đặc tả và kiểm chứng các phần mềm tương tranh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Lê Hồng Phong
ĐẶC TẢ VÀ KIỂM CHỨNG CÁC PHẦN MỀM
TƯƠNG TRANH
KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Công nghệ thông tin
HÀ NỘI - 2010
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Lê Hồng Phong
ĐẶC TẢ VÀ KIỂM CHỨNG CÁC PHẦN MỀM
TƯƠNG TRANH
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP HỆ ĐẠI HỌC CHÍNH QUY
Ngành: công nghệ phần
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Lê Hồng Phong
ĐẶC TẢ VÀ KIỂM CHỨNG CÁC PHẦN MỀM
TƯƠNG TRANH
KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Công nghệ thông tin
Cán bộ hướng dẫn: Ts. Phạm Ngọc Hùng
Cán bộ đồng hướng dẫn: Ths. Đặng Việt Dũng
HÀ NỘI - 2010
Đặc tả và kiểm chứng các phần mềm tương tranh
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Phạm Ngọc Hùng và thầy
Đặng Việt Dũng đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong quá trình thực hiện đề tài.

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Khoa Công nghệ Thông tin,
trường Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã tận tình giảng dạy, trang bị
cho em những kiến thức quý báu trong suốt thời gian qua.
Con xin chân thành cảm ơn ông bà, cha mẹ đã luôn động viên, ủng hộ con trong
suốt thời gian học tập và thực hiện khóa luận tốt nghiệp.
Tôi xin cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ và ủng hộ của anh chị em, bạn bè trong quá
trình thực hiện khóa luận.
Mặc dù đã cố gắng hoàn thành khóa luận trong phạm vi và khả năng cho phép
nhưng chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự thông
cảm, góp ý và tận tình chỉ bảo của quý thầy cô và các bạn.
Hà Nội, ngày 15 tháng 5 năm 2010
Sinh viên thực hiện
Lê Hồng Phong
i
Đặc tả và kiểm chứng các phần mềm tương tranh
TÓM TẮT
Phần mềm tương tranh, một phần mềm được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống
nhúng và các hệ thống điều khiển. Chúng có vai trò vô cùng quan trọng trong việc điều
khiển các hệ thống đó. Chỉ cần một lỗi nhỏ của phần mềm có thể gây ra hậu quả vô
cùng nghiêm trọng vì những hệ thống này có thể trực tiếp và gián tiếp ảnh hưởng đến
cuộc sống của con người. Chính vì vậy phần mềm tương tranh phải được kiểm chứng để
giảm thiểu tối đa lỗi của chương trình. Vì những lý do đó, đề tài “Đặc tả và kiểm chứng
các phần mềm tương tranh” đề cập tới phương pháp hình thức, các lý thuyết về máy hữu
hạn trạng thái (Finite State Process, FSP) và sử dụng máy hữu hạn trạng thái để đặc tả
thiết kế và mã nguồn của phần mềm tương tranh. Từ đó sử dụng công cụ phân tích máy
hữu hạn trạng thái để kiểm chứng xem thiết kế và mã nguồn của phần mềm có lỗi và
chạy đúng theo yêu cầu không.
Do thời gian có hạn nên phần thực nghiệm trong khóa luận này em chỉ thực hiện
kiểm chứng một applet được viết bằng Java. Thiết kế của bài toàn đã được đặc tả sẵn
bằng FSP. Nhiệm vụ của em là kiểm chứng xem thiết kế đó có lỗi xác hay không và

chuyển mã nguồn Java của applet thành FSP để kiểm chứng xem mã nguồn có chạy
đúng theo thiết kế hay không.
ii

