Symbolic Model Checking via Program Transformations

Bc. Henrich Lauko

Master's thesis

Abstract:

K zabepečeniu spoľahlivosti softvéru sa bežne využíva testovanie a statická analýza. Ak máme dokázať korektnosť programu, je ale nutné preveriť všetky jeho možné behy. K tomuto účelu sú využívané formálne verifikačné metódy, ktoré tento proces automatizujú. Verifikáciu ale komplikujú vstupy, ktoré spôsobujú veľký nárast možných behov. V tejto práci predstavujeme techniku, ktorá umožňuje verifikačným nástrojom automatizované overovanie programov so vstupmi.Typicky sa tento problém rieši pomocou abstraktnej interpretácie vstupov. V takomto prípade býva abstrakcia implementovaná priamo vo verifikačnom nástroji. My navrhujeme prístup, v ktorom je abstrakcia zakomponovaná do verifikovaného programu v čase kompilácie, čím umožníme verifikáciu aj v prípade, že verifikačný nástroj nepodporuje abstrakciu vstupov. Vloženie abstrakcie do programu sme implementovali ako transformáciu z LLVM do LLVM. Použitelnosť transformácie demonštrujeme pomocou symbolickej reprezentácie, do ktorej prevádzame vstupy. Takto transformovaný program sme schopní verifikovať metódou explicitného overovania modelov. Výsledky využitia transformácie prezentujeme na nástroji DIVINE.

Abstract:

To show reliability of software, developers usually reach out for testing and static analysis. However, to prove correctness, all behaviours of a program need to be checked. In this respect, formal verification methods aim to provide an automated approach to verification. A big obstacle are inputs because they massively increase the number of behaviours of the program. In this thesis, we present a technique which enables verification tools to perform automated checking of programs with inputs. A generally known approach is to interpret operations with input values in an abstract way. In this case, abstraction needs to be implemented in the verification tool. We propose that instead, an abstraction can be compiled into the program. Hence, the program can be verified by a tool even though the tool itself does not support abstraction of inputs. We implement the proposed approach as an LLVM-to-LLVM transformation which inserts an abstraction to the program. The applicability of the approach is demonstrated by transforming programs to represent their inputs symbolically. This, in turn, enables an essentially explicit-state model checker to verify the program. For evaluation purposes, we have chosen DIVINE as the model checker.

Keywords

formal verification, model checking, symbolic model checking, DIVINE, abstraction, LLVM, implementation, program transformation, LART, C, C++

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 13. 12. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 1. 2. 2018
• Supervisor: RNDr. Petr Ročkai, Ph.D.
• Reader: doc. RNDr. Jan Strejček, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Informatics

Master programme / field:
Informatics / Parallel and Distributed Systems