Towards Symbolic Model-Based Mutation Testing: Combining Reachability and Refinement Checking

Model-based mutation testing uses altered test models to derive test cases that are able to reveal whether a modelled fault has been implemented. This requires conformance checking between the original and the mutated model. This paper presents an approach for symbolic conformance checking of action systems, which are well-suited to specify reactive systems. We also consider nondeterminism in our models. Hence, we do not check for equivalence, but for refinement. We encode the transition relation as well as the conformance relation as a constraint satisfaction problem and use a constraint solver in our reachability and refinement checking algorithms. Explicit conformance checking techniques often face state space explosion. First experimental evaluations show that our approach has potential to outperform explicit conformance checkers.Comment: In Proceedings MBT 2012, arXiv:1202.582

Abstract State Machines 1988-1998: Commented ASM Bibliography

An annotated bibliography of papers which deal with or use Abstract State Machines (ASMs), as of January 1998.Comment: Also maintained as a BibTeX file at http://www.eecs.umich.edu/gasm

Formal mutation testing for Circus

International audienceContext: The demand from industry for more dependable and scalable test-development mechanisms has fostered the use of formal models to guide the generation of tests. Despite many advancements having been obtained with state-based models, such as Finite State Machines (FSMs) and Input/Output Transition Systems (IOTSs), more advanced formalisms are required to specify large, state-rich, concurrent systems. Circus, a state-rich process algebra combining Z, CSP and a refinement calculus, is suitable for this; however, deriving tests from such models is accordingly more challenging. Recently, a testing theory has been stated for Circus, allowing the verification of process refinement based on exhaustive test sets. Objective: We investigate fault-based testing for refinement from Circus specifications using mutation. We seek the benefits of such techniques in test-set quality assertion and fault-based test-case selection. We target results relevant not only for Circus, but to any process algebra for refinement that combines CSP with a data language. Method: We present a formal definition for fault-based test sets, extending the Circus testing theory, and an extensive study of mutation operators for Circus. Using these results, we propose an approach to generate tests to kill mutants. Finally, we explain how prototype tool support can be obtained with the implementation of a mutant generator, a translator from Circus to CSP, and a refinement checker for CSP, and with

Mixed-Integer Convex Nonlinear Optimization with Gradient-Boosted Trees Embedded

Decision trees usefully represent sparse, high dimensional and noisy data. Having learned a function from this data, we may want to thereafter integrate the function into a larger decision-making problem, e.g., for picking the best chemical process catalyst. We study a large-scale, industrially-relevant mixed-integer nonlinear nonconvex optimization problem involving both gradient-boosted trees and penalty functions mitigating risk. This mixed-integer optimization problem with convex penalty terms broadly applies to optimizing pre-trained regression tree models. Decision makers may wish to optimize discrete models to repurpose legacy predictive models, or they may wish to optimize a discrete model that particularly well-represents a data set. We develop several heuristic methods to find feasible solutions, and an exact, branch-and-bound algorithm leveraging structural properties of the gradient-boosted trees and penalty functions. We computationally test our methods on concrete mixture design instance and a chemical catalysis industrial instance

Witness-based validation of verification results with applications to software-model checking

