất nhiều công cụ kiểm chứng mô hình phần mềm như NuSMV,

SPIN, KRONOS ... Khóa luận này nghiên cứu lý thuyết cơ bản vè kiểm chứng mô

hình, ngôn ngữ SMV dùng để mô hình hóa hệ thống và cách sử dụng NuSMV để

kiểm chứng mô hình phần mềm.

Kiểm chứng mô hình thường được áp dụng ở giai đoạn thiết kế vì việc mô

hình hóa bản thiết kế hệ thống dễ dàng hơn mô hình hóa mã nguồn của hệ thống.

Ngoài ra, việc sớm tìm ra lỗi ở bản thiết kế sẽ giúp giảm thiểu rủi ro của quá trình

phát triển phần mềm.

Vì thế chúng tôi tập trung tìm hiểu và đề xuất quy trình kiểm chứng mô hình

sử dụng NuSMV ở giai đoạn thiết kế phần mềm. Đồng thời áp dụng quy trình này

để kiểm chứng mô hình của phần mềm giả lập máy rút tiền tự động ATM.

ii

Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV

Nông Gia Tự

Mục lục

Chương 1 Giới thiệu........................................................................................1

1.1

1.2

1.3

Đặt vấn đề.........................................................................................1

Nội dung nghiên cứu của khóa luận ..................................................2

Cấu trúc khóa luận............................................................................2

Chương 2 Tổng quan về kiểm chứng mô hình và NuSMV ..............................4

2.1 Tổng quan về kiểm chứng mô hình...................................................4

2.1.1 Giới thiệu......................................................................................4

2.1.2 Ý nghĩa của kiểm chứng mô hình..................................................5

2.1.3 Sự khác nhau giữa kiểm chứng mô hình phần mềm và kiểm thử

phần mềm 5

2.2 NuSMV ............................................................................................6

2.2.1 Giới thiệu......................................................................................6

2.2.2 Kiến trúc của NuSMV...................................................................6

2.2.3 Sử dụng NuSMV để kiểm chứng mô hình.....................................8

Chương 3 Giới thiệu về logic thời gian............................................................9

3.1

3.2

Khái niệm.........................................................................................9

Các toán tử trong logic thời gian.......................................................9

3.2.1 Toán tử globally (toàn thể)............................................................9

3.2.2 Toán tử next (tiếp theo) ...............................................................10

3.2.3 Toán tử eventually (cuối cùng sẽ xảy ra) .....................................10

3.3

3.4

TLT và CTL ...................................................................................10

Sử dụng temporal logic để mô tả một số thuộc tính cần kiểm chứng

11

3.4.1 Safety (tính an toàn)....................................................................11

3.4.2 Liveness (tính chạy được) ...........................................................11

3.4.3 Fairness (tính công bằng) ............................................................12

Chương 4 Ngôn ngữ SMV.............................................................................13

4.1

4.2

4.3

Tổng quan.......................................................................................13

Cấu trúc của chương trình viết bằng ngôn ngữ SMV.......................13

Các kiểu dữ liệu..............................................................................13

4.3.1 Khai báo kiểu dữ liệu ..................................................................13

iii

Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV

Nông Gia Tự

4.3.2 Kiểu logic (boolean), kiểu số nguyên (integer) và kiểu liệt kê

(enum)

14

4.3.3 Mảng...........................................................................................14

4.3.4 Mảng nhiều chiều........................................................................15

4.3.5 Kiểu cấu trúc...............................................................................15

4.4

4.5

Biến và các phép gán ......................................................................16

Các phép toán .................................................................................16

4.5.1 Phép gán .....................................................................................16

4.5.2 Tóan tử next................................................................................17

4.6

Máy trạng thái.................................................................................18

Chương 5 ......................................................................................................20

Áp dụng NuSMV kiểm chứng mô hình phần mềm giả lập máy ATM............20

5.1

Đề xuất quy trình đặc tả và kiểm chứng phần mềm sử dụng NuSMV

20

5.1.1 Những cơ sở để đưa ra quy trình .................................................20

5.1.2 Mô tả quy trình............................................................................21

5.2

Đặc tả và kiểm chứng mô hình phần mềm giả lập máy ATM..........21

5.2.1 Đặc tả yêu cầu.............................................................................21

5.2.1.1 Mô tả bài toán.............................................................................21

5.2.1.2 Các tác nhân của hệ thống ..........................................................22

5.2.1.3 Mô hình ca sử dụng tổng thể hệ thống ........................................22

5.2.1.4 Bật máy......................................................................................23

5.2.1.5 Tắt máy ......................................................................................23

5.2.1.6 Phiên làm việc ............................................................................24

5.2.1.7 Giao dịch rút tiền........................................................................24

5.2.1.8 Giao dịch chuyển tiền.................................................................24

5.2.1.9 Giao dịch vấn tin tài khoản.........................................................25

5.2.1.10 Sai mã PIN ...............................................................................25

5.2.2 Đặc tả các thuộc tính cần kiểm chứng .........................................25

5.2.3 Thiết kế hệ thống ........................................................................25

5.2.3.1 Biểu đồ trạng thái tổng thể hệ thống ...........................................25

5.2.3.2 Biểu đồ trạng thái quá trình thực hiện một phiên làm việc của hệ

thống ..............................................................................................................26

5.2.3.3 Biểu đồ trạng thái quá trình thực hiện giao dịch của hệ thống.....27

iv

Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV

Nông Gia Tự

5.2.4 Mô hình hóa hệ thống bằng ngôn ngữ SMV ................................28

5.2.4.1 Mô hình hóa tổng thể hệ thống ...................................................28

5.2.4.2 Mô hình hóa quá trình thực hiện phiên làm việc .........................29

5.2.4.3 Mô hình hóa quá trình thực hiện giao dịch..................................31

5.2.5 Kiểm chứng mô hình...................................................................33

Chương 6 Kết luận ........................................................................................35

v

Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV

Nông Gia Tự

Danh mục hình vẽ

Hình 2.1. Nguyên tắc họat động của kiểm chứng mô hình.

