Vérification automatisée des programmes qui s’exécutent sur des systèmes distribués

Automated verification of programs running on top of distributed systems

• Auteur / Autrice : Sidi Mohamed Beillahi
• Direction : Ahmed Bouajjani, Constantin Enea
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 15/03/2021
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mathématiques de Paris centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche en informatique fondamentale (Paris ; 2016-....)
• Jury : Président / Présidente : Mihaela Sighireanu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ahmed Bouajjani, Constantin Enea, Mihaela Sighireanu, Aarti Gupta, Roland Meyer, Aziz Parosh Abdulla, Viktor Vafeiadis
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Aarti Gupta, Roland Meyer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vérification de modèles (informatique)

Contrats intelligents

Blockchains

Traitement réparti

Mots clés libres

Smart contracts

Analyse de programmes

Synthèse de programmes

Smart contracts

Program analysis

Program synthesis

Résumé

Au cours des dernières décennies, les logiciels distribués ont pris une place centrale dans notre société. Ils sont utilisés dans divers domaines tels que la gestion des transactions bancaires et des achats en ligne, le télétravail, et l'enseignement à distance. Développer des logiciels distribués corrects et efficaces est un défi majeur. L'objectif de cette thèse est de proposer des techniques algorithmiques pour améliorer la fiabilité de ces logiciels, en se concentrant sur les applications logiciels qui s'exécutent au-dessus des systèmes de stockage distribués comme les bases de données ou la blockchain. Les bases de données permettent à des applications d'accéder simultanément aux données grâce à plusieurs sites répartis sur un réseau. La blockchain est un registre de stockage distribué et sécurisé par des techniques cryptographiques qui permet d'effectuer des tâches irréversibles entre différentes entités sans autorité de confiance centrale.L'exécution en parallèle d'un ensemble de transactions sur des bases de données est spécifiée à l'aide d'un formalisme appelé le modèle de cohérence. Par exemple, le modèle de sérialisabilité indique qu'un ensemble de transactions se comporte comme si elles étaient exécutées en série l'un après l'autre, même si elles se chevauchent dans le temps. Bien que simple à comprendre, la sérialisabilité entraîne une pénalité significative en terme de performance. Pour cette raison les bases de données modernes mettent en oeuvre des modèles de cohérence plus faibles. En général, il est plus complexe de mener des raisonnements sur ces modèles faibles. Dans cette thèse, nous étudions le problème de la vérification d'une propriété des applications logiciels qui s'exécutent au-dessus des bases de données appelée la robustesse. Étant donné deux modèles de cohérence comparables, une application est dite robuste si elle a le même comportement lorsqu'elle est exécutée sur deux bases de données mettant en oeuvre les deux modèles de cohérence. Dans cette thèse, nous étudions la complexité théorique de la vérification de la robustesse dans le contexte de plusieurs modèles de cohérence: causal consistency, prefix consistency, snapshot isolation, et la sérialisabilité. Nous donnons des réductions non triviales à un problème bien étudié dans la littérature de la vérification formelle, la vérification des assertions, qui permet la réutilisation des technologies de vérification existantes. Outre des résultats théoriques, nous proposons aussi des approches basées sur des sous/sur-approximations que nous évaluons sur des applications pratiques. Les applications logiciels exécutées au-dessus de la blockchain sont déployées sous la forme de smart contracts qui manipulent l'état de la blockchain. Les smart contracts sont principalement utilisés pour des opérations basées sur des crypto-monnaies valant plusieurs milliards de dollars. Par conséquent, des erreurs dans les smart contracts peuvent entraîner d'énormes pertes financières. Ces erreurs sont exacerbées par le fait que les smart contracts ne peuvent pas être modifiés une fois qu'ils sont déployés sur la blockchain. L'application des techniques de la vérification formelle pour auditer les smart contracts peut aider à éviter des erreurs coûteuses. Cependant, comme la plupart des smart contracts ne sont pas annotés avec leurs spécifications, la vérification formelle des propriétés fonctionnelles est entravée. Pour surmonter ce problème, nous explorons dans cette thèse les notions de raffinement entre smart contracts, qui permettent la réutilisationdes smart contracts vérifiés comme spécifications pour d'autres smart contracts, améliorant ainsi l'effort global de vérification

Over the past decades, distributed software became an integral part of our society, being used in various domains like online banking or shopping, distance learning, supply chain, and telecommuting. Developing correct and efficient distributed systems is a major and timely challenge. The objective of this dissertation is to propose algorithmic techniques for improving the reliability of such software, focusing on applications ran on top of distributed storage systems like databases and blockchain. Databases allow applications to access data concurrently from multiple sites in a network. Blockchain is a cryptographically-secure distributed ledger that allows to perform irreversible actions between different parties without a trusted authority. The effect of a set of database transactions executing in parallel is specified using a formalism called consistency model. For instance, serializability states that a set of transactions behave as if they were executed serially one after another even if they actually overlap in time. Although simple to understand, serializability carries a significant penalty on performance and modern databases implement weaker consistency models. In general, these weak models are more complex to reason about. In this dissertation, we investigate the problem of checking a property of applications called robustness. Given two comparable consistency models, an application is called robust if it has the same behaviors when ran on top of databases implementing these two models. This dissertation investigates the theoretical complexity of checking robustness in the context of several consistency models: causal consistency, prefix consistency, snapshot isolation, and serializability. It provides non-trivial reductions to a well-studied problem in formal verification, assertion checking, that enables the reuse of existing verification technology. Besides theoretical results, it proposes pragmatic approaches based on under/over-approximations that are evaluated on practical applications. Applications ran on top of blockchain are deployed in the form of smart contracts that manipulate the blockchain state. Smart contracts are mainly used to govern trading in cryptoassets that are worth billions of US dollars, and bugs can lead to huge financial losses. Exacerbating the impact of these bugs is the fact that smart contracts cannot be modified once they are deployed on the blockchain. Applying techniques from formal verification to audit smart contracts can help in avoiding expensive bugs. However, since most smart contracts are not annotated with formal specifications, formal verification of functional properties is impeded. To overcome this problem, this dissertation investigates notions of refinement between smart contracts, which enable the re-use of verified contracts as specifications for other contracts, thus scaling up the overall verification effort.