In the scientific world, formal verification is an established engineering technique to ensure the correctness of hardware and software systems. Because formal verification is an arduous and error-prone endeavor, automated solutions are desirable, and researchers continue to develop new algorithms and optimize existing ones to push the boundaries of what can be verified automatically. These efforts do not go unnoticed by the industry. Hardware-circuit designs, flight-control systems, and operating-system drivers are just a few examples of systems where formal verification is already part of the quality-assurance repertoire. Nevertheless, the primary fields of application for formal verification are mainly those where errors carry a high risk of significant damage, either financial or physical, because the costs of formal verification are considered to be too high for most other projects, despite the fact that the research community has made vast advancements regarding the effectiveness and efficiency of formal verification techniques in the last decades. We present and address two potential reasons for this discrepancy that we identified in the field of automated formal software verification. (1) Even for experts in the field, it is often difficult to decide which of the multitude of available techniques is the most suitable solution they should recommend to solve a given verification problem. Moreover, even if a suitable solution is found for a given system, there is no guarantee that the solution is sustainable as the system evolves. Consequently, the cost of finding and maintaining a suitable approach for applying formal software verification to real-world systems is high. (2) Even assuming that a suitable and maintainable solution for applying formal software verification to a given system is found and verification results could be obtained, developers of the system still require further guidance towards making practical use of these results, which often differ significantly from the results they obtain from classical quality-assurance techniques they are familiar with, such as testing. To mitigate the first issue, using the open-source software-verification framework CPAchecker, we investigate several popular formal software-verification techniques such as predicate abstraction, Impact, bounded model checking, k -induction, and PDR, and perform an extensive and rigorous experimental study to identify their strengths and weaknesses regarding their comparative effectiveness and efficiency when applied to a large and established benchmark set, to provide a basis for choosing the best technique for a given problem. To mitigate the second issue, we propose a concrete standard format for the representation and communication of verification results that raises the bar from plain "yes" or "no" answers to verification witnesses, which are valuable artifacts of the verification process that contain detailed information discovered during the analysis. We then use these verification witnesses for several applications: To increase the trust in verification results, we irst develop several independent validators based on violation witnesses, i.e. verification witnesses that represent bugs detected by a verifier. We then extend our validators to also erify the verification results obtained from a successful verification, which are represented y correctness witnesses. Lastly, we also develop an interactive web service to store and retrieve these verification witnesses, to provide online validation to quickly de-prioritize likely wrong results, and to graphically visualize the witnesses, as an example of how verification can be integrated into a development process. Since the introduction of our proposed standard format for verification witnesses, it has been adopted by over thirty different software verifiers, and our witness-based result-validation tools have become a core component in the scoring process of the International Competition on Software Verification.In der Welt der Wissenschaft gilt die Formale Verifikation als etablierte Methode, die Korrektheit von Hard- und Software zu gewährleisten. Da die Anwendung formaler Verifikation jedoch selbst ein beschwerliches und fehlerträchtiges Unterfangen darstellt, ist es erstrebenswert, automatisierte Lösungen dafür zu finden. Forscher entwickeln daher immer wieder neue Algorithmen Formaler Verifikation oder verbessern bereits existierende Algorithmen, um die Grenzen der Automatisierbarkeit Formaler Verifikation weiter und weiter zu dehnen. Auch die Industrie ist bereits auf diese Anstrengungen aufmerksam geworden. Flugsteuerungssysteme, Betriebssystemtreiber und Entwürfe von Hardware-Schaltungen sind nur einzelne Beispiele von Systemen, bei denen Formale Verifikation bereits heute einen festen Stammplatz im Arsenal der Qualitätssicherungsmaßnahmen eingenommen hat. Trotz alledem bleiben die primären