On the formal foundation of a verification approach for system-level concurrent programs

Though program verification is known and used since decades, the verification of a complete computer system still remains a grand challenge. In essence, this challenge stems from the interaction of various programs. Different techniques have been proposed for the verification of communicating programs. Common to all, however, is that they rely on several (usually implicit) assumptions about the underlying system. Typically, such assumptions include compiler correctness, scheduler fairness, and a certain noninterference between the local program behavior and its environment. This thesis aims at discharging these assumptions for the processes of the microkernel Vamos. More specifically, this work formally justifies the abstraction from a kernel model with explicit, deterministic scheduling to a concurrent process system with non-deterministic but temporally fair scheduling. Our formal results form the foundation of a verification approach for system-level concurrent programs. We outline this approach on example properties of a user-mode operating system.Obwohl es schon jahrzehntelang Programmverifikation gibt, wird die Verifikation eines kompletten Computersystems auch heute noch als eine große Herausforderung angesehen. Im Wesentlichen ergibt sich diese Herausforderung aus der vielfältigen Interaktion von Programmen. Verschiedene Techniken wurden für die Verifikation kommunizierender Programme vorgeschlagen. Alle haben jedoch gemein, dass sie sich auf mehrere (meist implizite) Annahmen über das zugrunde liegende System stützen. In der Regel sind solche Annahmen Compiler-Korrektheit, Scheduler-Fairness und eine gewisse Störfreiheit des lokalen Programmverhaltens vom Verhalten seiner Umgebung. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Entlastung dieser Annahmen für die Prozesse des Mikrokerns Vamos. Genauer gesagt, rechtfertigt diese Arbeit formal die Abstraktion von einem Kernmodell mit explizitem, deterministischem Scheduling zu einem nebenläufigen Prozesssystem mit nicht-deterministischem, aber temporal fairem Scheduling. Die formalen Ergebnisse bilden die Grundlage eines Verifikationsansatzes für nebenläufige, systemnahe Programme. Dieser Ansatz wird am Beispiel von Eigenschaften eines User-Mode-Betriebssystems erläutert

On the formal foundation of a verification approach for system-level concurrent programs

Though program verification is known and used since decades, the verification of a complete computer system still remains a grand challenge. In essence, this challenge stems from the interaction of various programs. Different techniques have been proposed for the verification of communicating programs. Common to all, however, is that they rely on several (usually implicit) assumptions about the underlying system. Typically, such assumptions include compiler correctness, scheduler fairness, and a certain noninterference between the local program behavior and its environment. This thesis aims at discharging these assumptions for the processes of the microkernel Vamos. More specifically, this work formally justifies the abstraction from a kernel model with explicit, deterministic scheduling to a concurrent process system with non-deterministic but temporally fair scheduling. Our formal results form the foundation of a verification approach for system-level concurrent programs. We outline this approach on example properties of a user-mode operating system.Obwohl es schon jahrzehntelang Programmverifikation gibt, wird die Verifikation eines kompletten Computersystems auch heute noch als eine große Herausforderung angesehen. Im Wesentlichen ergibt sich diese Herausforderung aus der vielfältigen Interaktion von Programmen. Verschiedene Techniken wurden für die Verifikation kommunizierender Programme vorgeschlagen. Alle haben jedoch gemein, dass sie sich auf mehrere (meist implizite) Annahmen über das zugrunde liegende System stützen. In der Regel sind solche Annahmen Compiler-Korrektheit, Scheduler-Fairness und eine gewisse Störfreiheit des lokalen Programmverhaltens vom Verhalten seiner Umgebung. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Entlastung dieser Annahmen für die Prozesse des Mikrokerns Vamos. Genauer gesagt, rechtfertigt diese Arbeit formal die Abstraktion von einem Kernmodell mit explizitem, deterministischem Scheduling zu einem nebenläufigen Prozesssystem mit nicht-deterministischem, aber temporal fairem Scheduling. Die formalen Ergebnisse bilden die Grundlage eines Verifikationsansatzes für nebenläufige, systemnahe Programme. Dieser Ansatz wird am Beispiel von Eigenschaften eines User-Mode-Betriebssystems erläutert