Hình 2.2. Sơ đồ kiến trúc NuSMV.

Hình 5.1. Biểu đồ ca sử dụng hệ thống máy ATM.

Hình 5.3. Biểu đồ trạng thái quá trình thực hiện một phiên làm việc của hệ

thống ATM.

Hình 5.4. Biểu đồ trạng thái quá trình thực hiện giao dịch của hệ thống

ATM.

Hình 5.5. Mô hình tổng thể hệ thống viết bằng ngôn ngữ SMV.

Hình 5.6. Mô hình quá trình thực hiện một phiên làm việc của hệ thống bằng

ngôn ngữ SMV.

Hình 5.7. Mô hình quá trình thực hiện giao dịch của hệ thống ATM bằng

ngôn ngữ SMV.

Hình 5.8. Kết quả kiểm chứng mô hình tổng thể hệ thống.

Hình 5.9. Kết quả kiểm chứng mô hình phiên làm việc của hệ thống.

Hình 5.10. Kết quả kiểm chứng mô hình thực hiện giao dịch hệ thống.

vi

Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV

Nông Gia Tự

Danh mục từ viết tắt

Ký hiệu

ATM

Thuật ngữ

Automated Teller Machine

Binary Decision Diagram

Computation Tree Logic

Linear Time Logic

BDD

CTL

LTL

vii

Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV

Nông Gia Tự

Chương 1

Giới thiệu

1.1 Đặt vấn đề

Việc đảm bảo chất lượng phần mềm là một trong những công đoạn khó khăn

nhất của việc phát triển phần mềm. Trong đó, việc đảm bảo tính đúng đắn của bản

thiết kế ở bước sớm nhất có thể là một thách thức lớn nhất đối với bất kì quy trình phát

triển phần mềm nào. Từ trước đến nay, phương pháp giả lập và kiểm thử thường được

sử dụng để kiểm tra các bản thiết kế [5]. Tuy nhiên phương pháp này bộc lộ nhiều

khiếm khuyết trong đó điểm yếu nghiêm trọng nhất chính là không thể khẳng định

được chương trình đã hết lỗi hoặc ước lượng được số lỗi có thể sót lại trong bản thiết

kế [5].

Kiểm chứng mô hình là một kỹ thuật kiểm chứng tự động các hệ thống hữu hạn

trạng thái. Kiểm chứng mô hình xác minh tính đúng đắn của một mô hình bằng việc

xác định xem các thuộc tính người dùng mong muốn có được thỏa mãn bởi mô hình

đó hay không [6]. Về nguyên tắc hoạt động, hệ thống cần kiểm chứng sẽ được mô hình

hóa. Công cụ kiểm chứng sẽ kiểm tra mô hình có thỏa mãn các thuộc tính được cho

hay không. Nhờ khả năng duyệt qua tất cả các trạng thái trong mô hình mà tính đúng

đắn của kết quả kiểm chứng mô hình luôn được đảm bảo.

Nguyên tắc họat động của kiểm chứng mô hình như sau: Đóng vai trò xử lý dữ

liệu tự động là một công cụ kiểm chứng mô hình. Đầu vào là hệ thống cần kiểm chứng

đã được mô hình hóa và mô tả các thuộc tính cần kiểm chứng. Đầu ra là kết quả kiểm

chứng – kết luận hệ thống hoàn toàn thỏa mãn các thuộc tính hoặc kết luận hệ thống

không thỏa mãn một hoặc nhiều thuộc tính đi kèm với phản ví dụ. Nguyên tắc này

được minh họa trong hình sau:

1

Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV

Nông Gia Tự

Hình 2.1. Nguyên tắc họat động của kiểm chứng mô hình [7].

Trong quá trình kiểm chứng mô hình, việc mô hình hóa hệ thống và đặc tả các

thuộc tính thường được thực hiện thủ công. Việc chứng minh mô hình có thỏa mãn các

thuộc tính hay không đựơc thực hiện tự động bằng công cụ kiểm chứng mô hình. Khóa

luận này tập trung nghiên cứu và áp dụng công cụ kiểm chứng mô hình NuSMV vào

việc kiểm chứng ở giai đoạn thiết kế phần mềm.

1.2 Nội dung nghiên cứu của khóa luận

NuSMV là một công cụ kiểm chứng mô hình mã nguồn mở. Đầu vào của

NuSMV là một file viết bằng ngôn ngữ SMV trong đó mô tả mô hình hệ thống và các

đặc tả thuộc tính cần kiểm chứng.

Khóa luận nghiên cứu lý thuyết kiểm chứng mô hình và áp dụng NuSMV để

kiểm chứng bản thiết kế phần mềm.

Quá trình thực hiện bao gồm xác định rõ và đặc tả các thuộc tính cần kiểm

chứng, mô hình hóa hệ thống và sử dụng NuSMV để phân tích, chứng minh hệ thống

có thỏa mãn các thuộc tính cần kiểm chứng đó hay không.

