Une étude formelle de la théorie des calculs locaux à l'aide de l'assistant de preuve Coq

par Vincent Filou

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Pierre Castéran et de Mohamed Mosbah.

Soutenue le 21-12-2012

à Bordeaux 1 , dans le cadre de École doctorale de mathématiques et informatique (Talence, Gironde) , en partenariat avec Laboratoire Bordelais de Recherche en Informatique (laboratoire) .

Le jury était composé de Yamine Aït-Ameur, Yves Métivier.

Les rapporteurs étaient Sandrine Blazy, Dominique Méry.


  • Résumé

    L'objectif de cette thèse est de produire un environnement permettant de raisonner formellement sur la correction de systèmes de calculs locaux, ainsi que sur l'expressivité de ce modèle de calcul. Pour ce faire, nous utilisons l'assistant de preuve Coq. Notre première contribution est la formalisation en Coq de la sémantique des systèmes de réétiquetage localement engendrés, ou calculs locaux. Un système de calculs locaux est un système de réétiquetage de graphe dont la portée est limitée. Nous proposons donc tout d'abord une implantation succincte de la théorie des graphes en Coq, et utilisons cette dernière pour définir les systèmes de réétiquetage de graphes localement engendrés. Nous avons relevé, dans la définition usuelle des calculs locaux, certaines ambiguïtés. Nous proposons donc une nouvelle définition, et montrons formellement que celle-ci capture toutes les sous-classes d'algorithmes étudiées. Nous esquissons enfin une méthodologie de preuve des systèmes de calculs locaux en Coq.Notre seconde contribution consiste en l'étude formelle de l'expressivité des systèmes de calculs locaux. Nous formalisons un résultat de D. Angluin (repris par la suite par Y. Métivier et J. Chalopin): l'inexistence d'un algorithme d'élection universelle. Nous proposons ensuite deux lemmes originaux concernant les calculs locaux sur les arêtes (ou systèmes LC0), et utilisons ceux-ci pour produire des preuves formelles d'impossibilité pour plusieurs problèmes: calcul du degré de chaque sommet, calcul d'arbre recouvrant, etélection. Nous proposons informellement une nouvelles classes de graphe pour laquelle l'élection est irréalisable par des calculs locaux sur les arêtes.Nous étudions ensuite les transformations de systèmes de calculs locaux et de leur preuves. Nous adaptons le concept de Forward Simulation de N. Lynch aux systèmes de calculs locaux et utilisons ce dernier pour démontrer formellement l'inclusion de deux modes de détection de terminaison dans le cas des systèmes LC0. La preuve de cette inclusion estsimplifiée par l'utilisation de transformations "standards" de systèmes, pour lesquels des résultats génériques ont été démontrés. Finalement, nous réutilisons ces transformations standards pour étudier, en collaboration avec M. Tounsi, deux techniques de composition des systèmes de réétiquetage LC0. Une bibliothèque Coq d'environ 50000 lignes, contenant les preuves formelles des théorèmes présentés dans le mémoire de thèse à été produite en collaboration avec Pierre Castéran (dont environ 40%produit en propre par V. Filou) au cours de cette thèse.


  • Résumé

    The goal of this work is to build a framework allowing the study, in aformal setting, of the correctness of local computations systems aswell as the expressivity of this model. A local computation system isa set of graph relabelling rules with limited scope, corresponding to a class of distributed algorithms.Our first contribution is the formalisation, in the Coq proofassistant, of a relationnal semantic for local computation systems.This work is based on an original formal graph theory for Coq.Ambiguities inherent to a "pen and paper" definition of local computations are corrected, and we prove that our definition captures all sub-classes of relabelling relations studied in the remainder. We propose a draft of a proof methodology for local computation systems in Coq. Our second contribution is the study of the expressivity of classes of local computations inside our framework. We provide,for instance, a formal proof of D. Angluin results on election and graph coverings. We propose original "meta-theorems" concerningthe LC0 class of local computation, and use these theorem to produce formal impossibility proofs.Finally we study possible transformations of local computation systemsand of their proofs. To this end, we adapt the notion of ForwardSimulation, originally formulated by N. Lynch, to localcomputations. We use this notion to define certified transformationsof LC0 systems. We show how those certified transformation can be useto study the expressivity of certain class of algorithm in ourframework. We define, as certified transformation, two notions ofcomposition for LC0 systems.A Coq library of ~ 50000 lines of code, containing the formal proofs of the theorems presented in the thesis has been produced in collaboration with Pierre Castéran.


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