Using formal methods to support testing

Formal methods and testing are two important approaches that assist in the development of high quality software. While traditionally these approaches have been seen as rivals, in recent years a new consensus has developed in which they are seen as complementary. This article reviews the state of the art regarding ways in which the presence of a formal specification can be used to assist testing

Testing real-time systems using TINA

The paper presents a technique for model-based black-box conformance testing of real-time systems using the Time Petri Net Analyzer TINA. Such test suites are derived from a prioritized time Petri net composed of two concurrent sub-nets specifying respectively the expected behaviour of the system under test and its environment.We describe how the toolbox TINA has been extended to support automatic generation of time-optimal test suites. The result is optimal in the sense that the set of test cases in the test suite have the shortest possible accumulated time to be executed. Input/output conformance serves as the notion of implementation correctness, essentially timed trace inclusion taking environment assumptions into account. Test cases selection is based either on using manually formulated test purposes or automatically from various coverage criteria specifying structural criteria of the model to be fulfilled by the test suite. We discuss how test purposes and coverage criterion are specified in the linear temporal logic SE-LTL, derive test sequences, and assign verdicts

04371 Abstracts Collection -- Perspectives of Model-Based Testing

From 05.09.04 to 10.09.04, the Dagstuhl Seminar 04371 ``Perspectives of Model-Based Testing\u27\u27 was held in the International Conference and Research Center (IBFI), Schloss Dagstuhl. During the seminar, several participants presented their current research, and ongoing work and open problems were discussed. Abstracts of the presentations given during the seminar as well as abstracts of seminar results and ideas are put together in this paper. The first section describes the seminar topics and goals in general. Links to extended abstracts or full papers are provided, if available

Model-Based Scenario Testing and Model Checking with Applications in the Railway Domain

This thesis introduces Timed Moore Automata, a specification formalism, which extends the classical Moore Automata by adding the concept of abstract timers without concrete delay time values, which can be started and reset, and which can change their state from running to elapsed. The formalism is used in real-world railway domain applications, and algorithms for the automated test data generation and explicit model checking of Timed Moore Automata models are presented. In addition, this thesis deals with test data generation for larger scale test models using standardized modeling formalisms. An existing framework for the automated test data generation is presented, and its underlying work-flow is extended and modified in order to allow user interaction and guidance within the generation process. As opposed to specifying generation constraints for entire test scenarios, the modified work flow then allows for an iterative approach to elaborating and formalizing test generation goals

On the influence of test adequacy criteria on test suite reduction for model-based testing of real-time systems.

