Contract-based modeling and verification of timed safety requirements for system design in SysML

• Auteur / Autrice : Iulia Dragomir
• Direction : Iulian Ober, Christian Percebois
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sureté de logiciel et calcul de haute performance
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

SysML (informatique)

Temps réel (informatique)

Mots clés libres

Raisonnement à base de contrats

Systèmes temps-réel

Exigences de sûreté

Conception à base de composants

Vérification compositionnell

Model-checking

Résumé

De nos jours, les systèmes informatiques croissent en taille et en complexité. Intégrés dans des dispositifs de différents domaines tels que l'avionique, l'aéronautique, l'électronique grand public, etc. , ils sont souvent considérés comme critiques à l'égard de la vie humaine, des coûts et de l'environnement. Concevoir des systèmes embarqués temps-réel critiques sûrs et fiables est une tâche difficile, étant donné que leurs modèles sont souvent source d'erreurs. Une façon pour les concepteurs de contourner cette difficulté consiste à s'appuyer sur la modélisation compositionnelle de composants logiciels pilotée par les exigences. Le raisonnement à base de contrats permet de construire des composants sûrs à partir des exigences globales du système en interposant des spécifications abstraites et partielles entre les besoins du système et les composants eux-mêmes. Informellement, un contrat modélise le comportement abstrait d'un composant du point de vue de l'exigence à satisfaire (c. A. D garantie) dans un contexte donné (c. A. D. Hypothèse). Les contrats peuvent être exploités pour décomposer et tracer les exigences au cours d'un développement itératif, mais aussi pour effectuer une vérification compositionnelle de la satisfaction des exigences. Dans cette thèse, nous présentons une méthodologie de raisonnement à base de contrats pour la conception et la vérification de systèmes sûrs développés en SysML. Ainsi, nous définissons en UML/SysML la syntaxe des contrats et des relations de raffinement entre contrats et/ou composants qui sont utilisées pour prouver la correction du système par rapport aux exigences. Ensuite, nous proposons un cadre formel qui modélise la sémantique d'un modèle UML/SysML étendu par des contrats selon une variante d'automates temporisés entrée/sortie et nous définissons la correspondance entre ces concepts. Nous formalisons les relations de raffinement par la relation d'inclusion de traces et nous prouvons leurs propriétés compositionnelles ce qui assure la correction de la méthodologie. L'approche est instanciée pour le profil OMEGA et la boîte à outils IFx2 qui génère partiellement les obligations de preuve. Finalement, plusieurs études de cas dont une issue de l'industrie complètent la théorie pour évaluer l'approche à base de contrats et ses résultats et les comparer aux méthodes classiques de model-checking.

Nowadays computer systems grow larger in size and more complex. Embedded in devices from different domains like avionics, aeronautics, consumer electronics, etc. , they are often considered critical with respect to human life, costs and environment. A development that results in safe and reliable critical real-time embedded systems is a challenging task, considering that errors are accidentally inserted in the design. A way for system designers to tackle this issue is to use a compositional design technique based on components and driven by requirements: it allows to infer from global requirements, component properties that must locally hold. Contract-based reasoning allows to compositionally derive correct components from global system requirements by interposing abstract and partial specifications for components. Informally, a contract models the abstract behavior a component exhibits from the point of view of the requirement to be satisfied (i. E. Guarantee) in a given context (i. E. Assumption). Contracts can be used to decompose and trace requirements during iterative design, but also to perform compositional verification of requirement satisfaction. In this thesis, we present a methodology for reasoning with contracts during system design and verification within SysML. Thus, we define the syntax for contracts in UML/SysML, as well as a set of refinement relations between contracts and/or components in order to prove the system's correctness with respect to requirements. Next, we provide a formal framework that models the semantics of a UML/SysML model extended with contracts as a mapping of the language concepts to a variant of Timed Input/Output Automata. The refinement relations are formalized based on the trace inclusion relation and compositional properties are proved to hold which ensures the soundness of the methodology. The approach is instantiated for the OMEGA Profile and IFx2 toolset with partial automatic generation of proof obligations. Finally, the approach is applied on several case studies, including an industry-grade system model, which show its efficiency by comparative verification results.