Applying Formal Methods to Networking: Theory, Techniques and Applications

Despite its great importance, modern network infrastructure is remarkable for the lack of rigor in its engineering. The Internet which began as a research experiment was never designed to handle the users and applications it hosts today. The lack of formalization of the Internet architecture meant limited abstractions and modularity, especially for the control and management planes, thus requiring for every new need a new protocol built from scratch. This led to an unwieldy ossified Internet architecture resistant to any attempts at formal verification, and an Internet culture where expediency and pragmatism are favored over formal correctness. Fortunately, recent work in the space of clean slate Internet design---especially, the software defined networking (SDN) paradigm---offers the Internet community another chance to develop the right kind of architecture and abstractions. This has also led to a great resurgence in interest of applying formal methods to specification, verification, and synthesis of networking protocols and applications. In this paper, we present a self-contained tutorial of the formidable amount of work that has been done in formal methods, and present a survey of its applications to networking.Comment: 30 pages, submitted to IEEE Communications Surveys and Tutorial

Relational Symbolic Execution

Symbolic execution is a classical program analysis technique used to show that programs satisfy or violate given specifications. In this work we generalize symbolic execution to support program analysis for relational specifications in the form of relational properties - these are properties about two runs of two programs on related inputs, or about two executions of a single program on related inputs. Relational properties are useful to formalize notions in security and privacy, and to reason about program optimizations. We design a relational symbolic execution engine, named RelSym which supports interactive refutation, as well as proving of relational properties for programs written in a language with arrays and for-like loops

Combining Static and Dynamic Program Analysis Techniques for Checking Relational Properties

Die vorliegende Dissertation ist im Bereich der formalen Verifikation von Software angesiedelt. Sie behandelt die Überprüfung relationaler Eigenschaften von Computerprogrammen, d.h. solche Eigenschaften, die zwei oder mehr Programmausführungen betrachten. Die Dissertation konzentriert sich auf zwei spezifische relationale Eigenschaften: (1) Nichtinterferenz und (2) ob ein Programm ein Slice eines anderen Programms ist. Die Nichtinterferenz-Eigenschaft besagt, dass die Ausführung eines Programms mit den gleichen öffentlichen Eingaben die gleichen öffentlichen Ausgaben produziert und dies unabhängig von den geheimen Eingaben (z.B. eines Passworts) ist. Das bedeutet, dass die geheimen Eingaben die öffentlichen Ausgaben nicht beeinflussen. Programm-Slicing ist eine Technik zur Reduzierung eines Programms durch das Entfernen von Programmbefehlen, sodass ein spezifizierter Teil des Programmverhaltens erhalten bleibt, z.B. der Wert einer Variablen in einer Instruktion in dem Programm. Die Dissertation stellt Frameworks zur Verfügung, die es dem Nutzer ermöglichen, die obigen zwei Eigenschaften für ein gegebenes Programm zu analysieren. Die Dissertation erweitert den Stand der Technik in dem Bereich der Verifikation relationaler Eigenschaften, indem sie einerseits neue Ansätze zur Verfügung stellt und andererseits bereits existierende Ansätze miteinander kombiniert. Die Dissertation enthält jeweils einen Teil für die behandelten zwei relationalen Eigenschaften. $\textbf{Nichtinterferenz.}$ Das Framework zur Überprüfung der Nichtinterferenz stellt neue Ansätze für die automatische Testgenerierung und für das Debuggen des Programms zur Verfügung und kombiniert diese mit Ansätzen, die auf deduktiver Verifikation und Programmabhängigkeitsgraphen basieren. Der erste neue Ansatz ermöglicht die automatische Generierung von Nichtinterferenz-Tests. Er ermöglicht dem Nutzer, nach Verletzungen der Nichtinterferenz-Eigenschaft im Programm zu suchen und stellt zudem ein für relationale Eigenschaften passendes Abdeckungskriterium für die generierten Test-Suites zur Verfügung. Der zweite neue Ansatz ist ein relationaler Debugger zur Analyse von Nichtinterferenz-Gegenbeispielen. Er verwendet bekannte Konzepte des Programm-Debuggens und erweitert diese für die Analyse relationaler Eigenschaften. Um den Nutzer beim Beweisen der Nichtinterferenz-Eigenschaft zu unterstützen, kombiniert das Framework einen auf Programmabhängigkeitsgraphen basierenden Ansatz mit einem auf Logik basierenden Ansatz, der einen Theorembeweiser verwendet. Auf Programmabhängigkeitsgraphen basierende Ansätze berechnen die Abhängigkeiten zwischen den unterschiedlichen Programmteilen und überprüfen, ob die öffentliche Ausgabe von der geheimen Eingabe abhängt. Im Vergleich zu logik-basierten Ansätzen skalieren programmabhängigkeitsgraphen-basierte Ansätze besser. Allerdings, können sie Fehlalarme melden, da sie die Programmabhängigkeiten überapproximieren. Somit bestehen zwei weitere Beiträge des Frameworks in Kombinationen von programmabhängigkeitsgraphen- und logik basierten Ansätzen: (1) der programmabhängigkeitsgraphen basierte Ansatz vereinfacht das Programm, das danach vom logik basierten Ansatz überprüft wird und (2) der logik basierte Ansatz beweist, dass einige vom Programmabhängigkeitsgraphen-basierten Ansatz berechnete Abhängigkeiten Überapproximationen sind und aus der Analyse entfernt werden können. $\textbf{Programm-Slicing.}$ Der zweite Teil der Dissertation behandelt ein Framework für das automatische Programm-Slicing. Während die meisten zum Stand der Technik gehörenden Slicing-Ansätze nur eine syntaktische Programmanalyse durchführen, betrachtet dieses Framework auch die Programmsemantik und kann dadurch mehr Programmbefehle entfernen. Der erste Beitrag des Frameworks besteht aus einem Ansatz zur relationalen Verifikation, der erweitert wurde, um die Korrektheit eines Programm-Slice nachzuweisen, d.h. dass es das spezifizierte Verhalten des Originalprogramms bewahrt. Der Vorteil der Benutzung relationaler Verifikation ist, dass sie auf zwei ähnlichen Programmen automatisch läuft -- was bei einem Slice-Kandidaten und Originalprogramm der Fall ist. Somit, anders als bei den wenigen zum Stand der Technik gehörenden Ansätzen, die die Programmsemantik betrachten, ist dieser Ansatz automatisch. Der zweite Beitrag des Frameworks besteht aus einer neuen Strategie zur Generierung von Slice-Kandidaten durch durch die Verfeinerung von dynamischen Slices (für eine Eingabe gültigen Slices) mithilfe von der relationalen Verifikation gelieferte Gegenbeispiele