Đặc tả và kiểm chứng các phần mềm tương tranh
MỤC LỤC
Lê Hồng Phong ................................................................................................................ 1
HÀ NỘI - 2010 ......................................................................................................................................... 1
Lê Hồng Phong ................................................................................................................ 2
HÀ NỘI - 2010 ......................................................................................................................................... 2
Chương 1: Giới thiệu ...................................................................................................... 1
1.1 Nhu cầu thực tế và lý do thực hiện đề tài .......................................................................................... 1
1.2 Mục tiêu của đề tài ............................................................................................................................ 2
1.3 Nội dung của khóa luận ..................................................................................................................... 2
Chương 2: Các khái niệm cơ bản .................................................................................. 4
Trong chương này chúng ta sẽ tìm hiểu một số khái niệm về phương pháp mô
hình hóa, máy hữu hạn trạng thái, máy dịch chuyển trạng thái có gán nhãn và
công cụ hỗ trợ kiểm chứng LTSA. ................................................................................ 4
2.1 Phương pháp mô hình hóa ................................................................................................................ 4
Hình 2.1: Nghiên cứu khí động học trên mô hình ô tô ............................................... 4
2.2 FSP (Finite State Process) ................................................................................................................ 5
2.2.1 Khái niệm FSP ........................................................................................................................... 5
Hình 2.2.1a: Mô hình hóa hành trình bay của máy bay. .......................................... 6
2.2.2 Các thành phần cơ bản trong FSP ............................................................................................. 6
Hình 2.2.2a: Máy trạng thái DRINKS ........................................................................ 7
Hình 2.2.2b: Máy trạng thái Gate ............................................................................... 8
2.2.3 Quy trình tuần tự ......................................................................................................................... 9
Hình 2.3.1c [1] : Tiến trình tuần tự BOMP .............................................................. 10
Hình 2.3.1d[1]: Sự tổng hợp tuần tự LOOP ............................................................. 10
Hình 2.3.1e[1] : Sự tổng hợp song song hai tiến trình tuần tự. ............................... 11

2.3 LTS (Labelled Transition System) ................................................................................................... 11
2.3.1 LTS ............................................................................................................................................ 11
Hình 2.3.1a: Máy trạng thái PHIN .......................................................................... 12
Hình 2.3.1b: Máy trạng thái FORK ......................................................................... 12
vi
Đặc tả và kiểm chứng các phần mềm tương tranh
2.3.2 Deadlock ................................................................................................................................... 12
2.3.2.1 Khái niệm ........................................................................................................................... 12
Hình 2.3.2.1a: Bữa tối của triết gia[1] .................................................................... 13
Hình 2.3.2.1b: Deadlock[1] ..................................................................................... 13
2.3.2.2 Phân tích Deadlock ............................................................................................................ 13
2.3.3 Thuộc tính An toàn (safety property) ........................................................................................ 14
2.3.4 Thuộc tính Liveness (Liveness property) .................................................................................. 14
2.4 Công cụ LTSA ................................................................................................................................. 15
Hình 2.4a: Mô hình hành động của chiếc ô tô ........................................................ 15
Hình 2.4b: LTSA animator điều khiển các hành động trong mô hình 2.4a .......... 15
2.5 Kết luận ............................................................................................................................................ 16
Chương 3: Kiểm chứng thiết kế .................................................................................. 17
3.1 Đặc tả thiết kế bằng FSP ................................................................................................................ 17
Hình 3.1: Mô tả các ô tô đi qua một chiếc cầu hẹp[1] ............................................. 18
3.3. Kiểm chứng thiết kế bằng LTSA .................................................................................................... 22
3.3.1 Giao diện của công cụ LTSA .................................................................................................... 23
Hình 3.3.1: Giao diện công cụ LTSA ........................................................................ 23
3.3.2 Check safety ............................................................................................................................. 24
Hình 3.3.2: Kết quả hiển thị sau khi check safety ................................................... 24
3.3.3 Check Progress ........................................................................................................................ 24
Hình 3.3.3: Kết quả hiển thị khi check progress ..................................................... 25
3.3.4 Compile ..................................................................................................................................... 25
Hình 3.3.4: Kết quả hiển thị khi biên dịch đoạn mã LTS ...................................... 26
3.3.5 LTS Analiser ............................................................................................................................. 26

