Formal Verification of Distributed Algorithms using PlusCal-2
Vérification Formelle d'Algorithmes Distribués en PlusCal-2
Résumé
Designing sound algorithms for concurrent and distributed systems is subtle and challenging. These systems are prone to deadlocks and race conditions, which occur in particular interleavings of process actions and are therefore hard to reproduce. It is often nontrivial to precisely state the properties that are expected of an algorithm and the assumptions on the environment under which these properties should hold. Formal verification is a key technique to model the system and its properties and then perform verification by means of model checking. Formal languages like TLA+ have the ability to describe complicated algorithms quite concisely, but algorithm designers often find it difficult to model an algorithm in the form of formulas. In this thesis, we present PlusCal-2 that aims at be- ing similar to pseudo-code while being formally verifiable. PlusCal-2 improves upon Lamport's PlusCal algorithm language by lifting some of its restrictions and adding new constructs. Our language is intended for describing algorithms at a high level of abstraction. It resembles familiar pseudo-code but is quite expressive and has a formal semantics. Finite instances of algorithms described in PlusCal-2 can be verified through the TLC model checker. The second contribution presented in this thesis is a study of partial-order reduction methods using conditional and constant dependency relation. To compute conditional dependency for PlusCal-2 algorithms, we exploit their locality information and present them in the form of independence predicates. We also propose an adaptation of a dynamic partial-order reduction algorithm for a variant of the TLC model checker. As an alternative to partial-order reduction based on conditional dependency, we also describe a variant of a static partial-order reduction algorithm for the TLC model checker that relies on constant dependency relation. We also present our results for the experiments along with the proof of correctness.
La conception d'algorithmes pour les systèmes concurrents et répartis est subtile et difficile. Ces systèmes sont enclins à des blocages et à des conditions de course qui peuvent se produire dans des entrelacements particuliers d'actions de processus et sont par conséquent difficiles à reproduire. Il est souvent non-trivial d'énoncer précisément les propriétés attendues d'un algorithme et les hypothèses que l'environnement est supposé de satisfaire pour que l'algorithme se comporte correctement. La vérification formelle est une technique essentielle pour modéliser le système et ses propriétés et s'assurer de sa correction au moyen du model checking. Des langages formels tels TLA+ permettent de décrire des algorithmes compliqués de manière assez concise, mais les concepteurs d'algorithmes trouvent souvent difficile de modéliser un algorithme par un ensemble de formules. Dans ce mémoire nous présentons le langage PlusCal-2 qui vise à allier la simplicité de pseudo-code à la capacité d'être vérifié formellement. PlusCal-2 améliore le langage algorithmique PlusCal conçu par Lamport en levant certaines restrictions de ce langage et en y ajoutant de nouvelles constructions. Notre langage est destiné à la description d'algorithmes à un niveau élevé d'abstraction. Sa syntaxe ressemble à du pseudo-code mais il est tout à fait expressif et doté d'une sémantique formelle. Des instances finies d'algorithmes écrits en PlusCal-2 peuvent être vérifiées à l'aide du model checker tlc. La deuxième contribution de cette thèse porte sur l'étude de méthodes de réduction par ordre partiel à l'aide de relations de dépendance conditionnelle et constante. Pour calculer la dépendance conditionnelle pour les algorithmes en PlusCal-2 nous exploitons des informations sur la localité des actions et nous générons des prédicats d'indépendance. Nous proposons également une adaptation d'un algorithme de réduction par ordre partiel dynamique pour une variante du model checker tlc. Enfin, nous proposons une variante d'un algorithme de réduction par ordre partiel statique (comme alternative à l'algorithme dynamique), s'appuyant sur une relation de dépendance constante, et son implantation au sein de tlc. Nous présentons nos résultats expérimentaux et une preuve de correction.
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