Luận văn Kiểm tra mô hình phần mềm sử dụng lý thuyết Ôtômat buchi và logic thời gian tuyến tính
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
KIỂM TRA MÔ HÌNH PHẦN MỀM
SỬ DỤNG LÝ THUYẾT ÔTÔMAT BUCHI
VÀ LOGIC THỜI GIAN TUYẾN TÍNH
NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
MÃ SỐ:
PHẠM THỊ THÁI NINH
Người hướng dẫn khoa học: TS. HUỲNH QUYẾT THẮNG
HÀ NỘI 2006
1
LỜI CẢM ƠN
Trước hết tôi xin gửi lời cảm ơn đặc biệt nhất tới Thầy TS Huỳnh
Quyết Thắng, người đã định hướng đề tài và tận tình hướng dẫn chỉ bảo tôi
trong suốt quá trình thực hiện bản luận văn cao học này, từ những ý tưởng
trong đề cương nghiên cứu, phương pháp giải quyết vấn đề cho đến những
lần kiểm tra cuối cùng để hoàn tất bản luận văn.
Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Trung tâm Đào tạo
Sau đại học và các thầy cô giáo trong khoa Công nghệ thông tin, trường
Đại học Bách Khoa Hà Nội đã cho tôi nhiều kiến thức quý báu về các vấn
đề hiện đại của ngành công nghệ thông tin, cho tôi một môi trường tập thể,
một khoảng thời gian học cao học tuy ngắn ngủi nhưng khó quên trong
cuộc đời.
Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tới tất cả các bạn bè, các đồng
nghiệp đã động viên tôi trong suốt thời gian thực hiện bản luận văn này.
Cuối cùng tôi xin dành một tình cảm biết ơn sâu nặng tới Bố, Mẹ và
gia đình, những người đã luôn luôn ở bên cạnh tôi trong mọi nơi, mọi lúc
trong suốt quá trình làm bản luận văn cao học này cũng như trong suốt
cuộc đời tôi.
Hà nội, tháng 11 năm 2006
Tác giả
Phạm Thị Thái Ninh
2
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả nêu
trong bản luận văn này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất
cứ công trình nào khác.
TÁC GIẢ LUẬN VĂN
PHẠM THỊ THÁI NINH
3
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... 1
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. 2
MỤC LỤC......................................................................................................... 3
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................. 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ........................................................... 7
LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................... 8
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KIỂM TRA MÔ HÌNH PHẦN MỀM ....... 12
1.1 Lịch sử phát triển .................................................................................. 12
1.2 Kiểm tra mô hình phần mềm................................................................. 15
1.2.1 Khái niệm kiểm tra mô hình ........................................................ 15
1.2.2 Kiểm tra mô hình phần mềm ......................................................... 15
1.3 Phân loại hướng tiếp cận kiểm tra mô hình phần mềm ........................ 19
1.3.1 Cách tiếp cận động......................................................................... 19
1.3.2 Cách tiếp cận tĩnh........................................................................... 19
1.3.4 Kết hợp giữa hai cách tiếp cận tĩnh và động.................................. 19
1.4 Kiểm tra mô hình phần mềm cổ điển và hiện đại ................................. 20
1.5 Kết luận chương.................................................................................... 22
CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT KIỂM TRA MÔ HÌNH PHẦN MỀM ....... 23
2.1 Giới thiệu............................................................................................... 23
2.2 Phương pháp ký hiệu biểu diễn ............................................................ 25
2.3 Phương pháp duyệt nhanh..................................................................... 28
2.4 Phương pháp rút gọn............................................................................. 30
2.4.1 Rút gọn bậc từng phần ................................................................... 30
2.4.2 Tối thiểu hoá kết cấu...................................................................... 32
2.4.3 Trừu tượng hoá............................................................................... 33
2.5 Kỹ thuật xác thực kết cấu...................................................................... 35
2.6 Kết luận chương.................................................................................... 36
CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT KIỂM TRA MÔ HÌNH PHẦN MỀM SỬ DỤNG
LÝ THUYẾT LOGIC THỜI GIAN TUYẾN TÍNH VÀ ÔTÔMAT BUCHI 37
3.1 Bài toán kiểm tra mô hình phần mềm................................................... 37
4
3.2 Mô hình hoá hệ thống phần mềm.......................................................... 38
3.2.1 Vấn đề đặt ra .................................................................................. 38
3.2.2. Hệ thống đánh nhãn dịch chuyển.................................................. 39
3.2.2.1 Các định nghĩa......................................................................... 39
3.2.2.2 Áp dụng mô hình hoá chương trình........................................ 40
3.3 Đặc tả hình thức các thuộc tính của hệ thống ....................................... 43
3.3.1. Vấn đề đặt ra ................................................................................. 43
3.3.2. Logic thời gian .............................................................................. 44
3.3.3. Logic thời gian tuyến tính (Linear Temporal Logic - LTL)......... 44
3.3.3.1 Thuộc tính trạng thái............................................................... 45
3.3.3.2. Cú pháp LTL.......................................................................... 46
3.3.3.3. Ngữ nghĩa của LTL................................................................ 46
3.3.4 Logic thời gian nhánh (Branching Temporal Logic - BTL).......... 50
3.4 Ôtômat đoán nhận các xâu vô hạn ....................................................... 51
3.4.1 Một số khái niệm ôtômat cổ điển:.................................................. 51
3.4.2 Ôtômat Buchi ................................................................................. 53
3.5 Chuyển đổi từ LTL sang Ôtômat Buchi............................................... 55