Integration of Static and Dynamic Analysis Techniques for Checking Noninterference

In this article, we present an overview of recent combinations of deductive program verification and automatic test generation on the one hand and static analysis on the other hand, with the goal of checking noninterference. Noninterference is the non-functional property that certain confidential information cannot leak to certain public output, i.e., the confidentiality of that information is always preserved. We define the noninterference properties that are checked along with the individual approaches that we use in different combinations. In one use case, our framework for checking noninterference employs deductive verification to automatically generate tests for noninterference violations with an improved test coverage. In another use case, the framework provides two combinations of deductive verification with static analysis based on system dependence graphs to prove noninterference, thereby reducing the effort for deductive verification

Proceedings of the 3rd Workshop on Domain-Specific Language Design and Implementation (DSLDI 2015)

The goal of the DSLDI workshop is to bring together researchers and practitioners interested in sharing ideas on how DSLs should be designed, implemented, supported by tools, and applied in realistic application contexts. We are both interested in discovering how already known domains such as graph processing or machine learning can be best supported by DSLs, but also in exploring new domains that could be targeted by DSLs. More generally, we are interested in building a community that can drive forward the development of modern DSLs. These informal post-proceedings contain the submitted talk abstracts to the 3rd DSLDI workshop (DSLDI'15), and a summary of the panel discussion on Language Composition

Automated Workarounds from Java Program Specifications based on SAT Solving

The failures that bugs in software lead to can sometimes be bypassed by the so-called workarounds: when a (faulty) routine fails, alternative routines that the system offers can be used in place of the failing one, to circumvent the failure. Existing approaches to workaround-based system recovery consider workarounds that are produced from equivalent method sequences, automatically computed from user-provided abstract models, or directly produced from user-provided equivalent sequences of operations. In this paper, we present two techniques for computing workarounds from Java code equipped with formal specifications, that improve previous approaches in two respects. First, the particular state where the failure originated is actively involved in computing workarounds, thus leading to repairs that are more state specific. Second, our techniques automatically compute workarounds on concrete program state characterizations, avoiding abstract software models and user-provided equivalences. The first technique uses SAT solving to compute a sequence of methods that is equivalent to a failing method on a specific failing state, but which can also be generalized to schemas for workaround reuse. The second technique directly exploits SAT to circumvent a failing method, building a state that mimics the (correct) behaviour of a failing routine, from a specific program state too. We perform an experimental evaluation based on case studies involving implementations of collections and a library for date arithmetic, showing that the techniques can effectively compute workarounds from complex contracts in an important number of cases, in time that makes them feasible to be used for run-time repairs. Our results also show that our state-specific workarounds enable us to produce repairs in many cases where previous workaround-based approaches are inapplicable.Fil: Uva, Marcelo Ariel. Universidad Nacional de Río Cuarto; ArgentinaFil: Ponzio, Pablo Daniel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba; Argentina. Universidad Nacional de Río Cuarto; ArgentinaFil: Regis, Germán. Universidad Nacional de Río Cuarto; ArgentinaFil: Aguirre, Nazareno Matias. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba; Argentina. Universidad Nacional de Río Cuarto; ArgentinaFil: Frias, Marcelo Fabian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba; Argentina. Instituto Tecnológico de Buenos Aires; Argentin

Static Analysis of Run-Time Errors in Embedded Real-Time Parallel C Programs

We present a static analysis by Abstract Interpretation to check for run-time errors in parallel and multi-threaded C programs. Following our work on Astr\'ee, we focus on embedded critical programs without recursion nor dynamic memory allocation, but extend the analysis to a static set of threads communicating implicitly through a shared memory and explicitly using a finite set of mutual exclusion locks, and scheduled according to a real-time scheduling policy and fixed priorities. Our method is thread-modular. It is based on a slightly modified non-parallel analysis that, when analyzing a thread, applies and enriches an abstract set of thread interferences. An iterator then re-analyzes each thread in turn until interferences stabilize. We prove the soundness of our method with respect to the sequential consistency semantics, but also with respect to a reasonable weakly consistent memory semantics. We also show how to take into account mutual exclusion and thread priorities through a partitioning over an abstraction of the scheduler state. We present preliminary experimental results analyzing an industrial program with our prototype, Th\'es\'ee, and demonstrate the scalability of our approach