O teste baseado em modelos é uma abordagem de teste de software que usa modelos abstratos de uma aplicação para gerar, executar e avaliar os testes. A geração de casos de testes exerce um papel importante no teste baseado em modelos. Como essa geração consiste na busca sistemática por casos de testes que possam ser extraídos dos modelos, o teste baseado em modelos geralmente produz suítes de testes que são caras demais para serem executadas completamente. Técnicas de redução de suítes de testes têm sido propostas para abordar este problema. O objetivo dessas técnicas é obter suítes de testes reduzidas que são mais baratas de serem executadas e tão efetivas na detecção de faltas quanto as suítes completas, dado que as suítes reduzidas mantém o mesmo nível de cobertura, definido por um critério de adequação de testes, da suíte completa. Esses critérios definem que partes do sistema serão testados, com que frequência e sob quais circunstâncias. Entretanto, pouca atenção tem sido dada ao impacto que a escolha do critério tem na redução de suítes de testes. Por outro lado, sistemas de tempo-real são sistemas reativos cujos comportamentos são restringidos pelo tempo. Consequentemente, faltas relacionadas ao tempo são específicas desses sistemas. Para lidar com isso, modelos para sistemas de tempo real devem trabalhar com tempo e, consequentemente, há critérios de adequação de testes específicos para eles. Contudo, a pesquisa sobre redução de suítes de testes não tem focado em sistemas de tempo-real, portanto o impacto de critérios de adequação de testes na redução de suítes é desconhecido. Nesta pesquisa de doutorado objetivamos investigar a influência de critérios de adequação de testes nos resultados da redução de suítes de testes no contexto de teste baseado em modelos de sistemas de tempo-real. Em particular, nós estamos interessados no modelo Timed Input-Output Symbolic Transition Systems (TIOSTS), porque ele é um modelo de sistema de transições no qual dados e tempo são definidos simbolicamente, já que sistemas de transição são a base para o teste de conformidade de sistemas de tempo real. Para alcançar o objetivo da pesquisa, primeiramente, nós definimos 19 critérios de adequação de testes para o modelo TIOSTS. Os critérios definidos incluem critérios baseados em transições, fluxo de dados e tempo. Depois nós formalizamos uma hierarquia com esses critérios, onde eles estão parcialmente ordenados pela relação de inclusão estrita. Segundamente, nós avaliamos empiricamente o custo-benefício de doze dos critérios definidos e cinco técnicas de redução de suítes de testes. Nós avaliamos o tamanho, o tempo de execução e a detecção de faltas das suítes de testes reduzidas de cada uma das 60 combinações de critério e técnica. No experimento, nós usamos modelos de especificação, em TIOSTS, de uma máquina de recarga de cartão do metrô, de um sistema de alarme anti-roubo e de um limitador automático de velocidade de carros. Além disso, usamos simulações das implementações, que geram rastros corretos para os modelos. Por fim, o teste de mutação foi usado para gerar mutantes dos modelos de especificação, que, por sua vez, foram traduzidos para simulações com a finalidade de simular modelos de implementações defeituosas. As evidências empíricas sugerem que os critérios de adequação de testes mais próximos do topo da hierarquia produziram suítes reduzidas com melhor custo-benefício com relação à detecção de faltas e tempo de execução. Com relação às técnicas de redução, a técnica aleatória obteve melhor custo-benefício dentre as técnicas avaliadas. Os resultados apontam que os critérios explicam mais a variação nos resultados do que as técnicas.Model-based testing is a testing approach that relies on the existence of abstract models of an application to generate, execute and evaluate tests. Test case generation plays an important role in model-based testing. Since it consists of a systematic search for test cases that can be extracted from models, model-based testing usually generates large test suites which are too expensive to execute in full. Test suite reduction techniques have been proposed to address this problem. The goal of the techniques is to obtain reduced test suites that are both cheaper to execute and as effective at detecting faults as the original suite, given that the reduced test suites maintain the same coverage level of the complete test suite required by a test adequacy criterion. These criteria define which parts of the system are going to be tested, how often and under what circumstances. Nevertheless, little attention has been paid to the impact of the criterion choice in test suite reduction research. On the other hand, real-time systems are reactive systems whose behavior is constrained by time. Consequently, time-related faults are specific to these systems. In order to cope with this issue, models for real-time systems must deal with time and, consequently, there are specific test adequacy criteria for them. However, test suite reduction research has not focused on real-time systems, therefore the impact of test adequacy criteria for models of real-time systems on test suite reduction is unknown. In this doctoral research, we aim at investigating the influence of test adequacy criteria on the outcomes of test suite reduction techniques in the context of model-based testing of real-time systems. In particular, we are interested in the Timed Input-Output Symbolic Transition Systems (TIOSTS) model because it is an expressive transition system in which data and time are symbolically defined, and transition systems are the basis for conformance testing of real-time systems. In order to achieve the research objective, first, we defined 19 test adequacy criteria for TIOSTS models. The defined criteria include transition-based criteria, data-flow-oriented criteria and real-time systems criteria. Next, we formalized a hierarchy with these criteria which is partially ordered by the strict inclusion relation. Second, we evaluated the cost-effectiveness of twelve criteria and five test suite reduction techniques in empirical studies of test suite reduction. We evaluated the size, execution time and fault detection of reduced test suites obtained from each combination of criterion and technique. In the experiment, we used TIOSTS specification models of a refilling machine for charging the subway card, a burglar alarm system, and an automated car speed limiter; simulations of the implementations, which generate correct traces for the models; and mutation testing to generate mutants of the specification models, which were also translated to simulations in order to simulate faulty model implementations. Empirical evidence suggests that test adequacy criteria closer to the top of the family obtained reduced test suites with better costeffectiveness regarding fault detection and execution time. With respect to the test suite reduction techniques, the Random technique obtained better cost-effectiveness among the evaluated criteria. Results also suggests that the criteria explain more the variation in fault detection and execution time of reduced test suites than the techniques

