GJK算法的一种特殊情形的形式化验证和应用

计算几何算法经常用于机器人避碰运动规划等安全攸关领域,对这些算法进行正确性证明非常重要.用形式化方法对算法进行验证是一种十分有效的手段,尤其是定理证明的方法用严格的数学公理和定理推理证明逻辑模型的性质,对所验证的性质而言是完备的.基于GJK算法设计了计算空间两条线段间距离的算法,用定理证明器HOL4对其相关的定义和定理进行形式化定义和证明,进而基于霍尔逻辑完成形式化表示和证明,对该算法的正确性实现了形式化验证.最后,给出了这一经过验证的算法在双臂机器人无碰撞运动规划中的应用.     

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.     

复杂内核数据结构程序形式化验证

操作系统内核作为软件系统的基础组件, 其安全可靠是构造高可信软件系统的重要环节, 但是, 在实际的验证工作中, 操作系统内核中全局性质的不变式定义, 复杂数据结构程序的形式化描述和验证仍存在很多困难. 本文针对操作系统内核中满足的全局性质, 在代码层以函数为单位, 用全局不变式进行定义, 并在不同的函数中进行形式化验证, 从而证明各个函数符合操作系统内核的全局性质; 针对操作系统内核中经常使用的复杂数据结构程序, 本文通过扩展形状图理论, 提出一种使用嵌套形状图逻辑的方法来形式化描述复杂数据结构程序, 并对该方法进行了正确性证明, 最终成功验证操作系统内核中关于任务创建与调度, 消息队列创建与操作相关的代码.     

拟态路由器TCP代理设计实现与形式化验证研究CSCD

拟态路由器基于拟态防御的动态异构冗余架构进行设计,对于未知漏洞后门具有良好的防御能力。协议代理在拟态路由器中处于内外联络的枢纽位置,协议代理的安全性和功能正确性对于拟态路由器有着重要意义。本文设计实现了拟态路由器的TCP协议代理,并采用形式化方法,对其安全性和功能正确性进行了验证。TCP协议代理嗅探邻居和主执行体之间的TCP报文,模拟邻居和从执行体建立TCP连接,并向上层应用层协议代理提供程序接口。基于分离逻辑与组合思想,采用Verifast定理证明器,对TCP协议代理的低级属性,包括指针安全使用、无内存泄露、无死代码等,进行了验证;同时,还对TCP协议代理的各主要功能模块的部分高级属性进行了形式化验证。搭建了包含3个执行体的拟态路由器实验环境,对实现结果进行了实际测试,结果表明所实现的TCP代理实现了预期功能。TCP协议代理实现总计1611行C代码,其中形式化验证所需人工引导定理检查器书写的证明共计588行。实际开发过程中,书写代码实现与书写人工证明所需的时间约为1︰1。本文对TCP协议代理的实现与形式化验证工作证明了将形式化验证引入拟态路由器的关键组件开发中是确实可行的,且证明代价可以接受。     

拟态路由器TCP代理设计实现与形式化验证研究

拟态路由器基于拟态防御的动态异构冗余架构进行设计,对于未知漏洞后门具有良好的防御能力。协议代理在拟态路由器中处于内外联络的枢纽位置,协议代理的安全性和功能正确性对于拟态路由器有着重要意义。本文设计实现了拟态路由器的TCP协议代理,并采用形式化方法,对其安全性和功能正确性进行了验证。TCP协议代理嗅探邻居和主执行体之间的TCP报文,模拟邻居和从执行体建立TCP连接,并向上层应用层协议代理提供程序接口。基于分离逻辑与组合思想,采用Verifast定理证明器,对TCP协议代理的低级属性,包括指针安全使用、无内存泄露、无死代码等,进行了验证;同时,还对TCP协议代理的各主要功能模块的部分高级属性进行了形式化验证。搭建了包含3个执行体的拟态路由器实验环境,对实现结果进行了实际测试,结果表明所实现的TCP代理实现了预期功能。TCP协议代理实现总计1611行C代码,其中形式化验证所需人工引导定理检查器书写的证明共计588行。实际开发过程中,书写代码实现与书写人工证明所需的时间约为1:1。本文对TCP协议代理的实现与形式化验证工作证明了将形式化验证引入拟态路由器的关键组件开发中是确实可行的,且证明代价可以接受。     

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.     

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.     

SpaceWire译码电路在HOL4中的形式化验证

SpaceWire是在苛刻环境下的高速通信总线协议,译码电路是其接收端的关键电路,对该电路进行形式化验证具有重要的现实意义.形式化验证方法中的定理证明将需要分析的电路进行形式化建模,结合定理证明器,对模型的性质进行严格推理从而完成验证.本文运用定理证明的方法,在高阶逻辑证明工具HOL4中对SpaceWire总线的译码电路进行形式化验证.首先根据SpaceWire标准规范抽取相关性质,用高阶逻辑语言形式化描述;然后分析电路设计中的VHDL代码,依据代码实现的功能用相应的逻辑谓词建模;最后在HOL4中证明了译码电路设计的模型能满足所提取的性质.本文同时给出了形式化建模的方法和验证过程.     

