An Object-Oriented Framework for Explicit-State Model Checking

This paper presents a conceptual architecture for an object-oriented framework to support the development of formal verification tools (i.e. model checkers). The objective of the architecture is to support the reuse of algorithms and to encourage a modular design of tools. The conceptual framework is accompanied by a C++ implementation which provides reusable algorithms for the simulation and verification of explicit-state models as well as a model representation for simple models based on guard-based process descriptions. The framework has been successfully used to develop a model checker for a subset of PROMELA

Platform Dependent Verification: On Engineering Verification Tools for 21st Century

The paper overviews recent developments in platform-dependent explicit-state LTL model checking.Comment: In Proceedings PDMC 2011, arXiv:1111.006

A computational group theoretic symmetry reduction package for the SPIN model checker

Symmetry reduced model checking is hindered by two problems: how to identify state space symmetry when systems are not fully symmetric, and how to determine equivalence of states during search. We present TopSpin, a fully automatic symmetry reduction package for the Spin model checker. TopSpin uses the Gap computational algebra system to effectively detect state space symmetry from the associated Promela specification, and to choose an efficient symmetry reduction strategy by classifying automorphism groups as a disjoint/wreath product of subgroups. We present encouraging experimental results for a variety of Promela examples

Graph- versus Vector-Based Analysis of a Consensus Protocol

The Paxos distributed consensus algorithm is a challenging case-study for standard, vector-based model checking techniques. Due to asynchronous communication, exhaustive analysis may generate very large state spaces already for small model instances. In this paper, we show the advantages of graph transformation as an alternative modelling technique. We model Paxos in a rich declarative transformation language, featuring (among other things) nested quantifiers, and we validate our model using the GROOVE model checker, a graph-based tool that exploits isomorphism as a natural way to prune the state space via symmetry reductions. We compare the results with those obtained by the standard model checker Spin on the basis of a vector-based encoding of the algorithm.Comment: In Proceedings GRAPHITE 2014, arXiv:1407.767