1.3 Cấu trúc khóa luận

2

Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV

Các phần còn lại của khóa luận có cấu trúc như sau:

Nông Gia Tự

Chương 2 trình bày kiến thức cơ bản về kiểm chứng mô hình và giới thiệu về

NuSMV, một công cụ kiểm chứng phần mềm.

Chương 3 giới thiệu về logic thời gian và sử dụng logic thời gian để mô tả các

thuộc tính cần kiểm chứng.

Chương 4 trình bày về cú pháp, các kiểu dữ liệu của ngôn ngữ SMV, cách sử

dụng ngôn ngữ SMV để mô tả một máy hữu hạn trạng thái.

Chương 5 tìm hiểu và đề xuất quy trình kiểm chứng mô hình ở giai đoạn thiết kế

phần mềm sử dụng NuSMV, sau đó áp dụng quy trình này vào kiểm chứng mô hình

phần mềm giả lập máy rút tiền tự động ATM.

Chương 6 nêu ra những kết luận sau khi thực hiện đề tài khóa luận và định hướng

khóa luận trong tương lai.

3

Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV

Nông Gia Tự

Chương 2

Tổng quan về kiểm chứng mô hình và

NuSMV

2.1 Tổng quan về kiểm chứng mô hình

2.1.1 Giới thiệu

Kiểm chứng mô hình là kỹ thuật phân tích hệ thống để xác định tính hợp lệ

của một hay nhiều tính chất mà người dùng quan tâm trong một mô hình cho trước.

Cụ thể hơn, với mô hình M và thuộc tính p cho trước, nó kiểm tra liệu thuộc tính p

có thỏa mãn trong mô hình M hay không: M |= p [2]. Về mặt thực thi, kiểm chứng

mô hình là kỹ thuật tĩnh, nó duyệt qua tất cả các trạng thái, các đường thực thi có

thể có trong mô hình M để xác định tính khả thỏa của p.

Trên thực tế, mô hình kiểm chứng đã chứng minh rằng nó là một phương thức

hiệu quả để phát hiện nhiều lỗi trong các pha thiết kế ban đầu.

Kiểm chứng mô hình bao gồm 3 bước: Mô hình hóa, đặc tả và kiểm chứng.

Ở bước mô hình hóa, kết quả tạo ra là một mô hình mà các công cụ kiểm

chứng có thể sử dụng được. Đầu vào của bước này có thể là bản thiết kế phần mềm

hoặc là các dòng mã lập trình.

Trong bước tiếp theo, các thuộc tính mà bản thiết kế cần thỏa mãn được đặc tả.

Các thuộc tính này thường được diễn đạt bằng các biểu thức logic. Kết quả của hai

bước mô hình hóa và đặc tả chính là đầu vào của kiểm chứng mô hình.

Ở bước cuối cùng, kiểm chứng, công cụ kiểm chứng sẽ tự động thực hiện và

trả về kết quả là thỏa mãn nếu mô hình thỏa mãn các thuộc tính, hoặc đưa ra một

phản ví dụ nếu mô hình không thỏa mãn. Dựa vào phản ví dụ, người ta có thể tìm ra

được lý do vì sao mô hình không thỏa mãn các thuộc tính đặt ra.

4

Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV

Nông Gia Tự

Tóm lại, kiểm chứng mô hình là một kĩ thuật giúp kiểm tra một chương trình

hoặc một bản thiết kế có thỏa mãn các tính chất đặt ra hay không một cách tự động.

Đầu vào của nó là một mô hình cần kiểm chứng và các thuộc tính mà nó cần thỏa

mãn. Đầu ra là kết luận mộ hình thỏa mãn các tính chất hoặc đưa ra một phản ví dụ

nếu mô hình không thỏa mãn.

2.1.2 Ý nghĩa của kiểm chứng mô hình

Các hệ thống phần mềm đang ngày càng trở nên cần thiết và đóng vai trò quan

trọng trong đời sống hàng ngày. Nhiều công việc có mức độ ảnh hưởng lớn được

thực hiện bởi phần mềm như điều khiển đèn giao thông, giao dịch ngân hàng, điều

khiển các thiết bị y tế ... Những phần mềm thực hiện các công việc đó phải đảm bảo

có độ tin cậy rất cao và không được phép xuất hiện lỗi. Kiểm chứng mô hình cho

phép khẳng định được phần mềm hoàn toàn không còn lỗi và thực hiện được đúng

các chức năng đã đặt ra.

Ngòai ra, kiểm chứng phần mềm còn có ý nghĩa quan trọng trong quy trình

phát triển phần mềm. Nó cho phép tìm ra được các lỗi ngay từ giai đoạn thiết kế của

quy trình phát triển. Điều này có vai trò rất quan trọng vì các lỗi từ giai đoạn thiết

kế nếu tìm ra muộn có thể gây thiệt hại rất lớn so với các lỗi của giai đoạn sau.

2.1.3 Sự khác nhau giữa kiểm chứng mô hình phần mềm và

kiểm thử phần mềm

Cả kiểm chứng mô hình và kiểm thử phần mềm đều thực hiện vai trò đảm bảo

chất lượng phần mềm bằng việc tìm ra các lỗi nếu có của phần mềm.

Tuy nhiên giữa kiểm chứng mô hình và kiểm thử phần mềm có một số điểm

khác nhau quan trọng sau:

Kiểm thử phần mềm đòi hỏi phải có chương trình để thực hiện, còn kiểm

chứng mô hình thì ngoài kiểm thử trên mã nguồn còn có thể dùng để kiểm chứng

bản thiết kế, nghĩa là khi chương trình vẫn còn trên giấy.

