Kiểm chứng tự động các hệ thời gian thực xác suất

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN ĐỨC THỌ KIỂM CHỨNG TỰ ĐỘNG CÁC HỆ THỜI GIAN THỰC XÁC SUẤT Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Kỹ thuật phần mềm Mã số: 60.48.01.03 LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TIẾN SỸ ĐẶNG VĂN HƯNG Hà Nội - 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi tìm hiểu, nghiên cứu, tham khảo tổng hợp từ tài liệu nghiên cứu trước làm theo hướng dẫn người hướng dẫn khoa học Phần nội dung đóng góp luận văn thực Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác, nội dung trích dẫn có tham chiếu đầy đủ Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm lời cam đoan Nếu có điều sai trái, tơi xin chịu hình thức kỷ luật theo quy định nhà trường Tác giả Nguyễn Đức Thọ LỜI CẢM ƠN Đầu tiên xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy TS.Đặng Văn Hưng, Bộ môn Kỹ thuật Phần mềm, Khoa Công nghệ Thông tin, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, người định hướng đề tài tận tình hướng dẫn, bảo cho tơi suốt trình thực luận văn tốt nghiệp Tôi xin trân trọng cảm ơn thầy cô Khoa Công nghệ Thông tin, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội tận tình giảng dạy, hướng dẫn nghiên cứu khoa học cho suốt thời gian theo học trường trình làm luận văn Xin cảm ơn anh, chị, em bạn học viên môn Kỹ thuật Phần mềm, người giúp đỡ, động viên tinh thần chia sẻ kinh nghiệm quý báu giúp tơi vượt qua khó khăn, vướng mắc để hồn thành luận văn Mặc dù cố gắng, tin luận văn tơi cịn nhiều thiếu sót có nhiều nội dung hồn thiện tốt Tơi mong nhận ý kiến đánh giá, phê bình góp ý thầy cơ, anh chị bạn Trân trọng, Tác giả Nguyễn Đức Thọ MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Các ký hiệu Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN Chương CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI 11 2.1 Xích Markov thời gian rời rạc (DTMC) 11 2.2 Quá trình định Markov (MDP) 17 2.3 Xích Markov thời gian liên tục (CTMC) 19 Chương KIỂM CHỨNG TỰ ĐỘNG CÁC PTA 19 3.1 Các định nghĩa cho PTA 20 3.2 Đặc tả tính chất cho PTA (properties specification for PTAs) 26 3.3 Các phương pháp kiểm chứng tự động PTA 29 3.3.1 Xây dựng đồ thị miền (region graph contruction) 30 3.3.2 Đồ thị miền biên (boundary region graph) 32 3.3.3 Phương pháp đồng hồ số (digital clock method) 33 3.3.4 Phương pháp đạt lùi (backward reachability) 34 3.3.5 Làm mịn trừu tượng với trò chơi ngẫu nhiên (abstraction refinement with stochastic games) 35 3.3.6 So sánh phương pháp kiểm chứng 35 3.3.7 Các cài đặt thực tế công cụ hỗ trợ 36 3.4 Cơng cụ kiểm chứng mơ hình PRISM 37 3.4.1 Giới thiệu công cụ PRISM 37 3.4.2 Sử dụng PRISM kiểm chứng tính chất PTA 37 Chương KIỂM CHỨNG MỘT SỐ PTA BẰNG PRISM 39 4.1 Kiểm chứng giao thức ABP 39 4.1.1 Giới thiệu giao thức bít luân phiên 39 4.1.2 Mô hình hóa giao thức ABP PTA 41 4.2 Cài đặt hệ truyền tin ABP công cụ PRISM 44 4.2.1 Kết kiểm chứng đánh giá 47 4.2.1.1Pmax = ? [F “finished”] 47 4.2.1.2Pmax = ? [F “lost”] 48 4.3 Hệ điều khiển tự động đường ngang 52 4.3.1 Mơ hình hóa PTA 52 4.3.2 Cài đặt PRISM 55 4.3.3 Kết kiểm chứng 56 4.3.3.1Kiểm chứng Pmax = ?