A Machine-Checked Proof of Correctness of Pastry
Une preuve certifiée par la machine de la correction du protocole Pastry
Résumé
A distributed hash table (DHT) is a peer-to-peer network that offers the function of a classic hash table, but where different key-value pairs are stored at different nodes on the network. Like a classic hash table, the main function provided by a DHT is key lookup, which retrieves the value stored at a given key. Examples of DHT protocols include Chord, Pastry, Kademlia and Tapestry. Such DHT protocols certain correctness and performance guarantees, but formal verification typically discovers border cases that violate those guarantees. In his PhD thesis, Tianxiang Lu reported correctness problems in published versions of Pastry and developed a model called {\LP}, for which he provided a partial proof of correct delivery of lookup messages assuming no node failure, mechanized in the {\TLA} Proof System. In analyzing Lu's proof, I discovered that it contained unproven assumptions, and found counterexamples to several of these assumptions. The contribution of this thesis is threefold. First, I present {\LPP}, a revised {\TLA} specification of {\LP}. Aside from needed bug fixes, {\LPP} contains new definitions that make the specification more modular and significantly improve proof automation. Second, I present a complete {\TLA} proof of correct delivery for {\LPP}. Third, I prove that the final step of the node join process of {\LP}/{\LPP} is not necessary to achieve consistency. In particular, I develop a new specification with a simpler node join process, which I denote by {\SLP}, and prove correct delivery of lookup messages for this new specification. The proof of correctness of {\SLP} is written by reusing the proof for {\LPP}, which represents a success story in proof reuse, especially for proofs of this size. Each of the two proofs amounts to over 32,000 proof steps; to my knowledge, they are currently the largest proofs written in the {\TLA} language, and---together with Lu's proof---the only examples of applying full theorem proving for the verification of DHT protocols
Les réseaux pair-à-pair (P2P) constituent un modèle de plus en plus populaire pour la programmation d’applications Internet car ils favorisent la décentralisation, le passage à l’échelle, la tolérance aux pannes et l’auto-organisation. à la différence du modèle traditionnel client-serveur, un réseau P2P est un système réparti décentralisé dans lequel tous les nœuds interagissent directement entre eux et jouent à la fois les rôles de fournisseur et d’utilisateur de services et de ressources. Une table de hachage distribuée (DHT) est réalisée par un réseauP2P et offre les mêmes services qu’une table de hachage classique, hormis le fait que les différents couples (clef, valeur) sont stockés dans différents nœuds du réseau. La fonction principale d’une DHT est la recherche d’une valeur associée à une clef donnée. Parmi les protocoles réalisant une DHT on peut nommer Chord, Pastry, Kademlia et Tapestry. Ces protocoles promettent de garantir certaines propriétés de correction et de performance ; or, les tentatives de démontrer formellement de telles propriétés se heurtent invariablement à des cas limites dans lesquels certaines propriétés sont violées. Tian-xiang Lu a ainsi décrit des problèmes de correction dans des versions publiées de Pastry. Il a conçu un modèle, appelé LuPastry, pour lequel il a fourni une preuve partielle, mécanisée dans l’assistant à la preuve TLA+ Proof System, démontrant que les messages de recherche de clef sont acheminés au bon nœud du réseau dans le cas sans départ de nœuds. En analysant la preuve de Lu j’ai découvert qu’elle contenait beaucoup d’hypothèses pour lesquelles aucune preuve n’avait été fournie, et j’ai pu trouver des contre-exemples à plusieurs de ces hypothèses. La présente thèse apporte trois contributions. Premièrement, je présente LuPastry+, une spécification TLA+ revue de LuPastry. Au-delà des corrections nécessaires d’erreurs, LuPastry+ améliore LuPastry en introduisant de nouveaux opérateurs et définitions, conduisant à une spécification plus modulaire et isolant la complexité de raisonnement à des parties circonscrites de la preuve, contribuant ainsi à automatiser davantage la preuve. Deuxièmement, je présente une preuve TLA+ complète de l’acheminement correct dans LuPastry+. Enfin, je démontre que l’étape finale du processus d’intégration de nœuds dans LuPastry (et LuPastry+) n’est pas nécessaire pour garantir la cohérence du protocole. Concrètement, j’exhibe une nouvelle spécification avec un processus simplifié d’intégration de nœuds, que j’appelle Simplified LuPastry+, et je démontre qu’elle garantit le bon acheminement de messages de recherche de clefs. La preuve de correction pour Simplified LuPastry+ est obtenue en réutilisant la preuve pour LuPastry+, et ceci représente un bon succès pour la réutilisation de preuves, en particulier considérant la taille de ces preuves. Chacune des deux preuves requiert plus de 30000 étapes interactives ; à ma connaissance, ces preuves constituent les preuves les plus longues écrites dans le langage TLA+ à ce jour, et les seuls exemples d’application de preuves mécanisées de théorèmes pour la vérification de protocoles DHT
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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