Kiểm thử phần mềm chỉ có thể khẳng định được chương trình không gặp lỗi

đối với các trường hợp kiểm thử đã kiểm tra tức không tìm thấy lỗi chứ không

khẳng định được là chương trình hoàn toàn không còn lỗi. Ngược lại, kiểm chứng

phần mềm cho phép ta kết luận được chương trình hoàn toàn không còn lỗi.

5

Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV

Nông Gia Tự

Tuy nhiên, kiểm thử phần mềm có ưu điểm rất lớn là dễ thực hiện. Một người

bình thường cũng có thể thực hiện được. Trong khi đó, kiểm chứng mô hình đòi hỏi

phải mô hình hóa và đặc tả, công việc này rất khó và đòi hỏi người thực hiện có

trình độ kinh nghiệm và kiến thức nhất định.

Tóm lại, kiểm chứng mô hình là một phương pháp hiệu quả nhất để kiểm

chứng phần mềm. Tuy nhiên để sử dụng được nó một cách hiệu quả đòi hỏi phải

mất nhiều thời gian và công sức để nghiên cứu và thực hiện.

2.2 NuSMV

2.2.1 Giới thiệu

NuSMV là một công cụ kiểm chứng mô hình được trường đại học Carnegie

Mellon University (CMU) và viện per la Ricerca Scientifica e Tecnolgica (IRST).

NuSMV được thiết kế với kiến trúc mở, mềm dẻo và được mô tả đầy đủ để phục vụ

cho việc kiểm chứng mô hình phần mềm [4].

NuSMV có thể xử lý file viết bằng ngôn ngữ SMV. File này chứa hệ thống đã

được mô hình hóa và các đặc tả thuộc tính mà hệ thống cần kiểm chứng. Sau khi xử

lý, NuSMV sẽ đưa ra thông báo hệ thống có thỏa mãn các thuộc tính đó hay không,

nếu hệ thống không thỏa mãn, NuSMV sẽ đưa ra phản ví dụ. NuSMV hỗ trợ cả đặc

tả thuộc tính bằng LTL và CTL.

2.2.2 Kiến trúc của NuSMV

NuSMV có kiến trúc mở, dễ dàng chỉnh sửa, mở rộng hay nâng cấp. Kiến trúc

của NuSMV được chia thành các module. Mỗi module đảm trách một tập hợp các

chức năng và giao tiếp với các module khác qua những giao diện đã được định

nghĩa rõ ràng. Phần lõi và phần ngoại vi của kiến trúc được tách biệt rõ ràng nhằm

giúp cho các module bên trong có thể sử dụng lại một cách độc lập với ngôn ngữ

dùng để mô hình hóa hệ thống.

Kiến trúc của NuSMV (hình 4.1) bao gồm các module sau:

 Kernel: Phần lõi. Module này cung cấp các chức năng ở mức độ thấp như

cấp phát bộ nhớ động, tổ chức các cấu trúc dữ liệu. Module này có thể

6

Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV

Nông Gia Tự

được sử dụng lại như những hộp đen (black-box) với những hàm đã được

mô tả rõ ràng.

 Parser: Bộ phân tích ngữ pháp. Module này xử lý file viết bằng ngôn ngữ

SMV, kiểm tra về mặt cú pháp và xây dựng cấu trúc cây biểu diễn cấu trúc

bên trong của file được xử lý.

 Compiler: Chương trình dịch. Module này có chức năng dịch file SMV sau

khi đã phân tích ngữ pháp sang cây quyết định nhị phân (binary decision

diagram - BDD). Mô hình hệ thống được chuyển thành máy hữu hạn trạng

thái nhờ module này.

 Model Checking: Bộ kiểm chứng mô hình. Module này kiểm tra các thuộc

tính được mô tả bằng CTL và sinh ra các phản ví dụ nếu thuộc tính không

được thỏa mãn bởi mô hình.

 LTL: Module này có chức năng dịch các biểu thức LTL thành các hoạt

cảnh (tableaux) thích hợp để NuSMV có thể xử lý được.

 Interactive shell: Giao diện tương tác dòng lệnh. Module này cung cấp giao

diện người dùng ở chế độ dòng lệnh.

 Graphical user interface: Giao diện đồ họa người dùng. Module này được

xây dựng bên trên module giao diện tương tác dòng lệnh nhằm cung cấp

một giao diện đồ họa trực quan của chương trình cho người sử dụng.

Hình 2.2. Sơ đồ kiến trúc NuSMV [4].

7

Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV

Nông Gia Tự

2.2.3 Sử dụng NuSMV để kiểm chứng mô hình

Để kiểm chứng mô hình bằng NuSMV, chúng ta cần mô tả hệ thống và đặc tả

các thuộc tính bằng ngôn ngữ SMV. Sau đó sử dụng lệnh:

nusmv tên_file

trong đó tên_file là tên của file được viết bằng ngôn ngữ SMV.

8

Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV

Nông Gia Tự

Chương 3

Giới thiệu về logic thời gian

3.1 Khái niệm

Logic thời gian dùng để mô tả các kí hiệu và hệ thống luật về giá trị đúng sai

của các vị từ có tính đến yếu tố thời gian. Khác với logic mệnh đề trong đó mỗi

mệnh đề có tính chất đúng sai rõ ràng mà không quan tâm đến thời điểm đang xem

xét, logic thời gian cho phép biểu diễn các mệnh đề mà giá trị chân lý của nó phụ

thuộc vào thời gian.