Einsatzgebiete Formaler Verifikation jene, in denen Fehler ein hohes Risiko finanzieller oder physischer Schäden bergen, da in anderen Projekten die Kosten des Einsatzes Formaler Verifikation in der Regel als zu hoch empfunden werden, unbeachtet der Tatsache, dass es der Forschungsgemeinschaft in den letzten Jahrzehnten gelungen ist, enorme Fortschritte bei der Verbesserung der Effektivität und Effizienz Formaler Verifikationstechniken zu machen. Wir präsentieren und diskutieren zwei potenzielle Ursachen für diese Diskrepanz zwischen Forschung und Industrie, die wir auf dem Gebiet der Automatisierten Formalen Softwareverifikation identifiziert haben. (1) Sogar Fachleuten fällt es oft schwer, zu entscheiden, welche der zahlreichen verfügbaren Methoden sie als vielversprechendste Lösung eines gegebenen Verifikationsproblems empfehlen sollten. Darüber hinaus gibt es selbst dann, wenn eine passende Lösung für ein gegebenes System gefunden wird, keine Garantie, dass sich diese Lösung im Laufe der Evolution des Systems als Nachhaltig erweisen wird. Daher sind sowohl die Wahl als auch der Unterhalt eines passenden Ansatzes zur Anwendung Formaler Softwareverifikation auf reale Systeme kostspielige Unterfangen. (2) Selbst unter der Annahme, dass eine passende und wartbare Lösung zur Anwendung Formaler Softwareverifikation auf ein gegebenes System gefunden und Verifikationsergebnisse erzielt werden, benötigen die Entwickler des Systems immer noch weitere Unterstützung, um einen praktischen Nutzen aus den Ergebnissen ziehen zu können, die sich oft maßgeblich unterscheiden von den Ergebnissen jener klassischen Qualitätssicherungssysteme, mit denen sie vertraut sind, wie beispielsweise dem Testen. Um das erste Problem zu entschärfen, untersuchen wir unter Verwendung des Open-Source-Softwareverifikationsystems CPAchecker mehrere beliebte Formale Softwareverifikationsmethoden, wie beispielsweise Prädikatenabstraktion, Impact, Bounded-Model-Checking, k-Induktion und PDR, und führen umfangreiche und gründliche experimentelle Studien auf einem großen und etablierten Konvolut an Beispielprogrammen durch, um die Stärken und Schwächen dieser Methoden hinsichtlich ihrer relativen Effektivität und Effizienz zu ermitteln und daraus eine Entscheidungsgrundlage für die Wahl der besten Lösung für ein gegebenes Problem abzuleiten. Um das zweite Problem zu entschärfen, schlagen wir ein konkretes Standardformat zur Modellierung und zum Austausch von Verifikationsergebnissen vor, welches die Ansprüche an Verifikationsergebnisse anhebt, weg von einfachen "ja/nein"-Antworten und hin zu Verifikationszeugen (Verification Witnesses), bei denen es sich um wertvolle Produkte des Verifikationsprozesses handelt und die detaillierte, während der Analyse entdeckte Informationen enthalten. Wir stellen mehrere Anwendungsbeispiele für diese Verifikationszeugen vor: Um das Vertrauen in Verifikationsergebnisse zu erhöhen, entwickeln wir zunächst mehrere, voneinander unabhängige Validatoren, die Verletzungszeugen (Violation Witnesses) verwenden, also Verifikationszeugen, welche von einem Verifikationswerkzeug gefundene Spezifikationsverletzungen darstellen, Diese Validatoren erweitern wir anschließend so, dass sie auch in der Lage sind, die Verifikationsergebnisse erfolgreicher Verifikationen, also Korrektheitsbehauptungen, die durch Korrektheitszeugen (Correctness Witnesses) dokumentiert werden, nachzuvollziehen. Schlussendlich entwickeln wir als Beispiel für die Integrierbarkeit Formaler Verifikation in den Entwicklungsprozess einen interaktiven Webservice für die Speicherung und den Abruf von Verifikationzeugen, um einen Online-Validierungsdienst zur schnellen Depriorisierung mutmaßlich falscher Verifikationsergebnisse anzubieten und Verifikationszeugen graphisch darzustellen. Unser Vorschlag für ein Standardformat für Verifikationszeugen wurde inzwischen von mehr als dreißig verschiedenen Softwareverifikationswerkzeugen übernommen und unsere zeugen-basierten Validierungswerkzeuge sind zu einer Kernkomponente des Bewertungsschemas des Internationalen Softwareverifikationswettbewerbs geworden

Verification of Timed Automata Using Rewrite Rules and Strategies

ELAN is a powerful language and environment for specifying and prototyping deduction systems in a language based on rewrite rules controlled by strategies. Timed automata is a class of continuous real-time models of reactive systems for which efficient model-checking algorithms have been devised. In this paper, we show that these algorithms can very easily be prototyped in the ELAN system. This paper argues through this example that rewriting based systems relying on rules and strategies are a good framework to prototype, study and test rather efficiently symbolic model-checking algorithms, i.e. algorithms which involve combination of graph exploration rules, deduction rules, constraint solving techniques and decision procedures