操作系统形式化设计与验证综述

对操作系统的形式化设计和验证的概念进行介绍,描述其框架和基本方法。比较和分析操作系统宏内核和微内核结构,调查多个设计和验证项目,阐述项目的验证目标、方法、优缺点和进展情况。在总结研究现状的基础上,分析和展望操作系统形式化设计和验证的发展趋势,从操作系统模型设计、验证工具、代码实现和验证重用等方面给出形式化设计和验证的思路。     

基于Object-Z的形式化验证方法

定理证明是一种形式化验证技术,也是形式化方法的重要组成部分,它能从形式规格说明中推理出应具备的性质与属性,从而可以对规格说明进行形式验证。Obiect-Z是形式规格说明语言Z的面向对象扩充,基于集合论与数理逻辑,具有严密的逻辑性,适合精确地描述大型软件系统,并且可以对其形式规格说明进行推理。本文首先给出了基于Object—Z规格说明的定理证明验证方法,接着用Object-Z描述了一个电梯操作系统的实例,在此基础上给出了其形式规格说明的定理证明方法来进行形式化验证。     

基于Isabelle/HOL的安全操作系统形式化验证方法

操作系统作为信息时代的基石,其安全性不言而喻。常规的软件测试方法不足以保障操作系统的安全性,需使用更为严格的基于数理逻辑的形式化验证方法。本文提出一种软件形式化验证的新思路：通过在Isabelle中构造模拟运行环境,使汇编代码运行其中,并记录系统状态的变化,最终根据程序运行前后系统状态的变化情况判断程序的正确性和安全性。重点介绍了顺序、分支和循环等3种程序结构的证明方法,并通过一个程序实例证明,得到在任意前提条件下程序执行前后系统状态的变化情况。      

汇编级顺序语句块的自动形式化规约及其验证

软件的形式化验证是保障软件可证明性、可靠性和安全性的重要手段,但传统形式化验证脚本的生成过程复杂且需要形式化验证专家的大量手工验证。为提高证明效率,构建一种自动证明模型,并在此基础上提出语义自动规约算法以及对所规约的语义自动生成证明脚本的算法。利用C++和Python并通过交互式定理证明器Isabelle 2017在基准数据中随机选择10个程序进行测试,结果表明,与完全人工操作相比,该算法具有较高的验证效率,可实现顺序语句块的自动化规约与验证。     

微内核架构文件系统的形式化设计与验证方法研究

文件系统作为数据存储和管理的功能模块,其正确性是操作系统安全性的重要方面.采用形式化方法对微内核架构文件系统进行设计,使用操作系统对象语义模型(OSOSM)框架提出微内核架构文件系统的状态自动机模型,并依此描述系统调用的功能语义和系统状态转换,分析和归纳文件系统的功能正确性断言.以实现的微内核安全操作系统(Verified Trusted Oper-ating System,VTOS)为例,阐述在Isabelle/HOL定理证明器环境中构建状态自动机模型的方法,并对VTOS文件系统的形式化设计和功能正确性断言进行一致性验证,结果显示,VTOS文件系统的设计和实现符合预期的正确性规格说明.     

操作系统对象语义模型(OSOSM)及形式化验证

操作系统的复杂性使得其安全性问题日益突出.有不少的研究工作采用形式化的方式对现有的操作系统进行了正确性的验证,这些工作主要是采用程序形式逻辑验证代码级的功能实现性.从系统设计的角度,以高阶逻辑和类型论为基础,提出了操作系统对象语义模型(OSOSM).OSOSM采用分层结构,包括基本功效层、实现层和优化层.OSOSM将操作系统中的行为主体和资源抽象为操作系统对象,建立操作系统的论域,利用以操作系统对象变元集合为定义域到论域的映射表示操作系统的状态,描述操作系统系统调用等行为的语义,使用逻辑系统的谓词公式表达操作系统的安全属性,给出如何验证操作系统在运行过程中保持安全策略和属性的形式化描述方法.以实现并经过形式化验证的可信操作系统(VTOS)为例,阐述OSOSM的语义正确性.使用Isabelle定理证明工具验证设计和安全需求的一致性,以说明VTOS具有预期的安全属性.     

操作系统形式化设计与安全需求的一致性验证研究

采用数学形式化方法对操作系统进行设计和验证可以保证系统的高度安全性.目前已有的操作系统形式化研究工作主要是验证系统的实现在代码级的程序正确性.提出一种操作系统形式化设计和验证的方法,采用操作系统对象语义模型(OSOSM)对系统的设计进行形式化建模,使用带有时序逻辑的高阶逻辑对操作系统的安全需求进行分析和定义.对象语义模型作为系统设计和形式化验证的联系.以实现和验证过的可信微内核操作系统VTOS为实例,阐述形式化设计和安全需求分析,并使用定理证明器Isabelle/HOL①对系统的设计和安全需求的一致性进行验证,表明VTOS达到预期的安全性.     