Một ví dụ: Với mệnh đề logic: Trời mưa. Theo logic vị từ, mệnh đề này luôn

đúng họăc luôn sai trong bất kì thời điểm nào. Tuy nhiên, giá trị đúng sai của nó có

thể thay đổi theo thời gian. Có thể ngày hôm nay trời mưa nhưng ngày mai trời

không mưa.

Nếu trong logic vị từ, mỗi vị từ chỉ có thể có một giá trị hoặc đúng (bằng 1)

hoặc sai (bằng 0) thì trong logic thời gian, mỗi vị từ được coi như một dãy các giá

trị mà mỗi phần tử của dãy chỉ có thể có giá trị đúng hoặc sai [9]. Nhờ đó, logic thời

gian có thể biểu diễn được sự thay đổi theo thời gian của giá trị các biểu thức logic.

Trong các nghiên cứu về kiểm chứng mô hình, hai loại logic thời gian hay

được xem xét là LTL và CTL [1].

3.2 Các toán tử trong logic thời gian

3.2.1 Toán tử globally (toàn thể)

Toán tử globally kí hiệu là □. Giả sử ϕ là một biểu thức logic vị từ, khi đó biểu

thức □ϕ có giá trị đúng nếu ϕ đúng trong mọi thời điểm. Người ta cũng thường kí

hiệu toán tử này là G.

9

Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV

Nông Gia Tự

3.2.2 Toán tử next (tiếp theo)

Toán tử next kí hiệu là ○. Giả sử ϕ là một biểu thức logic. Có thể coi ϕ như

một dãy trạng thái và trạng thái hiện tại đang xét đến là trạng thái thứ n. Khi đó biểu

thức ○ϕ có giá trị đúng khi và chỉ khi phần tử ngay sau phần tử hiện tại trong dãy

trạng thái ϕ (phần tử thứ n+1) có giá trị đúng. (bằng 1)

Toán tử next thường được kí hiệu bằng chữ cái X.

3.2.3 Toán tử eventually (cuối cùng sẽ xảy ra)

Toán tử eventually kí hiệu là ◊. Giả sử ϕ là một biểu thức logic và ϕ được coi

như một dãy trạng thái mà mỗi phần tử chỉ có giá trị bằng 0 hoặc 1. Khi đó giá trị

biểu thức ◊ϕ bằng 1 khi và chỉ khi ϕ có ít nhất một phần tử có giá trị bằng 1. Toán

tử ◊ được định nghĩa thông qua toán tử □ như sau:

◊ϕ ≡ □ φ

Toán tử eventually thường được kí hiệu bằng chữ cái F.

3.3 TLT và CTL

Các biểu thức temporal logic không chỉ xét đến những dãy trạng thái đơn, mà

còn xét đến những dãy trạng thái phức tạp trong đó từ một trạng thái có thể có nhiều

trạng thái ngay tiếp sau nó. Trong các nghiên cứu về kiểm chứng mô hình, hai loại

logic thời gian hay được xem xét là LTL và CTL:

 LTL (linear-time-temporal logic): Logic thời gian tuyến tính. Thời gian

có cấu trúc tuyến tính, mỗi trạng thái chỉ có một trạng thái ngay tiếp sau

nó.

 CTL (branching-time-temporal logic): Logic thời gian rẽ nhánh. Thời

gian có cấu trúc tuyến tính, mỗi trạng thái có nhiều trạng thái ngay tiếp

sau nó.

Tóm lại, nhờ khả năng xét đến yếu tố thời gian, temporal logic đã được sử

dụng rộng rãi trong công nghệ kiểm chứng phần mềm. Temporal logic thường được

sử dụng để mô tả các thuộc tính cần kiểm chứng.

10

Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV

Nông Gia Tự

3.4 Sử dụng temporal logic để mô tả một số thuộc tính cần

kiểm chứng

3.4.1 Safety (tính an toàn)

Tính an toàn của một chương trình đảm bảo rằng sẽ không bao giờ xảy ra tình

huống xấu trong chương trình (“something bad never happen”).

Tính an toàn có thể được biểu diễn bằng temporal logic như sau:

AG ϕ trong CTL

hoặc

G ϕ trong LTL

Trong đó ϕ là một biểu thức logic.

Ví dụ của tính an toàn:

 Nhiệt độ của phản ứng không bao giờ quá 100 độ C.

 Bất kì lúc nào chìa khóa xe chưa vặn tới vị trí khởi động, xe sẽ không

nổ máy.

3.4.2 Liveness (tính chạy được)

Thuộc tính liveness của một chương trình đảm bảo rằng nó có thể thực thi

được một chức năng “tốt” nào đó đã đặt ra. (“something good will happen

eventually”).

Thuộc tính liveness có thể được biểu diễn bằng các phép kết hợp AF hoặc F

trong temporal logic:

AF done

AG (req → AF grant)

AG AF tick

trong CTL hoặc

F done

11

Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV

Nông Gia Tự

G (req → F grant)

G F tick

trong LTL.

Ví dụ:

 Khi chìa khóa xe vặn tới vị trí khởi động, xe sẽ nổ máy.

 Bóng đèn sẽ chuyển sang màu xanh

3.4.3 Fairness (tính công bằng)

Tính công bằng đảm bảo rằng nếu một sự kiện nào đó ở trạng thái sẵn sàng

được thực thi thì đến một lúc nào đó nó sẽ được thực thi.