Formal methods applied to the analysis of phylogenies: Phylogenetic model checking

Los árboles filogenéticos son abstracciones útiles para modelar y caracterizar la evolución de un conjunto de especies o poblaciones respecto del tiempo. La proposición, verificación y generalización de hipótesis sobre un árbol filogenético inferido juegan un papel importante en el estudio y comprensión de las relaciones evolutivas. Actualmente, uno de los principales objetivos científicos es extraer o descubrir los mensajes biológicos implícitos y las propiedades estructurales subyacentes en la filogenia. Por ejemplo, la integración de información genética en una filogenia ayuda al descubrimiento de genes conservados en todo o parte del árbol, la identificación de posiciones covariantes en el ADN o la estimación de las fechas de divergencia entre especies. Consecuentemente, los árboles ayudan a comprender el mecanismo que gobierna la deriva evolutiva. Hoy en día, el amplio espectro de métodos y herramientas heterogéneas para el análisis de filogenias enturbia y dificulta su utilización, además del fuerte acoplamiento entre la especificación de propiedades y los algoritmos utilizados para su evaluación (principalmente scripts ad hoc). Este problema es el punto de arranque de esta tesis, donde se analiza como solución la posibilidad de introducir un entorno formal de verificación de hipótesis que, de manera automática y modular, estudie la veracidad de dichas propiedades definidas en un lenguaje genérico e independiente (en una lógica formal asociada) sobre uno de los múltiples softwares preparados para ello. La contribución principal de la tesis es la propuesta de un marco formal para la descripción, verificación y manipulación de relaciones causales entre especies de forma independiente del código utilizado para su valoración. Para ello, exploramos las características de las técnicas de model checking, un paradigma en el que una especificación expresada en lógica temporal se verifica con respecto a un modelo del sistema que representa una implementación a un cierto nivel de detalle. Se ha aplicado satisfactoriamente en la industria para el modelado de sistemas y su verificación, emergiendo del ámbito de las ciencias de la computación. Las contribuciones concretas de la tesis han sido: A) La identificación e interpretación de los árboles filogeneticos como modelos de la evolución, adaptados al entorno de las técnicas de model checking. B) La definición de una lógica temporal que captura las propiedades filogenéticas habituales junto con un método de construcción de propiedades. C) La clasificación de propiedades filogenéticas, identificando categorías de propiedades según estén centradas en la estructura del árbol, en las secuencias o sean híbridas. D) La extensión de las lógicas y modelos para contemplar propiedades cuantitativas de tiempo, probabilidad y de distancias. E) El desarrollo de un entorno para la verificación de propiedades booleanas, cuantitativas y paramétricas. F) El establecimiento de los principios para la manipulación simbolica de objetos filogenéticos, p. ej., clados. G) La explotación de las herramientas de model checking existentes, detectando sus problemas y carencias en el campo de filogenia y proponiendo mejoras. H) El desarrollo de técnicas "ad hoc" para obtener ganancia de complejidad alrededor de dos frentes: distribución de los cálculos y datos, y el uso de sistemas de información. Los puntos A-F se centran en las aportaciones conceptuales de nuestra aproximación, mientras que los puntos G-H enfatizan la parte de herramientas e implementación. Los contenidos de la tesis están contrastados por la comunidad científica mediante las siguientes publicaciones en conferencias y revistas internacionales. La introducción de model checking como entorno formal para analizar propiedades biológicas (puntos A-C) ha llevado a la publicación de nuestro primer artículo de congreso [1]. En [2], desarrollamos la verificación de hipótesis filogenéticas sobre un árbol de ejemplo construido a partir de las relaciones impuestas por un conjunto de proteínas codificadas por el ADN mitocondrial humano (ADNmt). En ese ejemplo, usamos una herramienta automática y genérica de model checking (punto G). El artículo de revista [7] resume lo básico de los artículos