Hình 3.3.5: LTS Analiser SingleLaneBridge ........................................................... 27
3.3.6 LTSA Animator .......................................................................................................................... 28
Hình 3.3.6: Animator SingleLandBridge ................................................................. 29
3.4 Kết luận ............................................................................................................................................ 30
Chương 4: Kiểm chứng cài đặt .................................................................................... 31
4.1 Phương pháp để kiểm chứng cài đặt ............................................................................................. 31
vii
Đặc tả và kiểm chứng các phần mềm tương tranh
4.2 Cách chuyển từ mã nguồn Java sang FSP ..................................................................................... 31
Bảng 4.3.2a Những toán tử tương đương giữa FSP và Java ......................................................... 32
Bảng 4.3.2b: Các thành phần cơ bản khi chuyển từ Java sang FSP: ............................................. 32
4.3 Ứng dụng để chuyển mã nguồn bài toán “SingleLandBridge” ....................................................... 34
4.5 Kiểm chứng cài đặt .......................................................................................................................... 36
Hình 4.5a: Mở tệp SafeBridge bằng công cụ LTSA ................................................. 36
Hình 4.5b: Check safety phương thức redExit ............................................................................... 37
Hình 4.5c: Check prgress phương thức redExit .............................................................................. 38
Hình 4.5d: Máy trạng thái REDEXIT ...................................................................... 39
Hình 4.5e: Máy trạng thái REDEXIT trong thiết kế. ......................................................................... 40
4.6 Kết luận ............................................................................................................................................ 40
Chương 5: Kết luận ....................................................................................................... 41
Tài liệu tham khảo ........................................................................................................ 42
viii
Đặc tả và kiểm chứng các phần mềm tương tranh
Danh mục các hình vẽ
Lê Hồng Phong ................................................................................................................ 1
HÀ NỘI - 2010 ......................................................................................................................................... 1
Lê Hồng Phong ................................................................................................................ 2
HÀ NỘI - 2010 ......................................................................................................................................... 2
Chương 1: Giới thiệu ...................................................................................................... 1
1.1 Nhu cầu thực tế và lý do thực hiện đề tài .......................................................................................... 1

1.2 Mục tiêu của đề tài ............................................................................................................................ 2
1.3 Nội dung của khóa luận ..................................................................................................................... 2
Chương 2: Các khái niệm cơ bản .................................................................................. 4
Trong chương này chúng ta sẽ tìm hiểu một số khái niệm về phương pháp mô
hình hóa, máy hữu hạn trạng thái, máy dịch chuyển trạng thái có gán nhãn và
công cụ hỗ trợ kiểm chứng LTSA. ................................................................................ 4
2.1 Phương pháp mô hình hóa ................................................................................................................ 4
Hình 2.1: Nghiên cứu khí động học trên mô hình ô tô ............................................... 4
2.2 FSP (Finite State Process) ................................................................................................................ 5
2.2.1 Khái niệm FSP ........................................................................................................................... 5
Hình 2.2.1a: Mô hình hóa hành trình bay của máy bay. .......................................... 6
2.2.2 Các thành phần cơ bản trong FSP ............................................................................................. 6
Hình 2.2.2a: Máy trạng thái DRINKS ........................................................................ 7
Hình 2.2.2b: Máy trạng thái Gate ............................................................................... 8
2.2.3 Quy trình tuần tự ......................................................................................................................... 9
Hình 2.3.1c [1] : Tiến trình tuần tự BOMP .............................................................. 10
Hình 2.3.1d[1]: Sự tổng hợp tuần tự LOOP ............................................................. 10
Hình 2.3.1e[1] : Sự tổng hợp song song hai tiến trình tuần tự. ............................... 11
ix
Đặc tả và kiểm chứng các phần mềm tương tranh
2.3 LTS (Labelled Transition System) ................................................................................................... 11
2.3.1 LTS ............................................................................................................................................ 11
Hình 2.3.1a: Máy trạng thái PHIN .......................................................................... 12
Hình 2.3.1b: Máy trạng thái FORK ......................................................................... 12
2.3.2 Deadlock ................................................................................................................................... 12
2.3.2.1 Khái niệm ........................................................................................................................... 12
Hình 2.3.2.1a: Bữa tối của triết gia[1] .................................................................... 13
Hình 2.3.2.1b: Deadlock[1] ..................................................................................... 13
2.3.2.2 Phân tích Deadlock ............................................................................................................ 13
2.3.3 Thuộc tính An toàn (safety property) ........................................................................................ 14