Thuộc tính công bằng có thể được biểu diễn bằng các toán tử AF và phép suy

ra:

AG (san_sang=0 → AF thuc_thi=0)

AG (san_sang=1→ AF thuc_thi =1)

Một ví dụ cho tính công bằng trong một hệ thống truyền-nhận tin là khi một

gói tin được gửi đi thì đến một lúc nào đó nó sẽ đến được đích.

12

Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV

Nông Gia Tự

Chương 4

Ngôn ngữ SMV

4.1 Tổng quan

Ngôn ngữ SMV dùng để mô tả các hệ thống hữu hạn trạng thái. Các kiểu dữ

liệu mà ngôn ngữ này cung cấp bao gồm: kiểu logic (boolean), kiểu số nguyên

(bounded interger subrange) và các kiểu dữ liệu liệt kê symbolic enum.

Các mô tả của một hệ thống phức tạp có thể được chia nhỏ thành các module

và mỗi một module này có thể được thực thi nhiều lần.

4.2 Cấu trúc của chương trình viết bằng ngôn ngữ SMV

Một chương trình viết bằng ngôn ngữ SMV có các phần như sau:

MODULE tên_module

VAR

Khai báo các biến.

ASSIGN

Mô tả các bước chuyển trạng thái của hệ thống.

Kết thúc câu lệnh là một dấu chấm phẩy (;).

4.3 Các kiểu dữ liệu

4.3.1 Khai báo kiểu dữ liệu

Các mô tả của một hệ thống phức tạp có thể được chia nhỏ thành các module

và mỗi một module này có thể được thực thi nhiều lần.

Một biểu thức khai báo biến có định dạng như sau:

<tên_biến> : <kiểu_dữ_liệu>;

13

Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV

Nông Gia Tự

Trong đó <tên_biến> là tên của biến cần khai báo, còn < kiểu_dữ_liệu > là

kiểu dữ liệu của biến đó. Ví dụ, khai báo biến request với kiểu dữ liệu là boolean

như sau:

request : boolean;

4.3.2 Kiểu logic (boolean), kiểu số nguyên (integer) và kiểu liệt

kê (enum)

Kiểu logic chỉ chứa giá trị 0 hoặc 1. Ví dụ khi khai báo một biến logic:

var1:boolean

thì biến var1 chỉ có thể có giá trị bằng 1 hoặc 0.

Kiểu liệt kê là một tập hợp các giá trị. Ví dụ, câu lệnh

var1: {ready, willing, able};

khai báo một biến có thể có các giá trị là ‘ready’, ‘willing’, ‘able’. Ngoài ra,

các giá trị của một kiểu biến liệt kê có thể là các số nguyên. Ví dụ như câu lệnh sau

khai báo một biến có tên là count có thể có các giá trị là những số nguyên từ 0 đến

7:

count: 0..7;

Các giá trị số trong khai báo biến cũng có thể là các biểu thức chứa các chữ số

và các toán tử như +, - , *, /, mod, <<, >> và **.

4.3.3 Mảng

Một mảng trong ngôn ngữ SMV được khai báo theo dạng sau:

<tên_biến> : array <x> .. <y> of <kiểu giá trị>

Câu lệnh trên sẽ khai báo một mảng các phần tử có kiểu là <kiểu giá trị>, chỉ

số của phần tử chạy từ <x> đến <y>. Ví dụ, câu lệnh:

var1 : array 2..0 of boolean;

tương đương với khai báo như sau:

var1[2] : boolean;

var1[1] : boolean;

var1[0] : boolean;

Một phần tử của mảng có thể được tham chiếu nhờ chỉ số của nó nằm trong

dấu ngoặc vuông viết sau tên biến. Nhưng chỉ số này cần phải nằm trong khoảng đã

khai báo.

14

Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV

Nông Gia Tự

4.3.4 Mảng nhiều chiều

Một mảng trong ngôn ngữ SMV được khai báo theo dạng sau:

Một mảng hai chiều có thể được coi như một mảng của mảng. Ví dụ, câu lệnh:

matrix : array 0..1 of array 2..0 of boolean;

Tương đương với khai báo sau:

matrix[0] : array [2..0] of boolean;

matrix[1] : array [2..0] of boolean;

Kết quả, ta đã định nghĩa một ma trận với 2 hàng và 3 cột như sau:

matrix[0][0]

matrix[1][0]

matrix[0][1]

matrix[1][1]

matrix[0][2]

matrix[1][2]

Số chiều của mảng là không giới hạn.

Chú ý rằng một mảng trong ngôn ngữ SMV không hoàn toàn là một kiểu dữ

liệu. Nó đơn giản chỉ là một tập hợp các biến đơn lẻ. Điều đó có nghĩa là hoàn toàn

có thể định nghĩa một mảng chứa các phần tử có kiểu dữ liệu khác nhau, bằng cách

khai báo giá trị của từng phần tử trong mảng. Ví dụ:

state[0] : {ready, willing};

state[1] : {ready, willing, able};

state[2] : {ready, willing, able, exhausted};

4.3.5 Kiểu cấu trúc

Kiểu cấu trúc của SMV cũng giống như của các ngôn ngữ lập trình như C,

Java ... Nó là một tập hợp các giá trị. Một biến có kiểu cấu trúc có thể được khai

báo như sau:

foo : struct {

c1 : kiểu_1;

c2 : kiểu_2;

...