[F “success”] 57 4.3.3.2Kiểm chứng Pmax = ?[F “safe”] 57 4.3.3.3Kiểm chứng Pmax = ?[F “jam”] 58 KẾT LUẬN 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Thuật ngữ, chữ viết tắt STT PTA DTMC CTMC MDP TA CTL PCTL PTCTL Diễn giải Probability Timed Automata Ô tô mát thời gian xác suất Discrete Time Markov Chain Xích Markov thời gian rời rạc Continuous Time Markov Chain Xích Markov thời gian liên tục Markov Decision Process Q trình Quyết định Markov Timed Automata Ơ tơ mát thời gian Computation Tree Logic Cây logic tính tốn Probability Computation Tree Logic Cây logic tính tốn xác suất Probability Timed Computation Tree Logic Cây logic tính tốn thời gian xác suất Các ký hiệu STT Ký hiệu Giá trị biểu diễn Tập nhãn gắn cạnh Tập số nguyên Tập số thực Tập số hữu tỉ, biểu diễn dạng a/b với a, b số nguyên  Quan hệ tập ⊨ Thỏa mãn điều kiện Tập đồng hồ PTA χ Ràng buộc thời gian PTA Danh mục bảng Bảng 4.1: Cài đặt hệ thực thi ABP PRISM 44 Bảng 4.2: Quy mơ tính tốn DATA = 10 30; RETRY = 48 Bảng 4.3: Cài đặt hệ điều khiển đường ngang PRISM 55 Danh mục hình vẽ, đồ thị Hình 2.1: Markov chain 12 Hình 2.2 Minh họa MDP với trạng thái (s0, s1, s2) tập phân bố xác suất Steps (0-5) 18 Hình 3.1: Minh họa PTA 24 Hình 4.1: Các thành phần hệ thực thi giao thức bit luân phiên 39 Hình 4.2: Hoạt động Bên gửi/Bên nhận ABP 40 Hình 4.3:Biểu đồ mơ tả trạng thái Bên gửi, Bên nhận 41 Hình 4.4:Biểu đồ trạng thái Nguồn gửi trình truyền tin 43 Hình 4.5:Biểu đồ trạng thái Bên gửi trình truyền tin 44 Hình 4.6:Biểu đồ trạng thái Bên nhận trình truyền tin 44 Hình 4.7:Pmax = ? [F "finished"] 47 Hình 4.8:Pmax = ? [F "lost"] 48 Hình 4.9:Pmax =? [F true; // thoat endmodule module controller sc:[0 3] init 0; // 0: ko co tau, idle // 1: nhan tin hieu tau vua den // 2: Vua gui lenh gac // 3: Nhan tin hieu tau vua thoat z: clock; //invariant 56 // (sc = => z < 1) //endinvariant [approach] (sc = 0) -> (1-SFR): (sc' = 1) & (z' = 0) + SFR: (z'= 0); [lower] (sc = 1) & (z < 1) -> (sc' = 2); [exit] (sc = 2) -> (1-SFR): (sc' = 3) & (z' = 0) + SFR: (sc' = 2); [raise] (sc = 3) & (z < 1) -> (sc' = 0); [raise] (sc = 3) & (z = 1) -> (sc' = 0); // endmodule module gate sg:[0 3] init 0; //0: khong co tau, gac mo //1: vua nhan lenh Ha tu controller //2: Da thuc hien chan gac, gac dong //3: Da nhan lenh nang gac tu controller //4: Gac tau mo cong, ket thuc qua trinh tau di qua jam: bool init false; y: clock; [lower] (sg = 0) -> (1-CFR): (sg' = 1) & (y' = 0) + CFR: (y' = 0);// nhan lenh chan [down] (sg = 1) & (y < 1) -> (1 - GFR): (sg' = 2) + GFR: (sg' = 1); //chan duoc xuong thoi gian (1-CFR):(sg' = 3) & (y' = 0) & (jam' = false) + CFR: (sg' = 2) & (jam' = true); //nhan lenh nang chan, xac suat loi Controller ko gui dc lenh [up] (sg = 3) & (y < 2) & (y > 1) -> (1-GFR): (sg' = 0) + GFR: (sg' = 3) & (jam' = true); //chan dc nang thoi gian 1