Enhancing state space reduction techniques for model checking

Model-checking is een techniek voor het automatisch opsporen van fouten in en de verificatie van hardware en software. De techniek is gebaseerd op het doorzoeken van de globale toestandsruimte van het systeem. Deze toestandsruimte groeit vaak exponentieel met de grootte van de systeembeschrijving. Als gevolg hiervan is een van de voornaamste knelpunten in model-checking de zogenaamde toestandsexplosie. Er bestaan veel aanpakken om met dit probleem om te gaan. We presenteren verbeteringen van sommige bestaande technieken voor reductie van de toestandsruimte die gebaseerd zijn op expliciete enumeratie van die ruimte. We schenken vooral aandacht aan het verbeteren van verscheidene algoritmen die, hoewel ze slechts een deel van de toestandsruimte onderzoeken, nog steeds gegeven een eigenschap kunnen bewijzen of weerleggen. In het bijzonder is ons onderzoek toegespitst op twee typen reducties. Het eerste type, parti¨eleordening (PO) reductie, buit de onafhankelijkheid van acties in het systeem uit. Het tweede type is een klasse van reducties die voordeel halen uit symmetrie¨en van het systeem. De voornaamste bijdragen van dit proefschrift in verband met de parti¨ele ordening reductie zijn de volgende: – Het gebruik van systeemhi¨erarchie voor effici¨entere parti¨ele-ordening reductie door klustering van processen – De meeste model-checking technieken beschouwen het model als een platte compositie van processen. We laten zien hoe de reductie kan profiteren van de systeemstructuur door uitbuiting van de hi¨erarchie in het systeem (Hoofdstuk 2). – Correcte syntactische criteria om onafhankelijke acties te vinden voor parti¨ele ordening reductie voor systemen met synchronizerende communicaties die gecombineerd zijn met prioriteit-keuze en/of zwakke fairness (Hoofdstuk 3). – Parti¨ele-ordening reductie voor discrete tijd – We laten zien hoe het algoritme voor parti¨ele ordening reductie zonder tijd aangepast kan worden, in het geval tijd gerepresenteerd wordt middels gehele getallen (Hoofdstuk 4). De bijdragen betreffende symmetrie-gebaseerde reducties kunnen als volgt samengevat worden: – Effici¨ente heuristieken voor het vinden van representanten van equivalentieklassen voor symmetrie-gebaseerde reductie (Hoofdstuk 6). – Een effici¨ent algoritme voor model-checking onder zwakke fairness met toestandsruimte reductietechnieken die gebaseerd zijn op symmetrie (Hoofdstuk 7). Het succes van model-checking is voornamelijk gebaseerd op de relatief gemakkelijke implementatie in software gereedschappen. Bijna alle bovengenoemde theoretische resultaten zijn ge¨implementeerd in de praktijk en de ontwikkelde prototype implementaties zijn ge¨evalueerd in praktijkstudies. Het meeste implementatie werk is gerelateerd aan de model checker Spin. Van de praktische bijdragen in dit document noemen we: – DT Spin – een uitbreiding van Spin met discrete tijd die het in het proefschrift gepresenteerd discrete-tijd PO reductie algoritme bevat (Hoofdstuk 4). – if2pml – een vertaler van de modelleertaal IF naar Spins invoertaal Promela, die als het tweede deel van een vertaler van SDL naar Promela bedoeld is (Hoofdstuk 5). – SymmSpin – een symmetrie-reductie pakket voor Spin, gebaseerd op de heuristiek beschreven in dit proefschrift (Hoofdstuk 6). De implementaties zijn getest op voorbeelden uit de literatuur en het bedrijfsleven met bemoedigende resultaten. In het bijzonder noemen we MASCARA – een industrieel protocol dat draadloze communicatie met ATM combineert (Hoofdstuk 5). De experimenten zijn niet alleen een aanwijzing voor de kwaliteit van de resultaten en de implementatie, maar ze waren en zijn ook een inspiratie voor nieuw theoretisch werk. Een typerend voorbeeld is de verenigbaarheid van parti¨ele ordening reductie met prioriteit-keuze en fairness in modellen met rendez-vous communicatie. De verbetering van het parti¨ele-ordening algoritme was rechtstreeks ge¨inspireerd door experimenten met Spin en zijn discrete-tijd uitbreiding DT Spin, ontwikkeld in dit proefschrift

Modelling and Analysis Using GROOVE

In this paper we present case studies that describe how the graph transformation tool GROOVE has been used to model problems from a wide variety of domains. These case studies highlight the wide applicability of GROOVE in particular, and of graph transformation in general. They also give concrete templates for using GROOVE in practice. Furthermore, we use the case studies to analyse the main strong and weak points of GROOVE

Optimal Scheduling Using Branch and Bound with SPIN 4.0

The use of model checkers to solve discrete optimisation problems is appealing. A model checker can first be used to verify that the model of the problem is correct. Subsequently, the same model can be used to find an optimal solution for the problem. This paper describes how to apply the new PROMELA primitives of SPIN 4.0 to search effectively for the optimal solution. We show how Branch-and-Bound techniques can be added to the LTL property that is used to find the solution. The LTL property is dynamically changed during the verification. We also show how the syntactical reordering of statements and/or processes in the PROMELA model can improve the search even further. The techniques are illustrated using two running examples: the Travelling Salesman Problem and a job-shop scheduling problem

STAMINA: Stochastic Approximate Model-Checker for Infinite-State Analysis

Reliable operation of every day use computing system, from simple coffee machines to complex flight controller system in an aircraft, is necessary to save time, money, and in some cases lives. System testing can check for the presence of unwanted execution but cannot guarantee the absence of such. Probabilistic model checking techniques have demonstrated significant potential in verifying performance and reliability of various systems whose execution are defined with likelihood. However, its inability to scale limits its applicability in practice. This thesis presents a new model checker, STAMINA, with efficient and scalable model truncation for probabilistic verification. STAMINA uses a novel model reduction technique generating a finite state representations of large systems that are amenable to existing probabilistic model checking techniques. The proposed method is evaluated on several benchmark examples. Comparisons with another state-of-art tool demonstrates both accuracy and efficiency of the presented method