3.5.1 Tổng quan....................................................................................... 55
3.5.2 Chuẩn hoá về dạng LTL chuẩn...................................................... 56
3.5.3 Biểu thức con ................................................................................. 56
3.5.4 Chuyển đổi từ LTL sang Ôtômat Buchi ........................................ 57
3.5.4.1 Giải thuật chuyển đổi từ LTL sang Ôtômat Buchi ................. 57
3.5.4.2. Ví dụ....................................................................................... 60
3.6 Chuyển từ hệ thống chuyển trạng thái sang Ôtômat Buchi .................. 64
3.7 Tích chập của hai Ôtômat Buchi........................................................... 66
3.7.1 Ôtômat Buchi dẫn xuất .................................................................. 66
3.7.2 Nguyên tắc thực hiện ..................................................................... 66
3.8 Kiểm tra tính rỗng của ngôn ngữ được đoán nhận bởi Ôtômat Buchi.. 68
3.9 Kết luận chương.................................................................................... 70
CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐỂ KIỂM TRA MÔ HÌNH PHẦN
MỀM ............................................................................................................... 72
4.1 Giới thiệu về mô hình SPIN.................................................................. 72
4.2 Cấu trúc SPIN ....................................................................................... 73
4.3 Ngôn ngữ PROMELA........................................................................... 76
4.3.1 Giới thiệu chung về Promela.......................................................... 76
4.3.2 Mô hình một chương trình Promela............................................... 77
5
4.3.5 Tiến trình khởi tạo.......................................................................... 78
4.3.6 Khai báo biến và kiểu..................................................................... 78
4.3.7 Câu lệnh trong Promela.................................................................. 79
4.3.8 Cấu trúc atomic .............................................................................. 81
4.3.9 Các cấu trúc điều khiển thường gặp............................................... 81
4.3.9.1 Câu lệnh điều kiện IF.............................................................. 81
4.3.9.2 Câu lệnh lặp DO...................................................................... 82
4.3.10 Giao tiếp giữa các tiến trình......................................................... 83
4.3.10.1 Mô hình chung ...................................................................... 83
4.3.10.2 Giao tiếp giữa các tiến trình kiểu bắt tay .............................. 85
4.4 Cú pháp của LTL trong SPIN ............................................................... 86
4.5 Minh hoạ kiểm tra mô hình phần mềm với SPIN................................. 86
KẾT LUẬN..................................................................................................... 95
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 98
6
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Số
Từ viết tắt
Giải nghĩa
TT
OBDD
BDD
LTL
1
2
Ordered Binary Decision Diagrams
Binary Decision Diagrams
3
4
5
6
7
8
Linear Temporal Logic
Label Transition System
Branching Temporal Logic
LTS
BTL
DFS
Depth First Search
SPIN
Simple Promela Interpreter
PROMELA Protocol / Process Meta Language
7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình vẽ, đồ thị
Trang
10
Hình 1.1 Mô hình xác thực phần mềm
Hình 1.2 Mô hình logic thời gian
11
Hình 1.3 Mô hình của kiểm tra mô hình phần mềm
Hình 1.4 Kiểm tra mô hình phần mềm gắn với vòng đời phần
mềm
14
17
Hình 2.1: Các cách tiếp cận kiểm tra mô hình phần mềm
Hình 2.2 Các bước cơ bản trong kiểm tra mô hình phần mềm
Hình 2.3: Các cách tiếp cận để điều khiển sự bùng nổ không
gian trạng thái
19
19
20
Hình 2.4 : Cây quyết định nhị phân theo bậc và OBDD cho (a
∧b)∨(c∧d) với thứ tự a<b<c<d
21
24
Hình 2.5 Quản lý không gian trạng thái trong kỹ thuật duyệt
nhanh
Hình 2.6 Minh hoạ phương pháp rút gọn bậc từng phần
Hình 3.1 : Mô hình Logic thời gian tuyến tính (LTL)
Hình 3.2: Mô hình cây BTL
26
36
41
46
59
66
Hình 3.3 Tập các trạng thái của Ôtômat Buchi
Hình 4.1 Cấu trúc của bộ mô hình kiểm tra SPIN
Hình 4.2 Mô hình giao tiếp giữa hai tiến trình
8
LỜI MỞ ĐẦU
Với sự phát triển nhanh tột bậc của lĩnh vực công nghệ thông tin và
truyền thông trên cả các hệ thống phần cứng và phần mềm, khả năng xảy ra
nhiều lỗi, đặc biệt là các lỗi tinh vi là rất cao. Những lỗi này có thể gây ra
những hậu quả nghiêm trọng về tiền bạc, thời gian, thậm chí cuộc sống của
con người. Nhìn chung, một lỗi càng sớm được phát hiện sẽ càng mất ít công
sức để sửa lỗi đó.
• Theo thống kê của Standish Group (2000) trên 350 công ty với
hơn 8000 dự án phần mềm có: 31% dự án phần mềm bị huỷ bỏ
trước khi được hoàn thành. Với các công ty lớn, chỉ có khoảng
9% tổng số các dự án hoàn thành đúng tiến độ và trong ngân
sách dự án ( với các công ty nhỏ, tỷ lệ này vào khoảng 16%)
• Theo thống kê của PCWeek (2001) trên 365 công ty chuyên cung
cấp các dự án phần mềm chuyên nghiệp có: 16% các dự án là
thành công, 53% sử dụng được nhưng không thành công hoàn
toàn, 31% bị huỷ bỏ.
• NIST Study (2002): Lỗi phần mềm gây thiệt hại ước tính 59.5
triệu đô la cho nền kinh tế nước Mỹ mỗi năm chiếm 0.6% GDP.
• Vệ tinh nhân tạo Ariane-5 vào ngày 4/06/1996 chỉ sau 36 giây
rời khỏi bệ phóng đã bị nổ vì lý do lỗi phần mềm: người ta đã sử
dụng 16 bit lưu trữ số nguyên để lưu trữ dữ liệu kiểu thực 64 bit
gây thiệt hại 500 triệu USD…
Trong các ngành công nghiệp, luôn đặt ra một yêu cầu phát triển các
phương pháp luận để có thể tăng độ tin cậy trong việc thiết kế và xây dựng
phần mềm. Các phương pháp luận đó sẽ cải thiện chất lượng và hạ giá thành
cho việc phát triển một hệ thống. Thêm nữa, về mặt lý thuyết, cần phải cung
9
cấp một nền tảng toán học chặt chẽ và đúng đắn cho việc thiết kế các hệ thống
thông tin, để những người xây dựng và phát triển phần mềm có thể kết hợp
giữa kinh nghiệm thực tiễn và lý thuyết.
