BSP-Why, a tool for deductive verification of BSP programs : sémantiques mécanisées et application aux algorithmes d'espace d'états distribués

BSP-Why, un outil pour la vérification déductive de programmes BSP : machine-checked semantics and application to distributed state-space algorithms

• Auteur / Autrice : Jean Fortin
• Direction : Frédéric Gava
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 14/10/2013
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'algorithmique, complexité et logique (Créteil)
• Jury : Président / Présidente : Roberto Di Cosmo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Gava, Bart Jacobs, Jan Georg Smaus, Elisabeth Pelz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean Christophe Filliatre, Alan Stewart, Sandrine Blazy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Protocoles de réseaux d'ordinateurs

Parallélisme (informatique)

Langages de programmation -- Sémantique

Mots clés libres

Bsp

Sémantiques

Vérification déductive

Bsp

Semantics

Deductive Verification

Résumé

Cette thèse s'inscrit dans le domaine de la vérification formelle de programmes parallèles. L'enjeu de la vérification formelle est de s'assurer qu'un programme va bien fonctionner comme il le devrait, sans commettre d'erreur, se bloquer, ou se terminer anormalement. Cela est d'autant plus important dans le domaine du calcul parallèle, où le coût des calculs est parfois très élevé. Le modèle BSP (Bulk Synchronous Parallelism) est un modèle de parallélisme bien adapté à l'utilisation des méthodes formelles. Il garantit une forme de structure dans le programme parallèle, en l'organisant en super-étapes où chacune d'entre elle est composées d'une phase de calculs, puis d'une phase de communications entre les unités de calculs. Dans cette thèse, nous avons choisi d'étendre un outil actuel pour l'adapter à la preuve de programmes BSP. Nous nous sommes basés sur Why, un VCG (générateur de condition de vérification) qui a l'avantage de pouvoir s'interfacer avec plusieurs prouveurs automatiques et assistants de preuve pour décharger les obligations de preuves. Les contributions de cette thèse sont multiples. Dans un premier temps, nous présentons une comparaison des différentes librairies BSP disponibles, afin de mettre en évidence les primitives de programmation BSP les plus utilisées, donc les plus intéressantes à formaliser. Nous présentons ensuite BSP-Why, notre outil de preuve des programmes BSP. Cet outil se repose sur une génération d'un programme séquentiel qui simule le programme parallèle entré permettant ainsi d'utiliser Why et les nombreux prouveurs automatiques associés pour prouver les obligations de preuves. Nous montrons ensuite comment BSP-Why peut-être utilisé pour prouver la correction de quelques algorithmes BSP simples, mais aussi pour un exemple plus complexe qu'est la construction distribuée de l'espace d'états (model-checking) de systèmes et plus particulièrement dans les protocoles de sécurité. Enfin, afin de garantir la plus grande confiance dans l'outil BSP-Why, nous formalisons les sémantiques du langage, dans l'assistant de preuve Coq. Nous démontrons également la correction de la transformation utilisée pour passer d'un programme parallèle à un programme séquentiel

This thesis takes part in the formal verification of parallel programs. The aim of formal verification is to ensure that a program will run as it should, without making mistakes, blocking, or terminating abnormally. This is even more important in the parallel computation field, where the cost of calculations can be very high. The BSP model (Bulk Synchronous Parallelism) is a model of parallelism well suited for the use of formal methods. It guarantees a structure in the parallel program, by organising it into super-steps, each of them consisting of a phase of computations, then communications between the processes. In this thesis, we chose to extend an existing tool to adapt it for the proof of BSP programs. We based ourselves on Why, a VCG (verification condition generator) that has the advantage of being able to interface with several automatic provers and proof assistants to discharge the proof obligations. There are multiple contributions in this thesis. In a first part, we present a comparison of the existing BSP libraries, in order to show the most used BSP primitives, which are the most interesting to formalise. We then present BSP-Why, our tool for the proof of BSP programs. This tools uses a generation of a sequential program to simulate the parallel program in input, thus allowing the use of Why and the numerous associated provers to prove the proof obligations. We then show how BSP-Why can be used to prove the correctness of some basic BSP algorithms, and also on a more complex example, the generation of the state-space (model-checking) of systems, especially for security protocols. Finally, in order to ensure the greatest confidence in the BSP-Why tool, we give a formalisation of the language semantics, in the Coq proof assistant. We also prove the correctness of the transformation used to go from a parallel program to a sequential program