超长整数运算的PVS规范与验证

超长整数的运算是现代密码系统的应用基础,运算的正确性关系到密码系统的应用价值。为了验证超长整数算法的设计与需求目标之间的一致性,利用原型验证工具PVS对算法的正确性进行了证明。在介绍了超长整数的加法和减法算法并分析了其设计思想之后,给出了超长整数及其算法的形式规范,通过把算法需要满足的性质描述为定理,将算法的一致性验证问题转化为逻辑定理证明的问题,在PVS定理证明器上完成了相关定理的证明,从而表明这些算法是满足设计需求的。     

反例引导的C代码空间流模型检测方法

软件验证一直是确保软件正确性和安全性的热点研究问题.然而,由于程序语言复杂的语法语义特性,应用形式化方法验证程序的正确性存在准确度低和效率差的问题.其中,由指针操作带来的地址空间的状态变化使得现有模型检测方法的检测准确度难以得到保证.为此,通过结合模型检测与稀疏值流分析方法,设计了一种空间流模型,实现了对C程序在符号变量层面和地址空间层面的状态行为的有效描述,并提出了一种反例引导的抽象细化和稀疏值流强更新算法(CEGAS),实现了C程序指向信息敏感的形式化验证.建立了包含多种指针操作的C代码基准库,并基于该基准库进行了对比实验.实验结果表明:所提出的模型检测算法CEGAS在分析含有多种C代码特性的任务中,与现有模型检测工具相比均能取得突出的结果,其检测准确度为92.9%,每行代码的平均检测时间为2.58 ms,优于现有检测工具.     

面向SPARC处理器架构的操作系统异常管理验证

航天器等安全关键系统是典型的嵌入式系统,具有多任务并发、中断频发等特点,操作系统是其最基础的软件,构建一个正确的操作系统是保障航天器系统高可信运行的关键.异常管理作为操作系统最底层的功能负责引导系统控制流的突变来响应处理器状态中的某些变化,异常管理的正确性是整个操作系统正确性的基础.本文提出了一种基于Hoare-logic的验证框架,用于证明面向SPARC处理器架构操作系统异常管理的正确性,特别针对多任务并发和中断频发实时操作系统异常嵌套与异常中发生任务切换的情况,将异常管理划分为五个阶段进行全面的形式化建模,并且在Coq证明定理辅助工具中实现了此框架.基于该框架验证了我国北斗三号在轨实际应用的航天器嵌入式实时操作系统SpaceOS异常管理功能的正确性.     

Deriving correctness properties of compiled code

When developing safety-critical software, it is the correctness of the object code that is paramount. However, it is desirable to perform formal verification on the source program. To ensure that correctness results proved about the source program do apply to the object code, the compiler used can be formally verified. However, care must be taken to ensure that the compiler correctness theorem proved is suitable. We have combined a derived programming logic with a verified compiler for a generic subset of the Vista structured assembly language. We show how correctness properties of object code can be formally derived from corresponding correctness properties of the source program which have been proved using the programming logic. Thus we can be sure the results do apply to the object code. The work described has been performed using the HOL system and so is machine-checked.     

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。      

基于Coq的微内核操作系统程序验证方法研究

机载嵌入式程序的可信属性验证是新一代飞机研制最关注的软件质量保障问题;基于定理证明的程序形式化验证方法是一种可靠和严格的软件正确性验证技术;文中在深入分析微内核操作系统的基础上,应用霍尔逻辑针对机载嵌入式软件核心代码开展程序验证技术研究,根据霍尔逻辑的相关推理规则进行程序验证,并在定理证明辅助工具Coq中形式化表示霍尔逻辑的推理规则,针对机载操作系统的部分程序代码实例进行验证;实验结果表明基于定理证明的程序验证方法可以对软件程序代码的正确性进行验证,从而帮助软件提供商开发高可信的机载嵌入式软件。     

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.     

Verification of Real Time Operating System Exception Management Based on SPARCv8

Exception management,as the lowest level function module of the operating system,is responsible for making abrupt changes in the control flow to react to exception events in the system.The correctness of the exception management is crucial to guaranteeing the safety of the whole system.However,existing formal verification projects have not fully considered the issues of exceptions at the assembly level.Especially for real-time operating systems,in addition to basic exception handling,there are nested exceptions and task switching by exceptions service routine.In our previous work,we used high-level abstraction to describe the basic elements of the exception management and verified correctness only at the requirement layer.Building on earlier work,this paper proposes EMS(Exception Management SPARCv8),a practical Hoare-style program framework to verify the exception management based on SPARCv8(Scalable Processor Architecture Version 8) at the design layer.The framework describes the low-level details of the machine,such as registers and memory stack.It divides the execution logic of the exception management into six phases for comprehensive formal modeling.Taking the executing scenario of the real-time operating system SpaceOS on the Beidou-3 satellite as an example,we use the EMS framework to verify the exception management.All the formalization and proofs are implemented in the interactive theorem prover Coq.     

On the correctness of upper layers of automotive systems

Formal verification of software systems is a challenge that is particularly important in the area of safety-critical automotive systems. Here, approaches like direct code verification are far too complicated, unless the verification is restricted to small textbook examples. Furthermore, the verification of application logic is of limited use in industrial context, unless the underlying operating system and the hardware are verified, too. This paper introduces a generic model stack, allowing the verification of all system layers as well as the concrete application models being used in the upper layers. The presented models and proofs close the gap between the correctness proof for the lower layers of car electronics developed at the Saarland University and the verification procedure for distributed applications developed at the Technische Universität München.     

基于Linux的嵌入式远程监控系统的设计

介绍了基于Linux的嵌入式远程监控系统.系统采用ARM9芯片控制方案实现系统功能并移植了具有一定实时性、源代码公开的嵌入时系统Linux,同时也给出了具体的软、硬件设计方案.实验表明所提出系统及实现方法的正确性和可行性.