Một cách tiếp cận truyền thống là xây dựng hệ thống phần mềm bằng
cách đi từ xây dựng mô hình. Những mô hình đó sẽ được chỉnh sửa cho đến
khi đạt được đến độ tin cậy về tính chính xác và đúng đắn. Cách tiếp cận này
có ưu điểm và chi phí thấp hơn so với việc xây dựng hệ thống một cách trực
tiếp. Tuy nhiên, nhược điểm của cách tiếp cận này là sự định tính nhập nhằng
trong việc xây dựng mô hình.
Cách tiếp cận thứ hai là sử dụng việc xác thực hình thức (Formal
Verification) bằng cách xây dựng mô hình toán học của hệ thống, sử dụng
một ngôn ngữ để đặc tả các thuộc tính của một hệ thống. Đồng thời cung cấp
các phương thức để chứng minh mô hình đó thoả mãn các thuộc tính đề ra.
Khi phương thức đó được chứng minh bằng ôtômat, người ta gọi là xác thực
tự động (Automation Verification). Tuy nhiên, các phương thức xác thực đó
chưa thoả mãn các điều kiện cần có với một công cụ tự động như sau:
• Có cơ sở hình thức để xây dựng được các công cụ có tính thực
thi. Công cụ hoặc phương thức đó phải dễ dàng, hữu ích cho
người sử dụng. Do đó, các ký hiệu phải rõ ràng, dễ hiểu với
người sử dụng, có giao diện thân thiện.
• Có khả năng liên kết giữa các giai đoạn trong vòng đời phần
mềm. Dễ dàng tích hợp giữa các pha trong vòng đời phần mềm
• Tính ổn định cao, nhất là với những phần mềm phức tạp.
• Có khả năng phát hiện lỗi và sửa lỗi
Cách tiếp cận thứ 3: Kiểm tra mô hình (Model Checking) là một
phương thức có thể đáp ứng được các yêu cầu trên. Các kỹ thuật truyền thống
đang được sử dụng như kiểm thử (testing) hoặc mô phỏng (simulation)
10
thường không tự động, quá phức tạp hoặc chỉ đưa ra kết quả từng phần.
Chúng có thể tìm ra rất nhiều lỗi nhưng không thể tìm ra tất cả các lỗi nhất là
với những phần mềm tương tranh đa luồng, phần mềm nhúng, phần mềm thời
gian thực, phần mềm hướng đối tượng...Khắc phục những nhược điểm đó, các
giải thuật kiểm tra mô hình đã cung cấp một cách tiếp cận toàn diện và tự
động để phân tích hê thống. Phương pháp kiểm tra mô hình phần mềm là một
kỹ thuật tự động mà: khi cho một mô hình hữu hạn trạng thái của một hệ
thống và một thuộc tính hệ thống cần thoả mãn, kiểm tra xem hệ thống đó có
thoả mãn thuộc tính đưa ra hay không?[1]
Với lợi ích to lớn của kiểm tra mô hình đặc biệt là kiểm tra mô hình
phần mềm, đây trở thành một vấn đề nóng hổi đang được rất nhiều người
quan tâm trên thế giới. Tuy nhiên đây là một vấn đề rất rộng, cộng với tính
phức tạp và mới mẻ của nó nên luận văn sẽ giới hạn nghiên cứu trong xây
dựng giải thuật kiểm tra mô hình phần mềm tối ưu và có bố cục, nội dung như
sau:
Chương 1: Tổng quan về kiểm tra mô hình phần mềm: giới thiệu về định
nghĩa, lịch sử ra đời và phát triển của kiểm tra mô hình phần mềm, các vấn đề
đang được quan tâm và cần giải quyết xung quanh kiểm tra mô hình phần
mềm hiện nay.
Chương 2: Các giải thuật kiểm tra mô hình phần mềm. Trong chương này sẽ
đề cập đến các giải thuật kiểm tra mô hình phần mềm đang được áp dụng hiện
nay. Từ đó sẽ xem xét và đưa ra kiến trúc và giải thuật đề xuất phù hợp nhất
giải quyết các vấn đề đặt ra và cho hiệu năng cao
Chương 3: Đề xuất và xây dựng giải thuật kiểm tra mô hình phần mềm: Đề
cập đến các kiến thức nền tảng nhưng rất mới mẻ như hệ thống chuyển trạng
thái, lôgic thời gian tuyến tính, Ôtômat Buchi… trên cơ sở lý thuyết đó, sẽ đề
xuất xây dựng giải thuật kiểm tra mô hình phần mềm tối ưu nhất.
11
Chương 4: Xây dựng mô hình minh hoạ: Dựa vào giải thuật đề xuất, lựa chọn
công cụ để xây dựng mô hình minh hoạ. Giới thiệu ngôn ngữ PROMELA để
mô hình hoá hệ thống và công cụ SPIN để kiểm tra mô hình phần mềm. Đồng
thời đưa ra các ví dụ về để minh hoạ cơ chế hoạt động của SPIN với các hệ
thống tương tranh.
Kết luận: Tổng kết những gì đã đạt được, đóng góp khoa học của luận văn và
hướng mong muốn phát triển trong tương lai của đề tài.
12
CHƯƠNG I:
TỔNG QUAN VỀ KIỂM TRA MÔ HÌNH PHẦN MỀM
1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
Kiểm tra mô hình phần mềm đã có lịch sử phát triển từ khá sớm với
mục đích đạt được là phải tự động hoá quá trình xác thực các hệ thống, cho
đến nay đã phát triển lên thành nhiều phương pháp luận. Từ những khi bắt
đầu phát triển theo hướng này, người ta đã xác định được điều kiện tiên quyết
của tự động hoá quá trình xác thực gồm 2 yếu tố: ngữ nghĩa hình thức (formal
semantics) và ngôn ngữ đặc tả (specification language). [10]
Trước hết, xác thực là gì? Xác thực là kiểm tra tất cả các hành vi khi
thực thi có phù hợp với đặc tả hay không?
