Slicing Communicating Automata Specifications: Polynomial Algorithms for Model Reduction
Réduction paramétrée de spécifications formées d'automates communicants : algorithmes polynomiaux pour la réduction de modèles
Résumé
This PhD thesis is concerned with formal methods for languages of communicating automata specifications. In the industry, this kind of languages is mainly used in fields where the reliability requirements are high (e.g. aeronautical, transportation industries), as a mean of improving the precision of specifications, and exploiting simulation, testing and verification tools, for the purpose of specification validation. Still, on large scale industrial specifications, formal methods suffer from the combinatorial explosion phenomenon; this is notably due to the manipulation of wide numerical domains, and the specifications inner parallelism.
In our contribution, we suggest to bypass this phenomenon, in applying "slicing" techniques before the targeted complex analysis. This analysis can thus be performed a posteriori on a reduced (or sliced) specification, which is potentially less exposed to combinatorial explosion. Our slicing method is based on dependence relations, defined on the specification under analysis, and is mainly founded on the literature on compiler construction and program slicing. In this thesis, we state a theoretical framework for static analyses of communicating automata specifications, in which we formally define the aforementioned dependence relations, together with the concept of a "slice" of a specification with respect to a slicing "criterion". Then, we describe and prove the efficient algorithms that we designed for calculating dependence relations and specification slices. Finally, we describe our implementation of these algorithms in the "Carver" tool, for slicing communicating automata specifications.
In our contribution, we suggest to bypass this phenomenon, in applying "slicing" techniques before the targeted complex analysis. This analysis can thus be performed a posteriori on a reduced (or sliced) specification, which is potentially less exposed to combinatorial explosion. Our slicing method is based on dependence relations, defined on the specification under analysis, and is mainly founded on the literature on compiler construction and program slicing. In this thesis, we state a theoretical framework for static analyses of communicating automata specifications, in which we formally define the aforementioned dependence relations, together with the concept of a "slice" of a specification with respect to a slicing "criterion". Then, we describe and prove the efficient algorithms that we designed for calculating dependence relations and specification slices. Finally, we describe our implementation of these algorithms in the "Carver" tool, for slicing communicating automata specifications.
Les travaux décrits dans ce manuscrit de thèse s'inscrivent dans le cadre des méthodes formelles pour les langages de spécifications formées d'automates communicants. Ce type de langage est largement utilisé dans les industries de pointe où le niveau de fiabilité requis est élevé (e.g. aéronautique, transports), car ils permettent d'améliorer la précision des spécifications et d'exploiter des outils de simulation, de test ou de vérification qui contribuent à la validation des spécifications. Un frein au passage à l'échelle industrielle de ces méthodes formelles est connu sous le nom de l'explosion combinatoire, qui est due à la fois à la manipulation de larges domaines numériques, et au parallélisme intrinsèque aux spécifications.
L'idée que nous proposons consiste à contourner ce phénomène en appliquant des techniques de réduction paramétrée, pouvant être désignées sous le terme anglo-saxon "slicing'', en amont d'une analyse complexe. Cette analyse peut ainsi être effectuée a posteriori sur une spécification réduite, donc potentiellement moins sujette à l'explosion combinatoire. Notre méthode de réduction paramétrée est basée sur des relations de dépendances dans la spécification sous analyse, et est fondée principalement sur les travaux effectués par les communautés de la compilation et du slicing de programmes. Dans cette thèse nous établissons un cadre théorique pour les analyses statiques de spécifications formées d'automates communicants, dans lequel nous définissons formellement les relations de dépendances mentionnées ci-dessus, ainsi que le concept de "tranche" de spécification par rapport à un "critère" de réduction. Ensuite, nous décrivons et démontrons les algorithmes efficaces que nous avons mis au point pour calculer les relations de dépendances et les tranches de spécifications, et enfin nous décrivons notre mise en oeuvre de ces algorithmes dans l'outil "Carver", pour la réduction paramétrée de spécifications formées d'automates communicants.
L'idée que nous proposons consiste à contourner ce phénomène en appliquant des techniques de réduction paramétrée, pouvant être désignées sous le terme anglo-saxon "slicing'', en amont d'une analyse complexe. Cette analyse peut ainsi être effectuée a posteriori sur une spécification réduite, donc potentiellement moins sujette à l'explosion combinatoire. Notre méthode de réduction paramétrée est basée sur des relations de dépendances dans la spécification sous analyse, et est fondée principalement sur les travaux effectués par les communautés de la compilation et du slicing de programmes. Dans cette thèse nous établissons un cadre théorique pour les analyses statiques de spécifications formées d'automates communicants, dans lequel nous définissons formellement les relations de dépendances mentionnées ci-dessus, ainsi que le concept de "tranche" de spécification par rapport à un "critère" de réduction. Ensuite, nous décrivons et démontrons les algorithmes efficaces que nous avons mis au point pour calculer les relations de dépendances et les tranches de spécifications, et enfin nous décrivons notre mise en oeuvre de ces algorithmes dans l'outil "Carver", pour la réduction paramétrée de spécifications formées d'automates communicants.
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