2.3.4 Thuộc tính Liveness (Liveness property) .................................................................................. 14
2.4 Công cụ LTSA ................................................................................................................................. 15
Hình 2.4a: Mô hình hành động của chiếc ô tô ........................................................ 15
Hình 2.4b: LTSA animator điều khiển các hành động trong mô hình 2.4a .......... 15
2.5 Kết luận ............................................................................................................................................ 16
Chương 3: Kiểm chứng thiết kế .................................................................................. 17
3.1 Đặc tả thiết kế bằng FSP ................................................................................................................ 17
Hình 3.1: Mô tả các ô tô đi qua một chiếc cầu hẹp[1] ............................................. 18
3.3. Kiểm chứng thiết kế bằng LTSA .................................................................................................... 22
3.3.1 Giao diện của công cụ LTSA .................................................................................................... 23
Hình 3.3.1: Giao diện công cụ LTSA ........................................................................ 23
3.3.2 Check safety ............................................................................................................................. 24
Hình 3.3.2: Kết quả hiển thị sau khi check safety ................................................... 24
3.3.3 Check Progress ........................................................................................................................ 24
Hình 3.3.3: Kết quả hiển thị khi check progress ..................................................... 25
3.3.4 Compile ..................................................................................................................................... 25
Hình 3.3.4: Kết quả hiển thị khi biên dịch đoạn mã LTS ...................................... 26
3.3.5 LTS Analiser ............................................................................................................................. 26
Hình 3.3.5: LTS Analiser SingleLaneBridge ........................................................... 27
3.3.6 LTSA Animator .......................................................................................................................... 28
x
Đặc tả và kiểm chứng các phần mềm tương tranh
Hình 3.3.6: Animator SingleLandBridge ................................................................. 29
3.4 Kết luận ............................................................................................................................................ 30
Chương 4: Kiểm chứng cài đặt .................................................................................... 31
4.1 Phương pháp để kiểm chứng cài đặt ............................................................................................. 31
4.2 Cách chuyển từ mã nguồn Java sang FSP ..................................................................................... 31
Bảng 4.3.2a Những toán tử tương đương giữa FSP và Java ......................................................... 32
Bảng 4.3.2b: Các thành phần cơ bản khi chuyển từ Java sang FSP: ............................................. 32
4.3 Ứng dụng để chuyển mã nguồn bài toán “SingleLandBridge” ....................................................... 34

4.5 Kiểm chứng cài đặt .......................................................................................................................... 36
Hình 4.5a: Mở tệp SafeBridge bằng công cụ LTSA ................................................. 36
Hình 4.5b: Check safety phương thức redExit ............................................................................... 37
Hình 4.5c: Check prgress phương thức redExit .............................................................................. 38
Hình 4.5d: Máy trạng thái REDEXIT ...................................................................... 39
Hình 4.5e: Máy trạng thái REDEXIT trong thiết kế. ......................................................................... 40
4.6 Kết luận ............................................................................................................................................ 40
Chương 5: Kết luận ....................................................................................................... 41
Tài liệu tham khảo ........................................................................................................ 42
xi
Đặc tả và kiểm chứng các phần mềm tương tranh
Danh mục các bảng biểu
Lê Hồng Phong ................................................................................................................ 1
HÀ NỘI - 2010 ......................................................................................................................................... 1
Lê Hồng Phong ................................................................................................................ 2
HÀ NỘI - 2010 ......................................................................................................................................... 2
Chương 1: Giới thiệu ...................................................................................................... 1
1.1 Nhu cầu thực tế và lý do thực hiện đề tài .......................................................................................... 1
1.2 Mục tiêu của đề tài ............................................................................................................................ 2
1.3 Nội dung của khóa luận ..................................................................................................................... 2
Chương 2: Các khái niệm cơ bản .................................................................................. 4
Trong chương này chúng ta sẽ tìm hiểu một số khái niệm về phương pháp mô
hình hóa, máy hữu hạn trạng thái, máy dịch chuyển trạng thái có gán nhãn và
công cụ hỗ trợ kiểm chứng LTSA. ................................................................................ 4
2.1 Phương pháp mô hình hóa ................................................................................................................ 4
Hình 2.1: Nghiên cứu khí động học trên mô hình ô tô ............................................... 4
2.2 FSP (Finite State Process) ................................................................................................................ 5
2.2.1 Khái niệm FSP ........................................................................................................................... 5
xii
Đặc tả và kiểm chứng các phần mềm tương tranh