Đặc tả
Specification
(what we want)
Thiết kế
Design
Xác thực
Thực thi
Implement
(what we get)
Hình 1.1 Mô hình xác thực phần mềm
Thời kỳ đầu tiên, khi các hệ thống thông tin chủ yếu là các hệ thống vào ra,
một hệ thống tổng thể là đúng đắn và chính xác nếu từng phần của hệ thống đó
đúng và kết thúc hay đầu ra là đúng đắn. Ở thời kỳ đầu tiên này, ngữ nghĩa hình
thức chính là mối quan hệ vào ra, ngôn ngữ đặc tả là logic một ngôi.
Những năm 60 của thế kỷ 19, khi các hệ thống phản hồi (reactive) xuất
hiện, các hệ thống này không phải chỉ đơn thuần là để tính toán, sự kết thúc
13
có thể không như mong đợi hoặc dễ xảy ra hiện tượng deadlock. Do đó, hệ
thống tổng thể là đúng đắn và chính xác nếu nó thoả mãn các yếu tố: an toàn,
phát triển và tin cậy. Ngữ nghĩa hình thức chính là Ôtômat, các hệ thống dịch
chuyển, ngôn ngữ đặc tả là logic thời gian.
Cùng với sự phát triển của các loại ngôn ngữ lập trình theo xu hướng
ngôn ngữ tự nhiên, người ta cố gắng phân tích và đưa ra những kết luận mang
tính thể thức và liên quan đến thời gian.
Những năm đầu thế kỷ 20: Logic thời gian được hình thức hoá với các
thực thể: always (luôn luôn), sometimes (đôi khi), until (cho đến khi), since
(từ khi)…theo trật tự thời gian từ quá khứ, hiện tại cho đến tương lai.
Năm 1977, Pnueli giới thiệu việc sử dụng logic thời gian như một ngôn
ngữ đặc tả. Các công thức logic thời gian được thông dịch qua cấu trúc
Kripke theo mô hình sau:
Hệ thống thoả mãn các thuộc
Hình thức hoá
Mô hình hoá từ
công thức thời gian
Hình 1.2 Mô hình logic thời gian
Trên cơ sở lý thuyết trên bao gồm mô hình hệ thống và logic thời gian,
từ đó bắt đầu hình thành ý tưởng về việc tự động hoá quá trình xác thực một
vấn đề. Bài toán được phát biểu như sau: Cho một hệ thống M và một công
thức thời gian ϕ, cần tìm một giải thuật để quyết định xem liệu hệ thống M có
thoả mãn công thức đó hay không?
14
Vào cuối những năm 70, đầu những năm 80 người ta thu nhỏ vấn đề
kiểm tra một vấn đề qua các bước sau:
¾ Đưa ra một hệ thống chứng minh để kiểm tra tính đúng đắn dùng
logic
¾ Phân rã hệ thống M thành tập của các công thức F
¾ Chứng minh rằng F thoả mãn ϕ bằng cách sử dụng hệ thống
chứng minh
Sau đó, vấn đề kiểm tra mô hình được đưa ra gồm các bước sau:
¾ Xây dựng và lưu trữ mô hình hệ thống M bằng hệ thống trạng
thái hữu hạn.
¾ Kiểm tra mô hình M có thoả mãn ϕ hay không thông qua định
nghĩa.
Từ đó, vấn đề kiểm tra mô hình được đặt ra để giải quyết các vấn đề về
bùng nổ trạng thái vì số lượng các trạng thái trong một hệ thống gia tăng với
số lượng hàm mũ.
Cuối những năm 80, đầu 90 đã có những kết quả nghiên cứu về vấn đề
này:
¾ Nén (Compress): Biểu diễn tập các trạng thái một cách ngắn gọn
như: Lược đồ quyết định nhị phân (Binary decision diagrams)
¾ Giản lược (Reduce): Không sinh ra những trạng thái không liên
quan.
¾ Trừu tượng (Abstract): Tập hợp các trạng thái tương đương như:
biểu đồ xác thực (verification diagrams), biến đổi các tiến trình
tương đương.
Cuối những năm 90, đầu những năm 2000: áp dụng kiểm tra mô hình
trong các ứng dụng công nghiệp, nhất là thành công trong lĩnh vực xác thực
phần cứng, tiên phong là các tập đoàn: IBM, Intel, Microsoft, Motorola,
15
Samsung, Siement…Có rất nhiều các công cụ thương mại và phi thương mại
áp dụng kiểm tra mô hình như: Formal Check, PEP, SMV, SPIN…
Từ những năm 2000 trở lại đây, lĩnh vực kiểm tra mô hình phần mềm
rất phát triển và là một chủ đề được rất nhiều các người quan tâm, và điều đặc
biệt ở đây, các hệ thống đã được biểu diễn dưới dạng hệ thống vô hạn trạng
thái.
1.2 KIỂM TRA MÔ HÌNH PHẦN MỀM
1.2.1 Khái niệm kiểm tra mô hình
Khái niệm 1: Kiểm tra mô hình (Model Checking) là các phương thức, thuật
toán để xác thực độ tin cậy và hiệu năng của các hệ thống máy tính. Các
phương thức này đối lập với phương thức chứng minh lập luận sử dụng
phương pháp suy diễn. [6]
Khái niệm 2: Là một kỹ thuật tự động để xác thực các hệ thống tương tranh
hữu hạn trạng thái. [6]
Khái niệm 3: Là một kỹ thuật tự động để xác thực các thuộc tính, hành vi của
một mô hình của một hệ thống bằng cách duyệt tất cả các trạng thái của hệ
thống đó. [6]
Kiểm tra mô hình được chia làm 2 loại:
• Kiểm tra mô hình phần cứng
• Kiểm tra mô hình phần mềm
Trong khuôn khổ của luận văn, sẽ chỉ xét đến kiểm tra mô hình phần mềm.
1.2.2 Kiểm tra mô hình phần mềm
Kiểm tra mô hình phần mềm (Software model checking) có hai ý nghĩa chính:
¾ Kiểm tra mô hình phần mềm với mục đích chính là kiểm thử, xác thực
xem hệ thống có thoả mãn một số thuộc tính, tính chất nào đó hay
16
không. Khi đó, hệ thống được biểu diễn dưới dạng đồ thị các trạng thái,
gọi là mô hình, các trạng thái này được liên kết với nhau bởi các bước
chuyển trạng thái. Mỗi bước chuyển trạng thái tương ứng với một bước
của chương trình được biểu diễn bằng toán học ngữ nghĩa hoặc ngôn
ngữ máy. Các thuộc tính của phần mềm sẽ được kiểm tra bằng cách
duyệt toàn bộ đồ thị.
