External Memory LTL Model Checking

RNDr. Pavel Šimeček, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Ověřování modelů je stále oblíbenější metodou formální verifikace systémů s vysokými požadavky na bezpečnost. Hlavní překážkou této metody je problém stavové exploze a následná vysoká hardwarová náročnost algoritmů pro ověřování modelů. Tato práce je zaměřena na boj se stavovou explozí za pomoci zapojení vnější paměti, která může mít řádově větší kapacitu než vnitřní paměť. Pro výpočty je pravděpodobně nejvhodnějším typem vnější paměti hard disk. Má dostatečnou rychlost a kapacitu za nízkou cenu. Nevýhoda hard disků je, že mají dlouhou přístupovou dobu, což znamená, že data musí být čtena po blocích, aby byla zachována dostatečná přenosová rychlost. Z těchto důvodů algoritmy pro ověřování modelů musí být znovu navrženy tak, aby se chovaly efektivně vzhledem k počtu vykonaných vstupně-výstupních operací, když je podstatná část stavového prostoru uložena na disku. Tato práce přispívá několika cestami k vývoji takových algoritmů. Za prvé, poskytuje celistvý přehled současného stavu algoritmů pro ověřování modelů používajících vnější paměť. Za druhé, nabízí vstup-výstupně efektivní řešení dvou dobře známých problémů ověřování modelů --- analýzy dosažitelnosti a ověřování LTL vlastností modelů. Za třetí, zkoumá polo-vnější přístup k ověřování modelů, který povoluje uložit konstantní počet bitů na stav ve vnitřní paměti, aby se ušetřily nákladné vstupně-výstupní operace. V tomto uspořádání pak práce představuje nový polo-vnější algoritmus pro ověřování LTL vlastností modelů, který využívá perfektního hašování pro detekci duplikátů již navštívených stavů. Nakonec práce zkoumá složitější hardwarové sestavy --- architektury souběžných systémů a tzv. solid state disky --- za účelem urychlení procesu ověřování modelů. U všech nově navržených algoritmů je analyzována jejich vstupně-výstupní složitost, která vyjadřuje počet vykonaných vstupně-výstupních operací.

Abstract:

Model checking is an increasingly popular method for formal verification of safety-critical systems. The main obstacle of this method is a state explosion problem and consequently high computational requirements of model checking algorithms. This thesis is focused on fighting state explosion by employing external memory, which can have by orders of magnitude larger capacity than internal memory. For computations, probably the most proper external memory device is hard disk. It has a sufficient speed and capacity for a low price. As a drawback, hard disks suffer from long access times, which means than data must be read by blocks in order to preserve a sufficient transfer rate. Therefore, model checking algorithms must be re-designed to behave efficiently w.r.t. the number of performed I/O operations when a substantial part of a state space is stored on disk. The thesis contributes in several ways to development of such algorithms. Firstly, it provides a complete overview of the current status of external memory model checking algorithms. Secondly, it offers I/O-efficient solutions to the two well-known model checking problems --- reachability analysis and LTL model checking. Thirdly, it studies the semi-external approach to model checking which allows to store the constant number of bits per state in internal memory in order to save costly I/O operations. In this setting, it introduces a novel semi-external LTL model checking algorithm that utilizes perfect hashing for detection of already visited states. Last but not least, the thesis investigates more complex hardware configurations --- parallel architectures and solid state disks --- in order to accelerate the model checking process. All newly designed algorithms have been implemented, thoroughly experimentally evaluated and analysed in terms of I/O complexity expressing the number of performed I/O operations.

Keywords

external memory, I/O-efficient, I/O complexity, LTL, model checking, parallel, distributed, flash, SSD

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 22. 10. 2009

Thesis defence

• Date of defence: 26. 1. 2010
• Supervisor: prof. RNDr. Luboš Brim, CSc.
• Reader: Priv.-Doz. Dr. Stefan Edelkamp, doc. Ing. Petr Tůma, Dr.

Masaryk University

Faculty of Informatics

Doctoral programme / field:
Informatics (4-years) / Informatics