Hình 2.2.1a: Mô hình hóa hành trình bay của máy bay. .......................................... 6
2.2.2 Các thành phần cơ bản trong FSP ............................................................................................. 6
Hình 2.2.2a: Máy trạng thái DRINKS ........................................................................ 7
Hình 2.2.2b: Máy trạng thái Gate ............................................................................... 8
2.2.3 Quy trình tuần tự ......................................................................................................................... 9
Hình 2.3.1c [1] : Tiến trình tuần tự BOMP .............................................................. 10
Hình 2.3.1d[1]: Sự tổng hợp tuần tự LOOP ............................................................. 10
Hình 2.3.1e[1] : Sự tổng hợp song song hai tiến trình tuần tự. ............................... 11
2.3 LTS (Labelled Transition System) ................................................................................................... 11
2.3.1 LTS ............................................................................................................................................ 11
Hình 2.3.1a: Máy trạng thái PHIN .......................................................................... 12
Hình 2.3.1b: Máy trạng thái FORK ......................................................................... 12
2.3.2 Deadlock ................................................................................................................................... 12
Hình 2.3.2.1a: Bữa tối của triết gia[1] .................................................................... 13
Hình 2.3.2.1b: Deadlock[1] ..................................................................................... 13
2.3.3 Thuộc tính An toàn (safety property) ........................................................................................ 14
2.3.4 Thuộc tính Liveness (Liveness property) .................................................................................. 14
2.4 Công cụ LTSA ................................................................................................................................. 15
Hình 2.4a: Mô hình hành động của chiếc ô tô ........................................................ 15
Hình 2.4b: LTSA animator điều khiển các hành động trong mô hình 2.4a .......... 15
2.5 Kết luận ............................................................................................................................................ 16
Chương 3: Kiểm chứng thiết kế .................................................................................. 17
3.1 Đặc tả thiết kế bằng FSP ................................................................................................................ 17
Hình 3.1: Mô tả các ô tô đi qua một chiếc cầu hẹp[1] ............................................. 18
3.3. Kiểm chứng thiết kế bằng LTSA .................................................................................................... 22
3.3.1 Giao diện của công cụ LTSA .................................................................................................... 23
Hình 3.3.1: Giao diện công cụ LTSA ........................................................................ 23
3.3.2 Check safety ............................................................................................................................. 24
Hình 3.3.2: Kết quả hiển thị sau khi check safety ................................................... 24
xiii

Đặc tả và kiểm chứng các phần mềm tương tranh
3.3.3 Check Progress ........................................................................................................................ 24
Hình 3.3.3: Kết quả hiển thị khi check progress ..................................................... 25
3.3.4 Compile ..................................................................................................................................... 25
Hình 3.3.4: Kết quả hiển thị khi biên dịch đoạn mã LTS ...................................... 26
3.3.5 LTS Analiser ............................................................................................................................. 26
Hình 3.3.5: LTS Analiser SingleLaneBridge ........................................................... 27
3.3.6 LTSA Animator .......................................................................................................................... 28
Hình 3.3.6: Animator SingleLandBridge ................................................................. 29
3.4 Kết luận ............................................................................................................................................ 30
Chương 4: Kiểm chứng cài đặt .................................................................................... 31
4.1 Phương pháp để kiểm chứng cài đặt ............................................................................................. 31
4.2 Cách chuyển từ mã nguồn Java sang FSP ..................................................................................... 31
Bảng 4.3.2a Những toán tử tương đương giữa FSP và Java ......................................................... 32
Bảng 4.3.2b: Các thành phần cơ bản khi chuyển từ Java sang FSP: ............................................. 32
4.3 Ứng dụng để chuyển mã nguồn bài toán “SingleLandBridge” ....................................................... 34
4.5 Kiểm chứng cài đặt .......................................................................................................................... 36
Hình 4.5a: Mở tệp SafeBridge bằng công cụ LTSA ................................................. 36
Hình 4.5b: Check safety phương thức redExit ............................................................................... 37
Hình 4.5c: Check prgress phương thức redExit .............................................................................. 38
Hình 4.5d: Máy trạng thái REDEXIT ...................................................................... 39
Hình 4.5e: Máy trạng thái REDEXIT trong thiết kế. ......................................................................... 40
4.6 Kết luận ............................................................................................................................................ 40
Chương 5: Kết luận ....................................................................................................... 41
Tài liệu tham khảo ........................................................................................................ 42
xiv
Đặc tả và kiểm chứng các phần mềm tương tranh
xv