¾ Kiểm tra mô hình phần mềm còn mang ý nghĩa logic tính toán nhằm
kiểm tra xem hệ thống phần mềm có thể biểu diễn dưới dạng một mô
hình công thức logic thời gian (temporal logic) hay không? Do đó, từ
mô hình không chỉ mang ý nghĩa là việc đặc tả hành vi một cách trừu
tượng mà còn là biểu diễn hành vi của hệ thống.
Trong kiểm tra mô hình phần mềm, các thuộc tính cần thoả mãn được
biểu diễn bằng logic thời gian hoặc bằng các Ôtômat. Sau đó, sẽ thực hiện
phép duyệt toàn bộ không gian trạng thái để kiểm tra xem hệ thống có thoả
mãn các tính chất đó hay không, hay là một mô hình như đặc tả của nó hay
không. Vì vậy người ta gọi đó là kiểm tra mô hình. Khi hệ thống và đặc tả của
hệ thống được mô hình hoá bằng Ôtômat hữu hạn trạng thái, hệ thống sẽ được
so sánh với đặc tả để kiểm tra xem các hành vi của hệ thống có phù hợp với
đặc tả hay không.
Do đó, kiểm tra mô hình phần mềm còn được định nghĩa là một kỹ
thuật tự động mà: khi cho một mô hình hữu hạn trạng thái của một hệ thống
và một thuộc tính hệ thống cần thoả mãn, kiểm tra xem hệ thống đó có thoả
mãn thuộc tính đưa ra hay không?
Để kiểm tra mô hình phần mềm sẽ phải qua 3 bước cơ bản sau:
¾ Mô hình hoá hệ thống (System Modelling): Mô hình hoá hệ thống phần
mềm theo phương pháp thủ công hoặc tự động bằng cách phân rã phần
17
mềm bằng một số trình biên dịch nào đó để có được một mô hình đầy
đủ và chính xác.
¾ Đặc tả các thuộc tính (Properties Specification): Sử dụng một ngôn ngữ
nào đó để diễn tả đặc tả hệ thống, thông thường sử dụng logic thời gian
hoặc sử dụng Ôtômat.
¾ Xác thực (Verification): Kiểm tra tính phù hợp, đúng đắn giữa mô hình
phần mềm và đặc tả của phần mềm đó.
Các giai đoạn của việc kiểm tra mô hình phần mềm được biểu diễn như sau
(hình 1.3):
Thiết kế lại
Mã nguồn
Mô hình hoá
Thuộc tính
Bộ kiểm tra mô hình
Thoả mãn
Vi phạm
Thoả mãn
Thuộc tính
Vết
lỗi
Hình 1.3 Mô hình của kiểm tra mô hình phần mềm
Từ chương trình nguồn, ta sẽ mô hình hoá chương trình đó. Sau đó, sử
dụng bộ kiểm tra mô hình để kiểm tra xem mô hình có thoả mãn thuộc tính đề
ra hay không. Nếu không vi phạm, sẽ đưa ra kết luận hệ thống thoả mãn thuộc
tính. Ngược lại, nếu không thoả mãn thuộc tính đó, bộ kiểm tra mô hình sẽ chỉ
ra những chỗ lỗi và quay lại quá trình thiết kế, lập trình.
18
Lợi ích của kiểm tra mô hình phần mềm:
¾ Kiểm tra mô hình phần mềm được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực:
phần cứng, phần mềm, các hệ thống giao thức, mang lại lợi ích kinh
tế cho nhiều ngành khác nhau, đặc biệt trong ngành công nghiệp.
¾ Cho phép xác thực các thuộc tính với những phần liên quan nhiều
nhất tới thuộc tính đó, vì vậy một thuộc tính hay điều kiện phức tạp
sẽ được chia nhỏ thành nhiều phần để áp dụng vào nhánh đồ thị nào
liên quan đến phần thuộc tính đó nhất nhằm nâng cao tốc độ xử lý.
¾ Khi thuộc tính bị vi phạm, chương trình sẽ đưa ra các biến đếm của
chương trình để chỉ ra lỗi ở trong mô hình
¾ Không giống như kiểm thử là luôn mong muốn sinh ra các trường
hợp kiểm thử để bao gồm nhiều nhất các tình huống hoặc kịch bản
có thể, kiểm tra mô hình luôn đảm bảo duyệt được hết tất cả các tình
huống, hay tất cả các trạng thái của mô hình.
Kiểm tra mô hình phần mềm còn có một số điểm hạn chế sau:
¾ Kiểm tra mô hình tập trung chủ yếu vào hướng điều khiển các ứng
dụng vì vậy không hướng nhiều vào dữ liệu
¾ Bất cứ một phép kiểm tra và xác thực nào sử dụng kiểm tra mô hình
chỉ tốt khi và chỉ khi mô hình hoá hệ thống đó tốt. Nếu hệ thống đó
mô hình hoá không đầy đủ sẽ xảy ra rất nhiều sai sót khi xác thực,
hoặc đưa ra các lỗi sai.
Tuy nhiên, kiểm tra mô hình phần mềm là một công cụ hữu hiệu để tìm lỗi và
có khả năng tìm được những lỗi tiềm tàng khác.
19
1.3 PHÂN LOẠI HƯỚNG TIẾP CẬN KIỂM TRA MÔ HÌNH PHẦN
MỀM
Có 2 cách tiếp cận kiểm tra mô hình phần mềm: tiếp cận động và tiếp
cận tĩnh
1.3.1 Cách tiếp cận động
Thường áp dụng với ngữ nghĩa động, và được coi như sản phẩm của
các tiến trình trên Linux. Các tiến trình được kết nối với nhau bằng các toán
tử thực thi trên com.objects. Các toán tử trên com.object là nhìn thấy được,
ngược lại các toán tử khác là bị ẩn. Khi đó, chỉ các toán tử hiện mới có thể bị
khoá. Hệ thống là một trạng thái tổng thể mà các toán tử tiếp theo của mỗi
tiến trình đều được hiện. Không gian trạng thái chính là hợp của trạng thái
tổng thể và đường đi giữa chúng. [7]
1.3.2 Cách tiếp cận tĩnh
Lặp giữa các quá trình: Trừu tượng (Abstract) - Kiểm tra (Check) – Làm
mịn (Refine): [7]
¾ Trừu tượng hoá (Abstract): sinh ra một máy trừu tượng dựa vào
phân tích chương trình tĩnh.