cn : kiểu_n;

}

Trong đó c1, c2 ... cn là các tên biến. Khai báo trên tương đương với khai báo

sau:

foo.c1 : kiểu_1;

foo.c2 : kiểu_2;

15

Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV

Nông Gia Tự

..

foo.cn : kiểu_n;

Như vậy, kiểu cấu trúc cũng giống như kiểu mảng ở điểm có thể chứa nhiều

phần tử với những kiểu dữ liệu khác nhau

4.4 Biến và các phép gán

Giá trị của một biến là một chuỗi các giá trị. Chuỗi này không giới hạn về độ

dài và các giá trị của chuỗi phải thuộc kiểu dữ liệu của biến đó. Ví dụ, một biến kiểu

logic có thể có giá trị bằng:

0;1;0;1;

4.5 Các phép toán

Như ta đã biết, giá trị của một biến có thể là một chuỗi các phần tử. Một phép

toán tác động đến từng phần tử đó. Ví dụ, xét trường hợp phép toán NOT, ký hiệu là

“~”, áp dụng cho biến sau:

foo = 0;1;0;1;...

ta được kết quả

~foo = 1;0;1;0;...

Một phép toán khác là phép toán AND, ký hiệu là “&”. Ví dụ:

foo = 0;1;0;1;...

và

bar = 0;0;1;1;...

khi đó

foo & bar = 0;0;0;1;...

4.5.1 Phép gán

Như ta đã biết, giá trị của một biến có thể là một chuỗi các phần tử. Một phép

toán tác động đến từng phần tử đó. Ví dụ, xét trường hợp phép toán NOT, ký hiệu là

“~”, áp dụng cho biến sau:

Phép gán là một biểu thức có dạng:

<tên_biến> := <biểu thức>;

16

Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV

Nông Gia Tự

Trong đó <biểu thức> là một biểu thức kết hợp các biến và các phép toán như

“~” và “&”. Sau khi thực hiện câu lệnh trên, biến ở vế trái sẽ có giá trị bằng giá trị

của biểu thức ở vế phải. Ví dụ, với phép gán:

zip := foo & bar

với các giá trị của biến foo và bar ở trên ta được

zip := 0;0;0;1;...

Các phép gán trong ngôn ngữ SMV được thông dịch đồng thời. Như vậy thật

ra hai phép gán liên tiếp nhau trong một chương trình không có nghĩa là chúng được

thực hiện tuần tự. Ví dụ với hai phép gán trong một chương trình:

y := x + 1;

z := y + 1;

chúng ta có z := x + 2;

4.5.2 Tóan tử next

Các phép gán trong ngôn ngữ SMV được thông dịch đồng thời. Như vậy thật

ra hai phép gán liên tiếp nhau trong một chương trình không có nghĩa là chúng được

thực hiện tuần tự. Ví dụ với hai phép gán trong một chương trình:

Giả sử với x là một biến, khi đó next(x) sẽ là giá trị tiếp theo của x. Nói cách

khác, giá trị thứ i của next(x) bằng giá trị thứ (i+1) của biến x. Ví dụ:

x = 0, 1, 2, 3 ...

thì next(x) = 1, 2, 3, 4 ...

Bằng cách gán giá trị cho giá trị “next” của một biến, chúng ta có thể định

nghĩa được một máy tuần tự. Ví dụ với x và y là hai biến kiểu logic, câu lệnh

next(x) := y ^ x;

định nghĩa một biến x mà sẽ đảo ngược mỗi khi biến y bằng 1. Theo định

nghĩa, (y^x) sẽ trả về giá trị bằng x nếu y sai và bằng ~x nếu y đúng. Tuy nhiên, vì

chưa khai báo giá trị khởi đầu của biến x nên chúng ta sẽ thu được những dãy khác

nhau tùy thuộc vào biến x khởi đầu là 1 hay là 0.

Chúng ta có thể khai báo giá trị khởi đầu của biến x bằng câu lệnh như sau:

init(x) := 0;

Với giá trị khởi đầu này, giả sử với

y = 0; 1; 0; 1 ...

ta được

x = 0; 0; 1; 1; 0 ...

17

Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV

Nông Gia Tự

Mặt khác, nếu ta khai báo

init(x) := 1;

Ta được

x = 1; 1; 0; 0; 1 ...

4.6 Máy trạng thái

Chúng ta có thể khai báo giá trị khởi đầu của biến x bằng câu lệnh như sau:

Một ví dụ về máy hữu hạn trạng thái: Trạng thái bắt đầu là “idle” và chờ đến

khi xuất hiện tín hiệu “start”. Trong chu kì tiếp theo, nó chuyển sang trạng thái

“cyc1”, tiếp đến là “cyc2”, rồi trở lại trạng thái “idle”. Ở trạng thái “cyc2”, nó tạo ra

tín hiệu “done”.

start,done : boolean;

state : {idle,cyc1,cyc2};

next(state) :=

switch(state){

idle: start ? cyc1 : idle;

cyc1: cyc2;

cyc2: idle;

};

done := (state = cyc2);

Đoạn mã trên có sử dụng hai dạng câu lệnh rẽ nhánh. Toán tử switch cũng

giống trong các ngôn ngữ lập trình như C hay Java. Trong trường hợp này nó nhận

đối số đầu vào là giá trị của biến state và nhảy đến nhánh có gán nhãn là giá trị này.

Ví dụ, ban đầu biến state có giá trị là idle, câu lệnh switch(state) sẽ nhảy đến câu

lệnh vế phải của nhãn idle.