Đặc tả và kiểm chứng các phần mềm tương tranh

BẢNG KÝ TỰ VIẾT TẮT
Ký tự viết tắt Ý nghĩa
FSP (Finite State Process) Máy hữu hạn trạng thái
LTS (Labelled Transition System) Máy dịch chuyển trạng thái có gán nhãn
LTSA (LTS Analyzer) Công cụ hỗ trợ kiểm chứng với đặc tả là
LTS
vii

Đặc tả và kiểm chứng các phần mềm tương tranh
Chương 1: Giới thiệu
1.1 Nhu cầu thực tế và lý do thực hiện đề tài
Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của máy móc phục vụ đời sống con
người là sự phát triển âm thầm của các hệ thống tương tranh. Chúng được tạo ra để điều
khiển hoạt động của những máy móc đó. Một hệ thống tương tranh có thể bao gồm cả
phần mềm và phần cứng nhưng cũng có thể chỉ có phần mềm. Phần mềm tương tranh
chính là linh hồn của hệ thống, giúp chúng hoạt động chính xác theo những gì mà con
người yêu cầu. Hiện nay, phần mềm tương tranh được ứng dụng rất nhiều trong các hệ
thống nhúng và điều khiển. Từ những vật dụng rất đơn giản trong đời sống hàng ngày
như nồi cơm điện, ti vi, đến những hệ thống điều khiển phức tạp như hệ thống điều
khiển tên lửa đều có một hoặc nhiều phần mềm tương tranh điều khiển.
Những vật dụng, hệ thống điều khiển này gắn bó chặt chẽ với chúng ta, chỉ cần
một lỗi nhỏ của phần mềm tương tranh cũng có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng. Đã có
những con tàu vũ trụ vừa mới rời khỏi mặt đất thì đã rơi, tiêu tốn hàng tỷ đô la để
nghiên cứu, chế tạo nó. Nguyên nhân gây ra tai nạn đó chính là do lỗi của hệ thống điều
khiển con tàu.
Chính vì vậy, yêu cầu kiểm chứng an toàn cho các hệ thống tương tranh là hoàn
toàn tất yếu. Hiện nay, song song với quá trình sản xuất phần mềm luôn có một quá
trình kiểm thử (testing) phần mềm. Tuy nhiên, kiểm thử là chưa đủ vì các phương pháp
kiểm thử hiện tại chỉ là kiểm tra dữ liệu đầu ra của phần mềm rồi so sánh với dữ liệu
đầu vào để kiểm tra xem chương trình chạy có lỗi hay không. Chúng không hề kiểm tra

