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.     

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.     

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.     

操作系统汇编级形式化设计和验证方法

由于系统的巨大规模,操作系统设计和实现的正确性很难用传统的方法进行描述和验证.在汇编层形式化地对系统模块的功能语义进行建模,提出一种汇编级的系统状态模型,作为汇编语言层设计和验证的纽带.通过定义系统状态模型的合法状态和状态转换函数来建立系统状态模型的论域,并以此来描述汇编层的论域.通过验证汇编层的功能模块的正确性来保证汇编语言层设计的正确性,达到对系统功能实现的正确性验证.同时,使用定理证明工具Isabelle/HOL来形式化地描述这一系统状态模型,基于这一形式化模型,在Isabelle/HOL中验证系统模块的功能语义的正确性.以实现的安全可信OS（verified secure operating system,简称VSOS）为例,阐述了所提出的形式化设计和验证方法,说明了这一方法的可行性.     

扩展不干扰模型(ENISM)及基于CSP的描述和验证方法

在不干扰理论的基础上,提出扩展不干扰模型ENISM及其验证方法,用以描述和分析操作系统中的信息流策略.工作包括:(1)依据系统功能模块定义多个执行域,以即将执行的可能动作序列集合与可读取的数据存储值集合一同作为ENISM定义执行域安全状态的基础;(2)给出判定系统中不存在违反策略的执行轨迹和数据流动的条件ENISM-CC;(3)基于通信顺序进程给出ENISM-CC的语义及操作系统模块设计的形式化描述和验证方法.     

一种用于类C语言环境的安全的类型化内存模型

使用形式化方法对程序进行验证是保证软件可信的重要手段.对于像C语言这样的较低级的命令式语言可以直接对内存进行操作,对其操作语义或公理语义的形式化需要基于合适的内存模型.传统的字节内存模型可以很好地描述各种内存操作,但是无法保证安全性,同时使程序验证变得异常复杂.面向对象语言的内存模型则具有较高的抽象性,便于程序验证,但不适合描述低级的内存操作.结合字节内存模型和面向对象语言内存模型,提出一种安全的类型化的内存模型,既可用于对语义的形式化,也可用于基于霍尔逻辑的程序验证.此内存模型既允许指针算术、结构赋值、类型转换等内存操作,同时也可以有效减少因指针别名给程序验证带来的复杂度.基于Coq辅助定理证明工具,对内存模型进行了形式化实现和验证.     

面向访问验证保护级的安全VMM形式化原型系统设计和实现

操作系统是计算机软件系统的基础,具有控制逻辑复杂、安全性和可靠性要求高等特点。在国内外高等级安全操作系统的规范和标准中,都提出了对内核进行形式化规范和验证的要求。近年来国内相关研究机构相继开发了满足GB 17859-1999“强制访问控制级”和“结构化保护级”的安全操作系统原型,但对更高级别的安全操作系统的研发尚属空白。在“面向访问验证保护级安全操作系统”课题的研究中,设计并实现了一个基于Haskell的安全VMM原型系统—CASVisor.CASVisor严格定义了系统的形式化规范,可用于指导高性能的C程序的实现,并为形式化的分析和验证打下基础,同时CASVisor具备模拟功能,以便实施基于快速原型的开发方法。     

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.     

分布式操作系统形式化生成系统模型的研究

分布式操作系统形式化系统模型ＤＯＳＦＳ主要由文法ＤＯＳＦＳＧ和语义ＤＯＳＦＳＳ两部分组成。其中文法部分采用了上下文无关文法，语义部分则是一个带操作集的语义系统。ＤＯＳＦＳ按照抽象、描述、细化三个过程自动模拟生成分布式操作系统。本文主要介绍了文法ＤＯＳＦＳＧ的定义、性质，语义系统ＤＯＳＦＳＳ的设计思想、相关的数据结构、操作及其定义等。     

基于设计演算的形式化用例分析建模框架

提出一种形式化用例分析建模框架,引入类图、用例顺序图、用例状态图、功能规约函数和系统不变式从多个角度为需求建模.通过定义这些视图的形式化语义,为需求的各个方面定义了准确的形式化描述.利用该框架,可以从方法的交互行为规约和功能规约合成描述方法全部行为的全规约;也可以定义用例模型的性质,并通过设计演算中的证明来分析验证这些性质.作为应用,研究了检查用例模型一致性的规则.给出一个实例说明建模框架的可行性.     