Một câu lệnh rẽ nhánh khác sử dụng toán tử “?”. Toán tử này cũng tương tự

trong ngôn ngữ lập trình C. Ví dụ với câu lệnh:

Start ? cyc1 : idle

Nếu start là đúng thì trả về giá trị cyc1, ngược lại trả về idle.

Ngoài ra ngôn ngữ SMV cũng có toán tử if, then dùng để rẽ nhánh tương tự

như trong ngôn ngữ Pascal. Đoạn mã lệnh sau cũng tương tự đoạn mã lệnh phía

trên:

default done := 0;

in switch(state){

18

Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV

Nông Gia Tự

idle:

if start then next(state) := cyc1;

cyc1:

next(state) := cyc2;

cyc2:

next(state) := cyc2;

done := 1;

}

Tuy đoạn mã này có chức năng giống hệt đoạn mã trước nhưng có cấu trúc rõ

ràng và dễ đọc hơn.

Tóm lại, ngôn ngữ SMV là một ngôn ngữ mô tả một máy trạng thái hữu hạn

trong đó không có những phụ thuộc vòng và chuyển trạng thái nhập nhằng. Ngôn

ngữ SMV có thể dùng để thiết lập mô hình dùng cho việc kiểm chứng.

19

Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV

Nông Gia Tự

Chương 5

Áp dụng NuSMV kiểm chứng mô hình

phần mềm giả lập máy ATM

5.1 Đề xuất quy trình đặc tả và kiểm chứng phần mềm sử

dụng NuSMV

5.1.1 Những cơ sở để đưa ra quy trình

Để kiểm chứng một mô hình cần phải thực hiện hai bước: đầu tiên phải mô

hình hóa phần mềm cần kiểm chứng sau đó cần định nghĩa các thuộc tính cần kiểm

chứng. Đối với trường hợp sử dụng NuSMV thì chúng ta cần hai bước là mô hình

hóa bằng ngôn ngữ SMV và khai báo các thuộc tính cần kiểm chứng bằng temporal

logic.

Việc xây dựng mô hình có ý nghĩa vô cùng quan trọng. Nếu mô hình được xây

dựng không chính xác, nó sẽ không mô tả đúng hệ thống cần kiểm chứng. Khi đó,

kết quả kiểm chứng sẽ không còn chính xác nữa. Ngoài ra, do việc xây dựng mô

hình bằng ngôn ngữ SMV được thực hiện thủ công nên có thể xảy ra sai sót. Quy

trình sau được đưa ra với mục đích làm cho việc mô hình hóa trở nên dễ dàng và

đảm bảo độ chính xác cao.

Bản chất của ngôn ngữ SMV là một ngôn ngữ mô tả một máy hữu hạn trạng

thái. Do đó một máy hữu hạn trạng thái và không có các chuyển trạng thái lặp vô

hạn thì sẽ ánh xạ tương ứng một mô hình bằng ngôn ngữ SMV. Dựa vào tính chất

này, chúng ta sẽ tìm cách xây dựng các biểu đồ trạng thái của hệ thống cần kiểm

chứng rồi từ biểu đồ trạng thái xây dựng mô hình bằng ngôn ngữ SMV.

20

Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV

Nông Gia Tự

5.1.2 Mô tả quy trình

Mục tiêu của quy trình này là kiểm chứng phần mềm ở giai đoạn thiết kế hệ

thống. Việc kiểm chứng được thực hiện sau khi đã xây dựng được các biểu đồ trạng

thái của hệ thống cần xây dựng. Đối tượng của kiểm chứng chính là mô hình hoạt

động dự kiến của phần mềm.

Sau đây là diễn giải quy trình một cách chi tiết:

 Bước 1: Xây dựng các đặc tả của hệ thống như thường lệ. Ở bước này

cần xác định rõ những thuộc tính cần kiểm chứng mà hệ thống đòi hỏi.

Các thuộc tính này sẽ được sử dụng để biểu diễn bằng temporal logic

trong bước 3.

 Bước 2: Thiết kế hệ thống. Bước này được thực hiện như thường lệ. Mục

tiêu của bước này là xây dựng được các biểu đồ trạng thái mô tả hoạt

động của hệ thống cần xây dựng.

 Bước 3: Từ biểu đồ trạng thái chúng ta xây dựng mô hình bằng ngôn ngữ

SMV. Các thuộc tính cần kiểm chứng đã được xác định trong bước 1

được đặc tả bằng temporal logic. Đưa các đặc tả thuộc tính này vào file

mô hình hóa bằng ngôn ngữ SMV.

 Bước 4: Sử dụng NuSMV để kiểm chứng mô hình có thỏa mãn các thuộc

tính đã đặc tả hay không.

5.2 Đặc tả và kiểm chứng mô hình phần mềm giả lập máy

ATM

5.2.1 Đặc tả yêu cầu

5.2.1.1 Mô tả bài toán

Mục tiêu của quy trình này là kiểm chứng phần mềm ở giai đoạn thiết kế hệ

thống. Việc kiểm chứng được thực hiện sau khi đã xây dựng được các biểu đồ trạng

thái của hệ thống cần xây dựng. Đối tượng của kiểm chứng chính là mô hình hoạt

động dự kiến của phần mềm.

Để đơn giản và dễ hiểu cho việc minh họa phương pháp trên, chúng ta xét bài

toán: Thiết kế một chương trình phần mềm mô phỏng sự hoạt động của máy ATM.

21