¾ Kiểm tra (Check): Kiểm tra mô hình với máy trừu tượng
¾ Làm mịn (Refine): Trừu tượng hoá các vết lỗi của code, sau đó quay
trở lại bước 1.
1.3.4 Kết hợp giữa hai cách tiếp cận tĩnh và động
Hai cách tiếp cận tĩnh và động như vừa đề cập có những đặc tính khác
biệt nhau như sau:
¾ Ý tưởng
20
o Tiếp cận tĩnh: duyệt toàn bộ code để sinh ra một môi trường
trừu tượng có thể phân tích sử dụng kiểm tra mô hình
o Tiếp cận động: điều khiển thực thi đa tiến trình
¾ Ngôn ngữ:
o Tiếp cận tĩnh: Không yêu cầu thực thi nhưng ngôn ngữ là phụ
thuộc vào chương trình
o Tiếp cận động: Ngôn ngữ độc lập với yêu cầu thực thi chương
trình
¾ Lưu vết lỗi:
o Tiếp cận tĩnh: Có thể sinh ra các vết lỗi sai, có thể chứng
minh được sự đúng đắn của mô hình trên lý thuyết, nhưng
chưa chứng minh được trong thực hành
o Tiếp cận động: Vết lỗi tăng theo khối lượng code
Dựa vào đó, người ta đề xuất một cách tiếp cận kết hợp giữa hai cách tiếp cận
tĩnh và động trong kiểm tra mô hình phần mềm để tận dụng được những ưu
điểm của cả hai cách tiếp cận đó.
Mô hình kết hợp gồm các bước sau: [7]
¾ Tự động triển khai giao diện của chương trình từ mã nguồn của
chương trình.
¾ Sinh ra các trình điều khiển kiểm thử (test driver) cho việc kiểm thử
ngẫu nhiên thông qua giao diện ở bước 1
¾ Sinh ra các kiểm thử tự động để thực thi trực tiếp thông qua các
đường đi thay đổi của chương trình.
1.4 KIỂM TRA MÔ HÌNH PHẦN MỀM CỔ ĐIỂN VÀ HIỆN ĐẠI
Quy trình phát triển phần mềm theo mô hình thác nước được biểu diễn như
sau: [17]
21
Khảo sát
Phân tích
Thiết kế
Lập trình
Kiểm thử
Bảo trì
Kiểm tra mô hình
cổ điển
Kiểm tra mô hình
hiện đại
Hình 1.4 Kiểm tra mô hình phần mềm gắn với vòng đời phần mềm
Phương pháp kiểm tra mô hình cổ điển được xây dựng dựa trên 3 pha:
phân tích, thiết kế và lập trình. Sau khi phân tích, thiết kế, người ta sẽ mô hình
hoá hệ thống, sau đó sử dụng công cụ kiểm tra mô hình phần mềm để kiểm tra
xem hệ thống đó có thoả mãn các thuộc tính đặt ra hay không? Nếu có thoả
mãn, sẽ đi đến bước lập trình, nếu không, sẽ thiết kế lại mô hình hệ thống.
Tuy nhiên, phương pháp kiểm tra mô hình hiện đại xây dựng dựa trên 2 pha:
lập trình và kiểm thử. Sau khi lập trình, từ mã nguồn sẽ xây dựng ra mô hình
hệ thống dưới dạng mô hình trạng thái, sử dụng công cụ kiểm tra mô hình để
tìm ra kết luận. Biện pháp này sẽ thay thế cho việc kiểm thử, vì nó sẽ bao quát
được tất cả các trường hợp.
Trong cả hai phương pháp kiểm tra mô hình cổ điển và hiện đại, trừu
tượng hoá đều được coi là một hoạt động chính. Ở phương pháp tiếp cận cổ
điển từ pha thiết kế, phải trừu tượng hoá một cách thủ công, sau đó từ mô
hình xác thực trừu tượng, nhờ kỹ thuật làm mịn sẽ dẫn đến pha thực thi. Ở
22
phương pháp tiếp cận hiện đại, từ mô hình xác thực trừu tượng, dựa vào kỹ
thuật trừu tượng hoá sẽ dẫn đến pha thực thi.
1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG
Với mục đích kiểm tra một hệ thống được mô hình hoá có thoả mãn
một thuộc tính cho trước hay không, lĩnh vực kiểm tra mô hình phần mềm đã
tiến xa hơn kiểm thử tự động vì có thể bao quát được tất cả các trường hợp
thuộc hệ thống một cách tự động, do đó là một vấn đề đã và đang rất được
quan tâm hiện nay. Kiểm tra mô hình phần mềm đều phải đi qua ba bước đó
là mô hình hoá hệ thống, đặc tả các thuộc tính và xác thực tính hệ thống có
thoả mãn thuộc tính đó hay không. Để giải quyết từng bước trong các pha đó,
có rất nhiều các kỹ thuật kiểm tra mô hình phần mềm được đề xuất nhằm mục
đích tối ưu hoá bài toán được trình bày ở chương 2 tiếp theo.