微内核操作系统互斥量模块功能正确性的形式化验证

操作系统在许多安全攸关领域为软件系统提供关键性底层支撑，操作系统中一个微小的错误或漏洞都可能引起整个软件系统的重大故障，造成巨大经济损失或危及人身安全.为了减少此类安全事故的发生，对操作系统正确性进行验证十分必要.传统测试手段无法穷尽系统中的所有潜在错误，因而操作系统验证有必要使用具有严格数学理论基础的形式化方法.在操作系统中，互斥量可协调多任务对资源的访问，是一种常用的任务同步方式，其功能正确性对于保障多任务应用的正确性十分关键.本文基于定理证明方法，在交互式定理证明器Coq中对某抢占式微内核操作系统的互斥量模块进行代码级形式化建模，给出其接口函数的形式化规范，并实现这些接口函数的功能正确性验证.     

安全协议的形式化验证方法概述

安全协议验证是网络安全领域中重大课题之一,目前对安全协议进行分析的主流方法是形式化方法。该文对现在常用的几种形式化验证方法进行了概述和分析,最后针对形式化技术在该领域的发展前景提出了自己的见解。     

VLSI设计形式化验证方法的综述

在本文中，作者讨论了形式验证的理论，并综述了各种形式验证的方法、系统及一些重要的应用，对形式验证的发展趋势也做了论述。     

事务级形式验证技术及8051验证模型

提出一种基于事务的用于电路系统的形式验证方法(TBFV)．应用该方法，验证工程师可以在行为级对系统进行验证，无需了解设计的细节．为了对该方法进行示范，验证了8051的RTL级实现，并给出了8051指令集的TBFV模型．     

BLP改进模型的形式化描述及自动化验证

在《信息安全技术操作系统安全技术要求》中,提出访问验证保护级安全操作系统的研发过程需要完全形式化的安全策略模型。针对该情况,对经典的数据机密性BLP模型进行相应改进,为系统中的主客体引入多级安全标签以及安全迁移规则,使其满足实际系统开发的需求。运用完全形式化的方法对改进模型的状态、不变量、迁移规则等进行描述,使用Isabelle定理证明器证明了迁移规则对模型的不变量保持性,从而实现对模型正确性的自动形式化验证,并保证了模型的可靠性。     

基于Event-B的航天器内存管理系统形式化验证

内存管理系统位于操作系统内核的最底层,为上层提供内存分配和回收机制.在航天器这类安全攸关的关键系统中,其可靠性和安全性至关重要,必须要考虑到强实时性、有限空间限制、高分配效率以及各种边界条件约束.因此,系统通常采用较为复杂的数据结构和算法来管理内存空间,同时需要采用非常严格的形式化方法来保证航天器这类安全攸关系统的高可信性.对复杂内存管理系统的形式化验证也会较之前的验证工作带来更多难题,主要体现在：内存管理模块中的复杂数据结构的形式化描述;操作的规范语义;行为的建模;内部函数的规范及断言定义与循环不变式的定义;实时性验证等方面.本文拟针对这些问题,深入分析实际的航天器操作系统内存管理系统的特性;探索基于分层迭代的语义描述与验证的一般性方法与理论,并应用这些理论方法,来验证一个具有实际应用的航天嵌入式操作系统的内存管理系统.本文研究成果有望被直接应用于我国新一代的航天器系统上.     

整数乘法电路的形式化验证方法研究

采用基于决策图的模型检验方法对整数乘法器验证时会出现内存爆炸,解决该问题的一种有效途径是采用反向替换方法.函数替换算法是反向替换方法的核心算法,如果保证被替换变量位于被替换函数的决策图顶层,替换算法可以简化.通过设置变量序和限定变量替换顺序,提出了一种保证被替换变量始终位于被替换函数决策图的顶层的反向替换方法,可极大降低整数乘法器验证的运行时间和内存使用量.实验结果表明,采用改进的反向替换方法,在1GB内存下,可将Add-Step乘法器的验证规模从84×84位提高到256×256位,将Diagonal乘法器的验证规模从84×84位提高到206×206位.     

On the Effective Deployment of Functional Formal Verification

We examine IBM's exploitation of formal verification using RuleBase—a formal verification tool developed by the IBM Haifa Research Laboratory. The goal of the paper is methodological. We identify an integrated methodology for the deployment of formal verification which involves three complementary modes: architectural verification, block-level verification, and design exploration.     

一种新的安全协议形式化验证方法

形式化方法能有效检验安全协议的安全性,BAN类逻辑的发展极大地促进了这一领域的研究,但是现有的BAN类逻辑仍然存在许多问题．在分析现有BAN类逻辑的基础上,提出一种新的安全协议形式化验证方法,实现现有BAN类逻辑的验证功能,并使安全协议验证工作简单可行,便于实现机器自动验证．为安全协议形式化验证提供了一种新的途径．     

一种自动的形式化验证技术-模型检测

模型检测是针对有限状态系统行为的逻辑性质的一种自动验证技术,已有许多工业应用.其主要缺陷是空间爆炸问题.本文通过一简单实例介绍其基本思想、检测步骤和相关理论,给出一些处理状态空间爆炸问题的优化技术,并与其它验证方法进行了比较,最后简单介绍了软件模型检测的新进展.