LUẬN VĂN:KIỂM CHỨNG MÔ HÌNH PHẦN MỀM SỬ DỤNG NUSMV docx

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nông Gia Tự KIỂM CHỨNG MÔ HÌNH PHẦN MỀM SỬ DỤNG NUSMV KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công nghệ thông tin HÀ NỘI - 2010 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nông Gia Tự KIỂM CHỨNG MÔ HÌNH PHẦN MỀM SỬ DỤNG NUSMV KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công nghệ thông tin Cán bộ hướng dẫn: TS. Phạm Ngọc Hùng HÀ NỘI - 2010 Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV Nông Gia Tự i Lời cảm ơn Lời đầu tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Phạm Ngọc Hùng, thầy đã hướng dẫn em tận tình trong suốt năm học vừa qua. Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy, cô giáo trong Khoa Công nghệ thông tin - Trường Đại học Công nghệ - ĐHQGHN. Các thầy cô đã dạy bảo, chỉ dẫn chúng em và luôn tạo điều kiện tốt nhất cho chúng em học tập trong suốt quá trình học đại học đặc biệt là trong thời gian làm khoá luận tốt nghiệp. Tôi xin cảm ơn các bạn sinh viên lớp K51CD và lớp K51CNPM đã cho tôi những ý kiến đóng góp giá trị cùng những lời động viên khích lệ khi thực hiện đề tài này. Cuối cùng con xin gửi tới bố mẹ và toàn thể gia đình lòng biết ơn và tình cảm yêu thương. Hà Nội, ngày 15 tháng 5 năm 2008 Nông Gia Tự Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV Nông Gia Tự ii Tóm tắt Kiểm chứng mô hình (model checking) là một hướng tiếp cận hiệu quả cho việc đảm bảo chất lượng phần mềm. Kĩ thuật này được áp dụng để chứng minh một cách tự động tính đúng đắn của phần mềm hoặc chỉ ra tại sao phần mềm không chạy đúng thông qua phản ví dụ. Hiện nay có rất nhiều công cụ kiểm chứng mô hình phần mềm như NuSMV, SPIN, KRONOS Khóa luận này nghiên cứu lý thuyết cơ bản vè kiểm chứng mô hình, ngôn ngữ SMV dùng để mô hình hóa hệ thống và cách sử dụng NuSMV để kiểm chứng mô hình phần mềm. Kiểm chứng mô hình thường được áp dụng ở giai đoạn thiết kế vì việc mô hình hóa bản thiết kế hệ thống dễ dàng hơn mô hình hóa mã nguồn của hệ thống. Ngoài ra, việc sớm tìm ra lỗi ở bản thiết kế sẽ giúp giảm thiểu rủi ro của quá trình phát triển phần mềm. Vì thế chúng tôi tập trung tìm hiểu và đề xuất quy trình kiểm chứng mô hình sử dụng NuSMV ở giai đoạn thiết kế phần mềm. Đồng thời áp dụng quy trình này để kiểm chứng mô hình của phần mềm giả lập máy rút tiền tự động ATM. Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV Nông Gia Tự iii Mục lục Chương 1 Giới thiệu 1 1.1 Đặt vấn đề 1 1.2 Nội dung nghiên cứu của khóa luận 2 1.3 Cấu trúc khóa luận 2 Chương 2 Tổng quan về kiểm chứng mô hình và NuSMV 4 2.1 Tổng quan về kiểm chứng mô hình 4 2.1.1 Giới thiệu 4 2.1.2 Ý nghĩa của kiểm chứng mô hình 5 2.1.3 Sự khác nhau giữa kiểm chứng mô hình phần mềm và kiểm thử phần mềm 5 2.2 NuSMV 6 2.2.1 Giới thiệu 6 2.2.2 Kiến trúc của NuSMV 6 2.2.3 Sử dụng NuSMV để kiểm chứng mô hình 8 Chương 3 Giới thiệu về logic thời gian 9 3.1 Khái niệm 9 3.2 Các toán tử trong logic thời gian 9 3.2.1 Toán tử globally (toàn thể) 9 3.2.2 Toán tử next (tiếp theo) 10 3.2.3 Toán tử eventually (cuối cùng sẽ xảy ra) 10 3.3 TLT và CTL 10 