được chi tiết hoạt động của chương trình và không kiểm soát được những lỗi tiềm ẩn
ngay cả khi chương trình vẫn chạy đúng. Nếu phần mềm phát hành ra mà vẫn còn chứa
lỗi thì nhà sản xuất phải thu hồi sản phẩm để sửa chữa. Điều này làm giảm uy tín và tiêu
tốn nhiều tiền của nhà sản xuất.
Chúng ta hoàn toàn có thể khắc phục được những vấn đề trên bằng cách sử dụng
phương pháp hình thức để đặc tả và kiểm chứng những phần mềm đòi hỏi tính an toàn
cao, nhất là các phần mềm tương tranh.
Cách tiếp cận của khóa luận là:
1
Đặc tả và kiểm chứng các phần mềm tương tranh
Trước hết, phải đảm bảo có một thiết kế đúng, chính xác bằng cách đặc tả thiết kế
bằng FSP[1] và sử dụng công cụ LTSA[1][4] để kiểm chứng thiết kế đó. Sau khi thiết
kế đã được kiểm tra và thẩm định tính đúng đắn, chúng ta tiến hành cài đặt chương
trình.
Sau khi đã xây dựng xong phần mềm, có một câu hỏi đặt ra là liệu cài đặt có đúng
với thiết kế không? Chúng ta đã có công cụ để kiểm tra tính đúng đắn của thiết kế vì
vậy giải pháp cho bài toán này chính là chuyển mã nguồn của cài đặt thành chính mô
hình được đặc tả bằng FSP và sử dụng công cụ LTSA để kiểm chứng.
Với cách tiếp cận này, ta có được một quy trình kiểm chứng đầy đủ hai chiều, có
tính hệ thống từ pha kiểm thử đến pha cài đặt.
1.2 Mục tiêu của đề tài
Phương pháp hình thức là các kỹ thuật toán học được sử dụng để đặc tả, phát triển
và kiểm chứng các hệ thống phần mềm và phần cứng. Phương pháp tiếp cận này đặc
biệt quan trọng đối với các hệ thống cần có tính toàn vẹn cao như hệ thống điều khiển lò
phản ứng hạt nhân, điều khiển tên lửa, khi vấn để an toàn hay an ninh có vai trò quan
trọng, để góp phần đảm bảo rằng quá trình phát triển của hệ thống sẽ không có lỗi. Khi
kiểm chứng bằng phương pháp hình thức, điều đặc biệt là chúng ta không cần dữ liệu
đầu vào mà chỉ cần kiểm tra các mô hình mô tả các hành động, trạng thái của hệ thống
khi hoạt động.
Như vậy, đề tài cần giải quyết các công việc chính sau:

 Tìm hiểu về phương pháp mô hình hóa, máy hữu hạn trạng thái, máy dịch
chuyển trạng thái có gán nhãn (Labelled Transition System, LTS) và công
cụ hỗ trợ kiểm chứng LTSA (Labelled Transition System Analyzer).
 Sử dụng công cụ hỗ trợ kiểm chứng LTSA để kiểm chứng thiết kế của
một hệ thống điều khiển được đặc tả bằng FSP.
 Đặc tả mã nguồn Java của hệ thống điều khiển trên bằng FSP, sử dụng
công cụ hỗ trợ kiểm chứng LTSA để kiểm tra xem chương trình có lỗi và
đúng với thiết kế không.
1.3 Nội dung của khóa luận
Nội dung của khóa luận gồm 5 chương:
2
Đặc tả và kiểm chứng các phần mềm tương tranh
Chương 1 trình bày nhu cầu thực tế, lý do thực hiện đề tài và mục tiêu cần đạt
được.
Chương 2 giới thiệu những lý thuyết cơ bản về phương pháp mô hình hóa, máy
hữu hạn trạng thái, máy dịch chuyển trạng thái có gán nhãn và công cụ phân tích LTSA
của nó để ứng dụng trong kiểm chứng.
Chương 3 trình bày ứng dụng FSP và LTSA để kiểm chứng một thiết kế xem có
chính xác với yêu cầu bài toán đặt ra không?
Chương 4 trình bày cách chuyển từ Java sang FSP để ứng dụng kiểm chứng một
chương trình có thỏa mãn thiết kế hay không?
Chương 5 khái quát những kết quả đạt được và hướng phát triển trong tương lai.
3
Đặc tả và kiểm chứng các phần mềm tương tranh
Chương 2: Các khái niệm cơ bản
Trong chương này chúng ta sẽ tìm hiểu một số khái niệm về phương pháp mô hình
hóa, máy hữu hạn trạng thái, máy dịch chuyển trạng thái có gán nhãn và công cụ hỗ trợ
kiểm chứng LTSA.
2.1 Phương pháp mô hình hóa
Mô hình là một đại diện đơn giản hóa của thế giới thực. Mô hình được sử dụng