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.     

面向安全关键内存管理系统分层验证方法

安全关键系统的失败会造成很严重的后果,确保其正确性非常重要.空间嵌入式操作系统是一个典型的安全关键系统,在其内存管理的设计上,必须保障其高效的分配与回收,同时对系统资源的占用降到最低.在传统的软件开发过程中,通常是在整个软件开发结束后再进行集中测试及验证,这样势必会造成开发进展的不确定性.因此,将形式化验证方法和软件工程领域内的“需求-设计-实现”的3层开发框架相结合,通过性质分层传递验证的方法,保证了各个层次间的一致性.首先,从需求层面的需求分析开始,引入形式化证明的思路,证明对需求层逻辑的正确性,从而可以更好地指导程序的设计.其次,在设计层面的验证可以极大地减少开发代码的错误率,证明设计算法和需要实现的函数之间调用逻辑的正确性.最后,在实现层,证明所实现代码与函数设计的一致性,并且证明代码实现的正确性.使用交互式定理证明辅助工具Coq,以某一国产空间嵌入式操作系统的内存管理模块为例,证明了其内存管理算法的正确性以及需求、设计、实现的一致性.     

基于服务体/执行流模型的MiniCore系统的容错设计

空间环境中的计算机系统要求高可靠性.针对存储受限的空间嵌入式实时系统,从内存可靠性和任务容错调度两个角度出发,提出了一种两级容错设计方案.该方案由系统级的周期性内存检错纠错机制和任务级的一种改进的主/副版本容错调度机制组成.方案的实验验证在一款基于服务体/执行流模型(SEFM)设计的嵌入式操作系统MiniCore中进行.加入两级容错机制后,内存数据准确性得到保证,MiniCore内核代码空间增加了约33%,时间性能指标略微下降,任务的执行成功率和调度质量显著增加.     

RTEMS存储管理的研究与改进

对嵌入式实时操作系统RTEMS的两种存储管理方法——分区和区域进行了分析和研究。分区管理是将内存划分为大小相等的缓存块,以队列的形成将空闲缓存块组织在一起,并以缓存块为单位动态地分配。区域管理以可变大小的内存段进行分配,用双向链表来管理空闲内存段,采用首次适应算法对内存进行分配。由于区域管理算法复杂,因此,本文提出带辅助位示图的位示图存储管理方案,使内存分配更加简单,同时也解决了空闲区合并问题,提高了RTEMS的可靠性和实时性。     

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.     

VxWorks下的内存管理

探讨了VxWorks 中内存分配策略的实现。对80386/80486的段页式管理机制进行了介绍,对VxWorks下的内存管理机制进行了阐述,并以VxWorks下通过DMA方式传输语音数据为例进一步剖析VxWorks的内存分配策略。对于嵌入式系统和应用的开发具有一定的参考价值。     

Model Checking Dynamic Memory Allocation in Operating Systems

Most system software, including operating systems, contains dynamic data structures whose shape and contents should satisfy design requirements during execution. Model checking technology, a powerful tool for automatic verification based on state exploration, should be adapted to deal with this kind of structure. This paper presents a method to specify and verify properties of C programs with dynamic memory management. The proposal contains two main contributions. First, we present a novel method to extend explicit model checking of C programs with dynamic memory management. The approach consists of defining a canonical representation of the heap, moving most of the information from the state vector to a global structure. We provide a formal semantics of the method that allows us to prove the soundness of the representation. Secondly, we combine temporal LTL and CTL logic to define a two-dimensional logic, in time and space, which is suitable to specify complex properties of programs with dynamic data structures. We also define the model checking algorithms for this logic. The whole method has been implemented in the well known model checker SPIN, and illustrated with an example where a typical memory reader/writer driver is modelled and analyzed.     

基于Coq的操作系统任务管理需求层建模及验证

为确保星上操作系统中任务管理设计的可靠性,利用定理证明工具Coq对操作系统任务管理模块进行需求层建模及形式化验证.本文从用户角度基于星上操作系统任务管理的基本机制,提出了一种基于任务状态列表集合的验证框架,在需求层将基本机制进行形式化建模并在Coq中实现,针对建立的需求层模型提出6条与实际星上操作系统任务管理一致的性质并进行验证.给出其中一条性质在Coq中的验证过程,结果表明模型满足该条性质.