23
CHƯƠNG 2:
CÁC KỸ THUẬT KIỂM TRA MÔ HÌNH PHẦN MỀM
2.1 GIỚI THIỆU
Kiểm tra mô hình dựa trên việc tạo ra mô hình hữu hạn của hệ thống và
kiểm tra mô hình đó với các thuộc tính đặt ra của phần mềm. Mô hình của hệ
thống được biểu diễn dưới dạng máy trạng thái hữu hạn. Sau đó, ta phải tìm
cách để hoàn thành việc duyệt toàn bộ không gian trạng thái để kiểm tra mô
hình đó có thoả mãn với đặc tả hay không. Đặc tả hệ thống thường được biểu
diễn dưới dạng logic thời gian (temporal logic) hoặc Ôtômat, do đó sẽ có 2
cách tiếp cận việc kiểm tra mô hình: đó là kiểm tra mô hình thời gian và kiểm
tra mô hình theo lý thuyết ôtômat (Hình 2.1)
KIỂM TRA MÔ HÌNH
LOGIC THỜI GIAN
LÝ THUYẾT ÔTÔMAT
Hình 2.1: Các cách tiếp cận kiểm tra mô hình phần mềm
Kiểm tra mô hình phần mềm đang có xu hướng rất đang phát triển hiện nay
và thông thường theo các bước sau:
Chương
trình
nguồn
Mô
hình
trừu
tượng
Xác thực
mô hình
Đúng
Sai, thông báo
vết lỗi
Làm mịn quá trình trừu tượng
Hình 2.2 Các bước cơ bản trong kiểm tra mô hình phần mềm
24
• Kiểm tra mô hình tuỳ chọn theo ngôn ngữ lập trình bằng quá trình trừu
tượng từ động ở mức độ mã nguồn.
• Trừu tượng và dịch tự động dựa trên sự chuyển đổi sang trừu tượng
kiểu mới cho kiểm tra mô hình
• Làm mịn quá trình trừu tượng hầu hết được tự động.
Với bất cứ kỹ thuật kiểm tra mô hình phần mềm nào đều phải giải
quyết một vấn đề khó khăn nhất đó là: bùng nổ không gian trạng thái. Không
gian trạng thái của việc kiểm tra mô hình thường là tuyến tính nhưng không
gian trạng thái của hệ thống lại thường tăng theo hàm mũ (hoặc hơn thế nữa).
Do đó, thách thức kỹ thuật chủ yếu trong việc kiểm tra mô hình là thiết kế các
phương thức và các cấu trúc dữ liệu để giải quyết được không gian trạng thái
lớn như vậy. Có một số phương pháp để có thể tránh sự bùng nổ trạng thái,
trong đó có 4 phương pháp chính đó là: Biểu diễn ký hiệu (Symbolic
representation), Duyệt nhanh (On the fly), Rút gọn (Reduction), Xác thực kết
cấu (Compositional reasoning) (Hình 2.3). [2]
Xác thực
kết cấu
Biểu diễn
kí tự
Duyệt
nhanh
Rút gọn
Rút gọn bậc
từng phần
Tối thiểu hoá
kết cấu
Trừu tượng hoá
Hình 2.3: Các cách tiếp cận để điều khiển sự bùng nổ không gian trạng thái
25
Các kỹ thuật biểu diễn ký hiệu tránh việc bùng nổ trạng thái bằng cách
thể hiện hệ thống dưới dạng chuyển trạng thái một cách hoàn toàn, sử dụng
lược đồ quyết định nhị phân. Vì vậy mô hình của hệ thống được biểu diễn
bằng các ký hiệu mà không cần sự xây dựng một cấu trúc dữ liệu hiệu quả.
Kỹ thuật duyệt nhanh (On-the-fly) bao gồm việc xác thực hệ thống trong khi
sinh ra nó. Nó mô phỏng mọi chuỗi chuyển trạng thái có thể có của hệ thống
bằng cách duyệt đồ thị theo chiều sâu mà không cần lưu trữ các dịch chuyển,
quá trình tìm kiếm kết thúc sau khi có một lỗi bất kỳ được tìm ra, giúp ta
không phải duyệt toàn bộ hệ thống ngay từ đầu. Kỹ thuật giản lược
(Reduction) dựa trên việc chuyển đổi vấn đề xác thực sang một vấn đề tương
đương nhưng với không gian trạng thái nhỏ hơn. Cuối cùng, đó là kỹ thuật
xác thực kết cấu (Compositional Verification) dựa trên việc định nghĩa các
thuộc tính cục bộ của các hệ thống con xem có thoả mãn các tính chất đề ra
của toàn bộ hệ thống. Bằng cách này, không cần phải sinh đồ thị trạng thái
tổng thể, vì các thuộc tính đã được các hệ thống con kiểm tra.
2.2 PHƯƠNG PHÁP KÝ HIỆU BIỂU DIỄN
Phương pháp ký hiệu biểu diễn (Symbolic representation) dựa trên việc
sử dụng hoàn toàn mô hình trạng thái hữu hạn để biểu diễn một hệ thống.
Cách biểu diễn thông thường là sử dụng kết hợp những hàm và toán tử logic
gọi là Lược đồ quyết định nhị phân theo bậc(Ordered Binary Decision
Diagrams – OBDD). Cách biểu diễn sử dụng OBDD có 3 ưu điểm chính: phù
hợp với những lớp các hàm Boolean lớn, phù hợp với yêu cầu đưa ra đảm bảo
thứ tự của biến đầu vào, có thể thao tác trực tiếp để hoàn thành tất cả các toán
tử Boolean cơ bản một cách có hiệu quả. [2]
26
Hình 2.4 : Cây quyết định nhị phân theo bậc và OBDD cho (a ∧b)∨(c∧d) với
thứ tự a<b<c<d
Một OBDD tương tự như một cây nhị phân quyết định, ngoại trừ cấu
trúc của nó là một đồ thị bán liên thông có hướng, không đơn thuần là một
cây, và có một sự quy định chặt chẽ thứ tự xuất hiện của các biến khi cây
được duyệt từ gốc tới các lá. Đặc biệt hơn, OBDD biểu diễn một hàm logic f
bằng cách giảm đi từ cây quyết định thứ tự nhị phân một số cấu trúc liên quan
(Hình 2.4). Để lấy được giá trị thực tương ứng với một dãy giá trị của các
biến trong f, ta phải duyệt cây nhị phân quyết định từ gốc tới các lá. Tại mỗi
nút, giá trị của biến tương ứng sẽ quyết định đường đi tiếp theo: hoặc theo con
trái hoặc theo con phải nếu giá trị của các nhãn được đánh nhãn là false/true
hoặc 0/1. Do đó, cách thể hiện này được gọi là ký hiệu (symbolic), và giải
thuật kiểm tra mô hình làm việc thực hiện thông qua biểu diễn ký hiệu được
gọi là kiểm tra mô hình ký hiệu. Các giá trị trên cây xuất hiện theo thứ tự bậc
tăng dần từ gốc tới các lá. Mô hình OBDD được tinh giảm từ cây nhị phân
quyết định bằng cách hợp các nhánh giống nhau trên cây thành một cây đơn,
và loại bỏ bất kỳ nút nào có các con trái hoặc phải là giống nhau. (Hình 2.4)
OBDD là một cấu trúc dữ liệu để biểu diễn ký hiệu của các tập trở nên
thông dụng cho việc kiểm tra mô hình bởi vì chúng có những đặc tính sau:
27
¾ Mọi hàm Boolean đều là duy nhất, biểu diễn bằng BDD. Nếu bắt buộc
phải chia sẻ các nút BDD, sự tương đương giữa hai hàm có thể được
quyết định trong một thời gian hằng số.
