Encodage Efficace des Systèmes Critiques pour la Vérificaton Formelle par Model Checking à base de Solveurs SAT

par Guillaume Baud-Berthier

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Laurent Simon.

Le président du jury était Laurence Pierre.

Le jury était composé de Jean-Frédéric Etienne, Frédéric Herbreteau.

Les rapporteurs étaient Armin Biere, Sylvain Conchon.


  • Résumé

    Le développement de circuits électroniques et de systèmes logiciels critiques pour le ferroviaire ou l’avionique, par exemple, demande à être systématiquement associé à un processus de vérification formelle permettant de garantir l’exhaustivité des tests. L’approche formelle la plus répandue dans l’industrie est le Model Checking. Le succès de son adoption provient de deux caractéristiques : (i) son aspect automatique, (ii) sa capacité à produire un témoin (un scénario rejouable) lorsqu’un comportement indésirable est détecté, ce qui fournit une grande aide aux concepteurs pour corriger le problème. Néanmoins, la complexité grandissante des systèmes à vérifier est un réel défi pour le passage à l’échelle des techniques existantes. Pour y remédier, différents algorithmes de model checking (e.g., parcours symbolique des états du système, interpolation), diverses méthodes complémentaires (e.g., abstraction,génération automatique d’invariants), et de multiples procédures de décision(e.g., diagramme de décision, solveur SMT) sont envisageables.Dans cette thèse, nous nous intéressons plus particulièrement à l’induction temporelle.Il s’agit d’un algorithme de model checking très utilisé dans l’industrie pour vérifier les systèmes critiques. C’est également l’algorithme principal de l’outil développé au sein de l’entreprise Safe River, entreprise dans laquelle cette thèse a été effectuée. Plus précisément, l’induction temporelle combine deux techniques :(i) BMC (Bounded Model Checking), une méthode très efficace pour la détection debugs dans un système (ii) k-induction, une méthode ajoutant un critère de terminaison à BMC lorsque le système n’admet pas de bug. Ces deux techniques génèrent des formules logiques propositionnelles pour lesquelles il faut en déterminer la satisfaisabilité.Pour se faire, nous utilisons un solveur SAT, c’est-à-dire une procédure de décision qui détermine si une telle formule admet une solution.L’originalité des travaux proposés dans cette thèse repose en grande partie sur la volonté de renforcer la collaboration entre le solveur SAT et le model checker.Nos efforts visent à accroître l’interconnexion de ces deux modules en exploitant la structure haut niveau du problème. Nous avons alors défini des méthodes profitant de la structure symétrique des formules. Cette structure apparaît lors du dépliage successif de la relation de transition, et nous permet de dupliquer les clauses ou encore de déplier les transitions dans différentes directions (i.e., avant ou arrière). Nous avons aussi pu instaurer une communication entre le solveur SAT et le model checker permettant de : (i) simplifier la représentation au niveau du model checker grâce à des informations déduites par le solveur, et (ii) aider le solveur lors de la résolution grâce aux simplifications effectuées sur la représentation haut niveau. Une autre contribution importante de cette thèse est l’expérimentation des algorithmes proposées. Cela se concrétise par l’implémentation d’un model checker prenant en entrée des modèles AIG (And-Inverter Graph) dans lequel nous avons pu évaluer l’efficacité de nos différentes méthodes.

  • Titre traduit

    Effective Encoding of Critical Systems for SAT-Based Model Checking.


  • Résumé

    The design of electronic circuits and safety-critical software systems in railway or avionic domains for instance, is usually associated with a formal verification process. More precisely, test methods for which it is hard to show completeness are combined with approaches that are complete by definition. Model Checking is one of those approaches and is probably the most prevalent in industry. Reasons of its success are mainly due to two characteristics, namely: (i) its fully automatic aspect, and (ii) its ability to produce a short execution trace of undesired behaviors, which is very helpful for designers to fix the issues. However, the increasing complexity of systems to be verified is a real challenge for the scalability of existing techniques. To tackle this challenge, different model checking algorithms (e.g., symbolic model checking, interpolation), various complementary methods (e.g., abstraction, automatic generation of invariants) and multiple decision procedures (e.g., decision diagram, SMT solver) can be considered. In this thesis, we particularly focus on temporal induction. It is a model checking algorithm widely used in the industry to check safety-critical systems. This is also the core algorithm of the tool developed within SafeRiver, company in which this thesis was carried out. More precisely, temporal induction consists of a combination of BMC (Bounded Model Checking) and k-induction. BMC is a very efficient bugfinding method. While k-induction adds a termination criterion to BMC when the system does not admit bugs. These two techniques generate formulas for which it is necessary to determine their satisfiability. To this end, we use a SAT solver as a decision procedure to determine whether a propositional formula has a solution. The main contribution of this thesis aims to strengthen the collaboration between the SAT solver and the model checker. The improvements proposed mainly focus on increasing the interconnections of these two modules by exploiting the high-level structure of the problem.We have therefore defined several methods taking advantage of the symmetrical structure of the formulas. This structure emerges during the successive unfolding of the transition relation, and allows us to duplicate clauses or even unroll the transitions in different directions (i.e., forward or backward). We also established a communication between the solver and the model checker, which has for purpose to: (i) simplify the model checker representation using the information inferred by the solver, and (ii) assist the solver during resolution with simplifications performed on the high-level representation. Another important contribution of this thesis is the empirical evaluation of the proposed algorithms on well-established benchmarks. This is achieved concretely via the implementation of a model checker taking AIG (And-Inverter Graph) as input, from which we were able to evaluate the effectiveness of our algorithms.


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