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C语言程序安全验证中K-归纳算法的改进

C语言程序安全验证中K-归纳算法的改进

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作者：白静媛天津理工大学

学位级别：硕士

近年来,随着互联网发展规模的逐步壮大与区块链、物联网、人工智能等专业的兴起,系统安全在软件开发的过程中的重要地位逐渐凸显,形式化验证方法也逐渐被人们所重视。在无边界模型检测中,K-归纳法具有极其重要的地位,也是唯一一种未使... 详细信息

近年来,随着互联网发展规模的逐步壮大与区块链、物联网、人工智能等专业的兴起,系统安全在软件开发的过程中的重要地位逐渐凸显,形式化验证方法也逐渐被人们所重视。在无边界模型检测中,K-归纳法具有极其重要的地位,也是唯一一种未使用抽象技术的程序验证方法。这种方法结合了有界模型验证和归纳方法,使用数学归纳的思想证明程序的正确性,是验证程序安全性的一种十分有效方法。现有的很多成熟的安全验证工具已经实现了K-归纳算法。K-归纳算法可以在有限的时间内,展开循环,用归纳的方式来验证整个循环状态空间的安全性。当安全属性定义在循环内时,根据归纳思想,K-归纳法很容易证明循环状态空间的安全性。然而,当待验证的安全属性定义在循环外时,需要验证的是循环状态中的最后一个状态的安全性,而非整个循环状态空间的安全性。当循环状态空间非常大或循环条件未定义时,K-归纳法将不能及时完成验证。本文针对不同的程序特性提出了两种方法使得K-归纳法能够对安全属性定义在循环外的程序展开验证。对于非确定性循环程序,本文借助LLVM工具对程序进行初步规范化,通过控制流自动机对程序进行预处理的方式使其适应K-归纳法,从而得出验证结果。对于确定性循环程序,本文将K-归纳算法与基于反例引导的谓词抽象算法结合起来。反例引导的抽象精炼算法是一种基于谓词抽象的检测反例的方法,这种方法会根据伪反例不断精炼抽象模型,直至发现一条真反例,或者精炼所有伪反例证明程序的正确性。当待验证属性定义在循环外时,基于谓词抽象的反例精炼可以有效的帮助K-归纳法验证循环状态的最后一个状态,进而得出程序的验证结果。最后,本文以对比实验的方式比较了改进方法与传统的K-归纳法的执行结果,证明了改进方法对K-归纳方法的有效性。

关键词：软件验证不变量 K-归纳法谓词抽象基于反例引导的谓词抽象

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