3.4 Sử dụng temporal logic để mô tả một số thuộc tính cần kiểm chứng 11 3.4.1 Safety (tính an toàn) 11 3.4.2 Liveness (tính chạy được) 11 3.4.3 Fairness (tính công bằng) 12 Chương 4 Ngôn ngữ SMV 13 4.1 Tổng quan 13 4.2 Cấu trúc của chương trình viết bằng ngôn ngữ SMV 13 4.3 Các kiểu dữ liệu 13 4.3.1 Khai báo kiểu dữ liệu 13 Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV Nông Gia Tự iv 4.3.2 Kiểu logic (boolean), kiểu số nguyên (integer) và kiểu liệt kê (enum) 14 4.3.3 Mảng 14 4.3.4 Mảng nhiều chiều 15 4.3.5 Kiểu cấu trúc 15 4.4 Biến và các phép gán 16 4.5 Các phép toán 16 4.5.1 Phép gán 16 4.5.2 Tóan tử next 17 4.6 Máy trạng thái 18 Chương 5 20 Áp dụng NuSMV kiểm chứng mô hình phần mềm giả lập máy ATM 20 5.1 Đề xuất quy trình đặc tả và kiểm chứng phần mềm sử dụng NuSMV 20 5.1.1 Những cơ sở để đưa ra quy trình 20 5.1.2 Mô tả quy trình 21 5.2 Đặc tả và kiểm chứng mô hình phần mềm giả lập máy ATM 21 5.2.1 Đặc tả yêu cầu 21 5.2.1.1 Mô tả bài toán 21 5.2.1.2 Các tác nhân của hệ thống 22 5.2.1.3 Mô hình ca sử dụng tổng thể hệ thống 22 5.2.1.4 Bật máy 23 5.2.1.5 Tắt máy 23 5.2.1.6 Phiên làm việc 24 5.2.1.7 Giao dịch rút tiền 24 5.2.1.8 Giao dịch chuyển tiền 24 5.2.1.9 Giao dịch vấn tin tài khoản 25 5.2.1.10 Sai mã PIN 25 5.2.2 Đặc tả các thuộc tính cần kiểm chứng 25 5.2.3 Thiết kế hệ thống 25 5.2.3.1 Biểu đồ trạng thái tổng thể hệ thống 25 5.2.3.2 Biểu đồ trạng thái quá trình thực hiện một phiên làm việc của hệ thống 26 5.2.3.3 Biểu đồ trạng thái quá trình thực hiện giao dịch của hệ thống 27 Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV Nông Gia Tự v 5.2.4 Mô hình hóa hệ thống bằng ngôn ngữ SMV 28 5.2.4.1 Mô hình hóa tổng thể hệ thống 28 5.2.4.2 Mô hình hóa quá trình thực hiện phiên làm việc 29 5.2.4.3 Mô hình hóa quá trình thực hiện giao dịch 31 5.2.5 Kiểm chứng mô hình 33 Chương 6 Kết luận 35 Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV Nông Gia Tự vi Danh mục hình vẽ Hình 2.1. Nguyên tắc họat động của kiểm chứng mô hình. Hình 2.2. Sơ đồ kiến trúc NuSMV. Hình 5.1. Biểu đồ ca sử dụng hệ thống máy ATM. Hình 5.3. Biểu đồ trạng thái quá trình thực hiện một phiên làm việc của hệ thống ATM. Hình 5.4. Biểu đồ trạng thái quá trình thực hiện giao dịch của hệ thống ATM. Hình 5.5. Mô hình tổng thể hệ thống viết bằng ngôn ngữ SMV. Hình 5.6. Mô hình quá trình thực hiện một phiên làm việc của hệ thống bằng ngôn ngữ SMV. Hình 5.7. Mô hình quá trình thực hiện giao dịch của hệ thống ATM bằng ngôn ngữ SMV. Hình 5.8. Kết quả kiểm chứng mô hình tổng thể hệ thống. Hình 5.9. Kết quả kiểm chứng mô hình phiên làm việc của hệ thống. Hình 5.10. Kết quả kiểm chứng mô hình thực hiện giao dịch hệ thống. Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV Nông Gia Tự vii Danh mục từ viết tắt Ký hiệu Thuật ngữ ATM Automated Teller Machine BDD Binary Decision Diagram CTL Computation Tree Logic LTL Linear Time Logic Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV Nông Gia Tự 1 Chương 1 Giới thiệu 1.1 Đặt vấn đề Việc đảm bảo chất lượng phần mềm là một trong những công đoạn khó khăn nhất của việc phát triển phần mềm. Trong đó, việc đảm bảo tính đúng đắn của bản thiết kế ở bước sớm nhất có thể là một thách thức lớn nhất đối với bất kì quy trình phát triển phần mềm nào. Từ trước đến nay, phương pháp giả lập và kiểm thử thường được sử dụng để kiểm tra các bản thiết kế [5]. Tuy nhiên phương pháp này bộc lộ nhiều khiếm khuyết trong đó điểm yếu nghiêm trọng nhất chính là không thể khẳng định được chương trình đã hết lỗi hoặc ước lượng được số lỗi có thể sót lại trong bản thiết kế [5]. Kiểm chứng mô hình là một kỹ thuật kiểm chứng tự động các hệ thống hữu hạn trạng thái. Kiểm chứng mô hình xác minh tính đúng đắn của một mô hình bằng việc xác định xem các thuộc tính người dùng mong muốn có được thỏa mãn bởi mô hình đó hay không [6]. Về nguyên tắc hoạt động, hệ thống cần kiểm chứng sẽ được mô hình hóa. Công cụ kiểm chứng sẽ kiểm tra mô hình có thỏa mãn các thuộc tính được cho hay không. Nhờ khả năng duyệt qua tất cả các trạng thái trong mô hình mà tính đúng đắn của kết quả kiểm chứng mô hình luôn được đảm bảo. Nguyên tắc họat động của kiểm chứng mô hình như sau: Đóng vai trò xử lý dữ liệu tự động là một công cụ kiểm chứng mô hình. Đầu vào là hệ thống cần kiểm chứng đã được mô hình hóa và mô tả các thuộc tính cần kiểm chứng. Đầu ra là kết quả kiểm chứng – kết luận hệ thống hoàn toàn thỏa mãn các thuộc tính hoặc kết luận hệ thống không thỏa mãn một hoặc nhiều thuộc tính đi kèm với phản ví dụ. Nguyên tắc này được minh họa trong hình sau: [...]... cho người sử dụng Hình 2.2 Sơ đồ kiến trúc NuSMV [4] 7 Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV Nông Gia Tự 2.2.3 Sử dụng NuSMV để kiểm chứng mô hình Để kiểm chứng mô hình bằng NuSMV, chúng ta cần mô tả hệ thống và đặc tả các thuộc tính bằng ngôn ngữ SMV Sau đó sử dụng lệnh: nusmv tên_file trong đó tên_file là tên của file được viết bằng ngôn ngữ SMV 8 Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV Nông... thể dùng để thiết lập mô hình dùng cho việc kiểm chứng 19 Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV Nông Gia Tự Chương 5 Áp dụng NuSMV kiểm chứng mô hình phần mềm giả lập máy ATM 5.1 Đề xuất quy trình đặc tả và kiểm chứng phần mềm sử dụng NuSMV 5.1.1 Những cơ sở để đưa ra quy trình Để kiểm chứng một mô hình cần phải thực hiện hai bước: đầu tiên phải mô hình hóa phần mềm cần kiểm chứng sau đó cần định...Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV Nông Gia Tự Hình 2.1 Nguyên tắc họat động của kiểm chứng mô hình [7] Trong quá trình kiểm chứng mô hình, việc mô hình hóa hệ thống và đặc tả các thuộc tính thường được thực hiện thủ công Việc chứng minh mô hình có thỏa mãn các thuộc tính hay không đựơc thực hiện tự động bằng công cụ kiểm chứng mô hình Khóa luận này tập trung nghiên cứu và áp dụng công cụ kiểm chứng. .. tính cần kiểm chứng, mô hình hóa hệ thống và sử dụng NuSMV để phân tích, chứng minh hệ thống có thỏa mãn các thuộc tính cần kiểm chứng đó hay không 1.3 Cấu trúc khóa luận 2 Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV Nông Gia Tự Các phần còn lại của khóa luận có cấu trúc như sau: Chương 2 trình bày kiến thức cơ bản về kiểm chứng mô hình và giới thiệu về NuSMV, một công cụ kiểm chứng phần mềm