¾ Các toán tử Boolean như: phủ định, phép kết nối,…có thể được thực
hiện từng phần để giảm tính phức tạp.
¾ Phép chiếu được thực hiện một cách dễ dàng, trong trường hợp xấu
nhất độ phức tạp có thể lên tới hàm mũ
Mô hình trạng thái hữu hạn của một hệ thống có thể biểu diễn dưới
dạng OBDD như trên. Mỗi trạng thái được mã hoá bằng một phép gán các giá
trị logic cho tập các biến tương ứng của hệ thống. Quá trình xử lý này được
thực hiện hoàn toàn trong suốt với người sử dụng bằng các công cụ hỗ trợ
phương pháp ký hiệu biểu diễn. Chuyển quan hệ có thể diễn giải bằng các
hàm Boolean dưới dạng hai tập các biến, một tập để mã hoá trạng thái hiện
thời, và một tập để mã hoá trạng thái mới.
Tiếp cận theo phương pháp ký hiệu biểu diễn tránh được việc xây dựng
biểu đồ trạng thái của hệ thống. Do đó, vấn đề không còn là kích cỡ của
không gian trạng thái mà chính là kích cỡ của cách thể hiện OBDD. Trong
những trường hợp thông thường nó có khả năng xác thực các hệ thống với
quy mô lớn nhưng không toàn diện trên tất cả không gian trạng thái.
Các giải thuật dựa OBDD chưa thể thay thế hết các giải thuật khác vì
nó không thể hoàn thành tốt trong mọi trường hợp. Trên thực tế, kích cỡ của
OBDD chủ yếu dựa vào bậc của biến. Vấn đề ở đây là tìm ra bậc hoặc thứ tự
mà trả về cây tối thiểu là một bài toán NP đầy đủ. Có một số các heuristic đã
được phát triển để tìm ra một thứ tự biến tốt nếu thứ tự đó tồn tại. Tuy nhiên
có rất nhiều các hàm Boolean có kích cỡ là hàm mũ với mọi bậc của biến.
28
2. 3 PHƯƠNG PHÁP DUYỆT NHANH
Kỹ thuật duyệt nhanh (On the fly) thực hiện bằng cách hoàn thành tất
cả các phép duyệt đến tất cả các trạng thái hoặc các chuyển trạng thái. Do đó,
không cần thiết phải lưu trữ toàn bộ đồ thị trạng thái của toàn hệ thống. Trên
thực tế, sự bùng nổ không gian trạng thái có thể làm cho hầu hết các hệ thống
khó có thể thực thi được. Kỹ thuật này mô phỏng tất cả các chuyển trạng thái
có thể của hệ thống có thể thực hiện được. Sau đó, sử dụng giải thuật truyền
thống tìm kiếm theo chiều sâu để phân rã, khảo sát hệ thống để thực hiện kỹ
thuật duyệt nhanh mà không phải lưu trữ các chuyển trạng thái trong quá trình
tìm kiếm. Kỹ thuật này sẽ làm giảm yêu cầu bộ nhớ khi thực hiện. [2]
Trong lần duyệt đồ thị theo chiều sâu đầu tiên, đường đi hiện thời sẽ
yêu cầu bộ nhớ nhỏ nhất. Kỹ thuật phải đáp ứng được yêu cầu của bài toán là
giảm khối lượng bộ nhớ yêu cầu trong khi vẫn đảm bảo duyệt toàn bộ các
trạng thái. Mỗi trạng thái chỉ được lưu trữ một lần khi nó được đến thăm. Do
vậy, với các đồ thị phức tạp, sẽ không thể lưu trữ được tất cả các trạng thái.
Có rất nhiều các biện pháp được đề nghị để cố gắng dung hoà giữa hai chiến
lược trên.
Cộng với việc lưu trữ đường đi hiện thời, bộ nhớ đệm không gian trạng
thái (state space caching) tạo ra một bộ đệm gồm các trạng thái đã được đến
thăm. Ban đầu tất cả các trạng thái đã đến thăm được lưu trữ cho đến khi nó
điền đầy bộ nhớ đệm. Khi đó, các trạng thái cũ sẽ được thay dần dần bằng các
trạng thái mới. Hiệu quả của việc sử dụng bộ đệm lưu trữ không gian trạng
thái phụ thuộc vào kích cỡ của bộ đệm và phụ thuộc vào cấu trúc của không
gian trạng thái. Một nhiệm vụ hết sức phức tạp và không thể đoán trước đó là
tìm ra cách thiết lập một bộ đệm tối ưu vì nếu không sẽ làm tăng thời gian
thực thi cực nhanh. Như trên đã trình bày, thời gian thực thi cần thiết tăng vọt
là do sự bùng nổ gấp nhiều lần của các phần trong không gian trạng thái
Tải về để xem bản đầy đủ
102 trang
13/04/2025
130
Bạn đang xem 30 trang mẫu của tài liệu "Luận văn Kiểm tra mô hình phần mềm sử dụng lý thuyết Ôtômat buchi và logic thời gian tuyến tính", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên.
File đính kèm:
- luan_van_kiem_tra_mo_hinh_phan_mem_su_dung_ly_thuyet_otomat.pdf
