《模型检测技术》课件

模型检测技术通过形式化方法验证系统正确性自动分析系统模型，确保符合规范要求什么是模型检测？概念定义核心目标通过算法自动验证有限状态系证明系统符合形式化规范统性能指标验证覆盖度、响应时间、内存消耗模型检测发展历史11970年代时序逻辑理论基础建立21980年代Clarke、Emerson和Sifakis奠基性工作31990年代符号模型检测技术突破42000至今工业级应用与复杂系统验证模型检测的意义高可靠性保障关键系统安全验证，避免灾难性后果深度缺陷发现检测隐蔽并发错误，传统测试难以发现形式化证明提供系统正确性的数学保证开发周期优化早期发现设计缺陷，降低修复成本模型检测与传统验证对比模型检测传统测试•全自动数学验证•手动案例设计•穷尽状态空间•样本覆盖检测•反例自动生成•实现细节依赖•需要专业知识•易于理解应用形式化方法简介数学模型使用精确数学语言描述系统形式化规范用逻辑表达式定义系统性质自动验证算法检查模型是否满足规范系统模型抽象实际系统软件代码、硬件电路形式化模型状态转换系统Kripke结构数学表示模型结构详解Kripke状态集S转移关系R标记函数L系统所有可能状态状态间可能变化每个状态的原子命题初始状态I系统起始点状态空间定义状态集合转移关系系统所有可能配置状态间的演化规则原子命题路径系统基本可观察特性系统可能执行序列2314性质规范安全性不好的事情永不发生活性好的事情最终会发生公平性特定条件下事件必然发生无死锁系统不会停滞不前线性时序逻辑（）LTLX p下一状态p为真F p未来某状态p为真G p所有未来状态p为真p Uq p为真直到q为真p Rq q为真除非p为真分支时序逻辑CTL路径量词:A（所有路径）、E（存在路径）时态算子:X（下一状态）、F（未来）、G（全局）、U（直到）逻辑简介CTL*强大表达能力路径与状态公式高度概括性结合LTL和CTL特性灵活组合表达复杂性质更直观表达系统规范公理系统与推理规则35核心公理推导规则系统推理基础从已知导出新结论2检测方式显式与符号检测并发系统的模型检测并发模型交互分析多进程同时执行信息传递与共享互斥保障死锁检测4临界资源保护资源互锁状态时序自动机与模型检测状态与迁移描述系统随时间变化时钟变量捕捉时间流逝时间约束限定状态转换条件不变量状态存在的时间范围有穷与无穷状态系统有穷状态无穷状态•状态数量固定•状态无限多•完全可检测•需抽象简化•适合硬件验证•软件系统常见状态爆炸的解决方法状态裁剪剔除不相关状态状态压缩等价状态合并符号表示高效表达大状态集组合检测4分解为子问题（布尔判定图）技术BDD树形数据结构状态集压缩紧凑表示布尔函数节省存储空间高效布尔操作加速检测算法抽象与精化方法过度抽象创建简化模型验证抽象模型检查安全性质伪反例分析判断错误真实性模型精化增加必要细节组合爆炸与分布式检测基于符号的模型检测1符号状态表示用逻辑公式表示状态集合2隐式状态遍历无需枚举所有具体状态3SAT/SMT求解判定逻辑公式可满足性4固定点计算迭代计算性质满足集随机模型检测方法概率模型随机采样•马尔可夫链•蒙特卡洛模拟•马尔可夫决策过程•随机游走策略•概率时序自动机•统计模型检测真实时间模型检测时间自动机表示连续时间流逝TCTL扩展时间约束表达能力混合系统模型检测混合自动机微分约束可达性分析结合离散跳变与连续演化描述连续变量变化规律验证系统安全边界工业协议模型检测应用通信协议工控系统保证消息顺序递交验证安全互锁逻辑安全协议事务处理4防止信息泄露与篡改保证原子性与一致性软件模型检测原理源代码分析提取程序控制流状态空间构建2变量值组合形成状态性质验证检查所有可能执行路径硬件模型检测原理电路描述数字电路转换为状态机时序建模刻画信号时序关系协议验证保证接口时序正确性性能分析检查时序约束满足分布式系统模型检测节点建模消息传递并发交互一致性检查独立组件状态表示进程间通信机制非确定事件顺序状态同步与共识多核与并行系统模型检测多核交互共享内存访问建模数据竞争检测并发访问冲突死锁分析资源循环等待检测内存一致性验证内存模型实现主流模型检测工具概览SPIN并发系统、协议验证NuSMV符号模型检测UPPAAL实时系统验证PRISM概率模型检测TLA+分布式算法验证模型检测器详细介绍SPINPROMELA语言验证特点反例生成验证协议建模专用语言高效并发系统验证直观展示错误执行路径模型检测器NuSMVSMV语言声明式状态描述符号技术基于BDD高效验证双重支持同时支持LTL与CTL工业应用广泛用于硬件验证及其实时系统检测UPPAAL图形化建模模拟器验证引擎时序自动机可视化设计交互式系统行为探索高效时序属性检查概率模型检测器PRISM随机模型概率时序逻辑12马尔可夫链与决策过程PCTL与CSL规范语言应用领域数值计算43通信协议、生物系统、安全协议概率边界精确计算及应用TLA+核心特性工业应用案例•时序逻辑框架•亚马逊云服务•数学精确描述•微软Azure存储•高层抽象能力•分布式数据库典型验证案例一互斥锁正确性关键性质互斥性、无死锁、无饥饿验证方法状态可达性分析典型验证案例二处理器缓存一致性缓存协议建模MESI协议状态转换一致性属性规范共享数据一致视图模型检测验证穷举协议所有状态组合典型验证案例三协议死锁检测4节点数量网络协议参与者16消息类型协议交换信息1024状态空间可能配置数量2发现死锁循环等待条件工业模型检测典型应用操作系统微内核航空航天软件金融交易系统保证隔离性与安全性满足极高安全等级验证事务原子性模型检测实际应用挑战状态爆炸大型系统状态空间巨大模型构建2从实际系统提取精确模型属性表达形式化表达需求挑战专业门槛需要数学与逻辑专业知识最新研究进展机器学习辅助并行算法智能化模型抽象与精化多GPU加速大规模检测组合优化量子计算高效SAT/SMT求解器探索量子加速可能性自动化工具链集成代码分析自动提取系统模型持续集成CI流程中自动验证缺陷报告与Bug跟踪系统集成版本控制代码提交前检查人工智能与模型检测结合开源社区与主流发展活跃开源项目持续改进验证技术专业社区促进学术与工业合作国内相关研究与项目高校研究国产工具工业应用清华、北大、中科院PAT、VeriStar、华为、阿里等企业实前沿贡献MoCha等践人才培养形式化方法专业教育学习与研究建议经典教材在线课程学术会议《模型检测原理》、《系统验证》Coursera、edX相关课程CAV、TACAS、CONCUR等常见问题解析与答疑入门难点工具选择数学基础与形式语言针对不同应用选择工具结果解读验证范围理解反例意义合理限定验证边界本课程知识结构回顾课程总结与展望核心收获行业前景掌握形式化验证基础方法关键系统验证需求增长技术展望学习建议智能化与大规模系统验证突破理论实践结合，参与开源项目。