Chương 3... kiểm chứng mô hình NuSMV vào việc kiểm chứng ở giai đoạn thiết kế phần mềm 1.2 Nội dung nghiên cứu của khóa luận NuSMV là một công cụ kiểm chứng mô hình mã nguồn mở Đầu vào của NuSMV là một file viết bằng ngôn ngữ SMV trong đó mô tả mô hình hệ thống và các đặc tả thuộc tính cần kiểm chứng Khóa luận nghiên cứu lý thuyết kiểm chứng mô hình và áp dụng NuSMV để kiểm chứng bản thiết kế phần mềm Quá trình... ra những kết luận sau khi thực hiện đề tài khóa luận và định hướng khóa luận trong tương lai 3 Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV Nông Gia Tự Chương 2 Tổng quan về kiểm chứng mô hình và NuSMV 2.1 Tổng quan về kiểm chứng mô hình 2.1.1 Giới thiệu Kiểm chứng mô hình là kỹ thuật phân tích hệ thống để xác định tính hợp lệ của một hay nhiều tính chất mà người dùng quan tâm trong một mô hình cho trước... thiệu về logic thời gian và sử dụng logic thời gian để mô tả các thuộc tính cần kiểm chứng Chương 4 trình bày về cú pháp, các kiểu dữ liệu của ngôn ngữ SMV, cách sử dụng ngôn ngữ SMV để mô tả một máy hữu hạn trạng thái Chương 5 tìm hiểu và đề xuất quy trình kiểm chứng mô hình ở giai đoạn thiết kế phần mềm sử dụng NuSMV, sau đó áp dụng quy trình này vào kiểm chứng mô hình phần mềm giả lập máy rút tiền... sau nó Tóm lại, nhờ khả năng xét đến yếu tố thời gian, temporal logic đã được sử dụng rộng rãi trong công nghệ kiểm chứng phần mềm Temporal logic thường được sử dụng để mô tả các thuộc tính cần kiểm chứng 10 Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV Nông Gia Tự 3.4 Sử dụng temporal logic để mô tả một số thuộc tính cần kiểm chứng 3.4.1 Safety (tính an toàn) Tính an toàn của một chương trình đảm bảo rằng... bước mô hình hóa và đặc tả chính là đầu vào của kiểm chứng mô hình Ở bước cuối cùng, kiểm chứng, công cụ kiểm chứng sẽ tự động thực hiện và trả về kết quả là thỏa mãn nếu mô hình thỏa mãn các thuộc tính, hoặc đưa ra một phản ví dụ nếu mô hình không thỏa mãn Dựa vào phản ví dụ, người ta có thể tìm ra được lý do vì sao mô hình không thỏa mãn các thuộc tính đặt ra 4 Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV. .. đồ trạng thái xây dựng mô hình bằng ngôn ngữ SMV 20 Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV Nông Gia Tự 5.1.2 Mô tả quy trình Mục tiêu của quy trình này là kiểm chứng phần mềm ở giai đoạn thiết kế hệ thống Việc kiểm chứng được thực hiện sau khi đã xây dựng được các biểu đồ trạng thái của hệ thống cần xây dựng Đối tượng của kiểm chứng chính là mô hình hoạt động dự kiến của phần mềm Sau đây là diễn giải . người sử dụng. Hình 2.2. Sơ đồ kiến trúc NuSMV [4]. Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV Nông Gia Tự 8 2.2.3 Sử dụng NuSMV để kiểm chứng mô hình Để kiểm chứng mô hình bằng NuSMV, . KRONOS Khóa luận này nghiên cứu lý thuyết cơ bản vè kiểm chứng mô hình, ngôn ngữ SMV dùng để mô hình hóa hệ thống và cách sử dụng NuSMV để kiểm chứng mô hình phần mềm. Kiểm chứng mô hình thường. logic đã được sử dụng rộng rãi trong công nghệ kiểm chứng phần mềm. Temporal logic thường được sử dụng để mô tả các thuộc tính cần kiểm chứng. Kiểm chứng mô hình phần mềm sử dụng NuSMV Nông Gia