de congreso previos y extiende la aplicación de lógicas temporales a propiedades filogenéticas no consideradas hasta ahora. Los artículos citados aquí engloban los contenidos presentados en las Parte I--II de la tesis. El enorme tamaño de los árboles y la considerable cantidad de información asociada a los estados (p.ej., la cadena de ADN) obligan a la introducción de adaptaciones especiales en las herramientas de model checking para mantener un rendimiento razonable en la verificación de propiedades y aliviar también el problema de la explosión de estados (puntos G-H). El artículo de congreso [3] presenta las ventajas de rebanar el ADN asociado a los estados, la partición de la filogenia en pequeños subárboles y su distribución entre varias máquinas. Además, la idea original del model checking rebanado se complementa con la inclusión de una base de datos externa para el almacenamiento de secuencias. El artículo de revista [4] reúne las nociones introducidas en [3] junto con la implementación y resultados preliminares presentados [5]. Este tema se corresponde con lo presentado en la Parte III de la tesis. Para terminar, la tesis reaprovecha las extensiones de las lógicas temporales con tiempo explícito y probabilidades a fin de manipular e interrogar al árbol sobre información cuantitativa. El artículo de congreso [6] ejemplifica la necesidad de introducir probabilidades y tiempo discreto para el análisis filogenético de un fenotipo real, en este caso, el ratio de distribución de la intolerancia a la lactosa entre diversas poblaciones arraigadas en las hojas de la filogenia. Esto se corresponde con el Capítulo 13, que queda englobado dentro de las Partes IV--V. Las Partes IV--V completan los conceptos presentados en ese artículo de conferencia hacia otros dominios de aplicación, como la puntuación de árboles, y tiempo continuo (puntos E-F). La introducción de parámetros en las hipótesis filogenéticas se plantea como trabajo futuro. Referencias [1] Roberto Blanco, Gregorio de Miguel Casado, José Ignacio Requeno, and José Manuel Colom. Temporal logics for phylogenetic analysis via model checking. In Proceedings IEEE International Workshop on Mining and Management of Biological and Health Data, pages 152-157. IEEE, 2010. [2] José Ignacio Requeno, Roberto Blanco, Gregorio de Miguel Casado, and José Manuel Colom. Phylogenetic analysis using an SMV tool. In Miguel P. Rocha, Juan M. Corchado Rodríguez, Florentino Fdez-Riverola, and Alfonso Valencia, editors, Proceedings 5th International Conference on Practical Applications of Computational Biology and Bioinformatics, volume 93 of Advances in Intelligent and Soft Computing, pages 167-174. Springer, Berlin, 2011. [3] José Ignacio Requeno, Roberto Blanco, Gregorio de Miguel Casado, and José Manuel Colom. Sliced model checking for phylogenetic analysis. In Miguel P. Rocha, Nicholas Luscombe, Florentino Fdez-Riverola, and Juan M. Corchado Rodríguez, editors, Proocedings 6th International Conference on Practical Applications of Computational Biology and Bioinformatics, volume 154 of Advances in Intelligent and Soft Computing, pages 95-103. Springer, Berlin, 2012. [4] José Ignacio Requeno and José Manuel Colom. Model checking software for phylogenetic trees using distribution and database methods. Journal of Integrative Bioinformatics, 10(3):229-233, 2013. [5] José Ignacio Requeno and José Manuel Colom. Speeding up phylogenetic model checking. In Mohd Saberi Mohamad, Loris Nanni, Miguel P. Rocha, and Florentino Fdez-Riverola, editors, Proceedings 7th International Conference on Practical Applications of Computational Biology and Bioinformatics, volume 222 of Advances in Intelligent Systems and Computing, pages 119-126. Springer, Berlin, 2013. [6] José Ignacio Requeno and José Manuel Colom. Timed and probabilistic model checking over phylogenetic trees. In Miguel P. Rocha et al., editors, Proceedings 8th International Conference on Practical Applications of Computational Biology and Bioinformatics, Advances in Intelligent and Soft Computing. Springer, Berlin, 2014. [7] José Ignacio Requeno, Gregorio de Miguel Casado, Roberto Blanco, and José Manuel Colom. Temporal logics for phylogenetic analysis via model checking. IEEE/ACM Transactions on Computational Biology and Bioinformatics, 10(4):1058-1070, 2013