Formal specification and verification of a microkernel

This thesis basically splits up into two parts. The first part introduces the abstract model of the Vamos kernel. The Vamos kernel provides the infrastructure for process and memory management, priority-based round-robin scheduling, communication with external devices, as well as inter-process communication. In the second part, we formulate a simulation theorem between the abstract Vamos model and the concrete Vamos implementation. The crucial points of the theorem are, on the one hand, the abstraction relation connecting the datastructures of the implementation with those of the model and, on the other hand, the implementation invariant formulating validity statements on the datastructures. Besides the exact formal definitions of the abstraction relation and the implementation invariant, we prove substantial parts of the simulation theorem. This work is part of the Verisoft project which aims at the pervasive formal verification of computer systems. For the modelling and the verification of the Vamos kernel this entails the integration of various computational models, for instance, Communicating Virtual Machines (Cvm) encapsulating the hardware-specific low-level functionality, and devices. The models and proofs presented in this thesis are formalized in the uniform logical framework of the interactive theorem prover Isabelle/HOL, and hence, it is rigorously checked that all verification results fit together.Die vorliegende Arbeit teilt sich im Wesentlichen in zwei Teile auf. Im ersten Teil wird das abstrakte Modell des Vamos-Kernels vorgestellt. Der Vamos-Kernel liefert die Infrastruktur für Prozess- und Speicherverwaltung, prioritäts-basiertes Round-Robin-Scheduling, Kommunikation mit externen Geräten, sowie Interprozesskommunikation. Im zweiten Teil der Arbeit formulieren wir ein Simulationstheorem zwischen dem abstrakten Vamos- Modell und der konkreten Vamos-Implementierung. Kernpunkte dieses Theorems sind zum einen die Abstraktionsrelation, die die Datenstrukturen der Implementierung mit denen des Modells in Beziehung setzt und zum anderen die Implementierungsinvariante, die Gültigkeitsaussagen über die Datenstrukturen trifft. Neben den exakten Definitionen der Abstraktionsrelation und der Implementierungsinvariante, werden wesentliche Teile dieses Simulationstheorems bewiesen. Die Arbeit wurde im Rahmen des Verisoft Projekts angefertigt, das die durchgängige formale Verifiktaion von Computersystemen zum Ziel hat. Für die Modellierung und Verifikation des Vamos-Kernels hat dies zur Folge, dass diverse Berechnungsmodelle integriert werden müssen, unter anderem das Gerätemodell und Communicating Virtual Machines (Cvm), das die hardwarespezifische und systemnahe Funktionalität kapselt. Alle Modelle und Beweise, die in dieser Arbeit vorgestellt werden, sind in dem interaktiven Theorembeweiser Isabelle/HOL formalisiert worden, womit sichergestellt ist, dass alle Ergebnisse der Verifikation zusammenpassen

Formal verification of a small real-time operating system

The foundation of this thesis is a distributed real-time system that connects several electronic control units (ECUs) with a communication bus. Each ECU consists of a processor executing the real-time operating system OLOS and several applications on the one hand, and an interface to the bus (ABC) on the other hand. OLOS provides application scheduling and controls the communication with the bus. The applications may communicate with OLOS via so-called system calls. For applications written in high-level languages these calls are available in terms of library functions. First, we present the design and the implementation of OLOS and its necessary library functions. Thereafter, we introduce the abstract model of an entire ECU which specifies the interface to the bus (ABC), process models and the behaviour of OLOS. Then, we formulate a simulation theorem between the abstract ECU model and a model that embeds the concrete OLOS implementation. The proof of this theorem provides us with the implementation correctness of OLOS. Based on the formal correctness of our operating system, the last section of this thesis presents an approach to pervasively verify applications that are executed under OLOS on a single ECU.Grundlage dieser Arbeit ist ein verteiltes Echtzeitsystem, welches mehrere elektronische Kontrolleinheiten (ECUs) mit einem Kommunikationsbus verbindet. Jede dieser Kontrolleinheiten besteht aus einer Schnittstelle zum Bus (ABC) und einem Prozessor, welcher das Echtzeitbetriebssystem Olos und mehrere Anwendungen ausführt. Olos organisiert die Ausführungszeit der Anwendungen auf dem Prozessor und steuert deren Kommunikation mit dem Bus. Die Anwendungen haben die Möglichkeit, über sogenannte Systemaufrufe mit dem Betriebssystem zu kommunizieren. Diese stehen den Anwendungen, die in höheren Programmiersprachen geschrieben sind, in Form von Bibliotheksfunktionen zur Verfügung. Zuerst stellen wir den Entwurf und die Implementierung von Olos und den notwendigen Bibliotheksfunktionen vor. Danach beschreiben wir das abstrakte Modell einer vollständigen ECU, welches die Schnittstelle zum Bus (ABC), Prozessmodelle und das Verhalten des Betriebssystems Olos festlegt. Wir formulieren ein Simulationstheorem zwischen dem abstrakten ECU Modell und einem Modell mit eingebetteter konkreter Olos-Implementierung. Der Beweis dieser Aussage liefert uns die Implementierungskorrektheit von Olos. Im letzten Teil der Arbeit benutzen wir dieses Ergebnis als Grundlage für einen Ansatz, mit dem durchgängig Anwendungen verifiziert werden können, die unter Olos auf einer elektronischen Kontrolleinheit ausgeführt werden