rộng rãi trong kỹ thuật, để tập trung vào một khía cạnh cụ thể của một hệ thống thế giới
thực [1].
Ví dụ, các nhà khoa học muốn nghiên cứu tính động học của một chiếc ô tô. Thay
vì sử dụng một chiếc ô tô thật, nhà khoa học chỉ cần sử dụng mô hình của chiếc ô tô đó
với điều kiện mô hình phải có hình dáng bên ngoài giống hệt chiếc ô tô thật. Khí động
học của ô tô chỉ bị ảnh hưởng do hình dáng bên ngoài của nó nên nghiên cứu trên mô
hình hoàn toàn cho kết quả chính xác giống như nghiên cứu trên chiếc ô tô thật.
Hình 2.1: Nghiên cứu khí động học trên mô hình ô tô
Như vậy phương pháp mô hình hóa có ưu điểm là tạo được môi trường gần giống
với thực tế từ đó cho kết quả kiểm tra tương đối chính xác.
Thiết kế có vai trò vô cùng quan trọng trong sản xuất phần mềm nói chung và phần
mềm tương tranh nói riêng. Phần mềm được lập trình ra có đạt yêu cầu hay không là
4
Đặc tả và kiểm chứng các phần mềm tương tranh
phụ thuộc vào thiết kế có chính xác hay không? Chính vì vậy, lựa chọn phương pháp
thiết kế phù hợp với đặc tính của phần mềm là hết sức quan trọng.
Khi thiết kế một phần mềm tương tranh, chúng ta phải mô tả chi tiết được các hoạt
động của phần mềm. Thiết kế càng chi tiết thì phần mềm hoạt động càng chính xác. Tuy
nhiên, để có được một thiết kế chính xác như vậy rất khó. Các phương pháp thiết kế
hiện tại chỉ đáp ứng được yêu cầu tạo ra thiết kế theo yêu cầu của sản phẩm. Tuy nhiên
chúng lại không giải quyết được vấn đề kiểm chứng các thiết kế đó. Như vậy, chúng ta
sẽ không thể tìm ra những hạn chế của thiết kế. Bài toán đó sẽ được giải quyết bằng việc
khai thác ưu điểm nổi bật của phương pháp mô hình hóa:
- Phương pháp mô hình hóa có thể tạo ra một thiết kế mô tả được chi tiết hoạt
động của hệ thống. Ở đây chúng ta sẽ sử dụng mẫu FSP để đặc tả thiết kế đó.
- Phân tích mẫu thiết kế thông qua việc sử dụng công cụ LTSA, chúng ta có thể
kiểm tra được mẫu thiết kế được đặc tả bằng FSP có chạy đúng, chính xác hay không.
Khi phần mềm đã được viết xong, với phương pháp hình thức, chúng ta có thể mô
hình hóa mã nguồn của phần mềm để kiểm chứng xem phần mềm có chạy đúng theo
thiết kế hay không. Đây chính là ứng dụng ngược rất hay của phương pháp hình thức.

2.2 FSP (Finite State Process)
2.2.1 Khái niệm FSP
Máy hữu hạn trạng thái (FSP) được tạo ra để mô tả các mô hình tiến trình. FSP
có thể mô tả được những hành động, trạng thái của tiến trình. Ta lấy một ví dụ đơn giản
mô tả các hành động cất cánh, bay, hạ cánh của một chiếc máy bay:
cất cánh -> bay -> hạ cánh -> cất cánh -> bay -> hạ cánh -> ……
Ta có thể thấy nếu máy bay còn hoạt động được thì các hành động này sẽ liên tục
xảy ra đến khi nào mà máy bay không được sử dụng nữa. Chính vì vậy mô tả trên sẽ
không thể nào đầy đủ được. Tuy nhiên ta hoàn toàn có thể giải quyết vấn đề đó nếu mô
tả các hành động đó bằng FSP:
Maybay = (catcanh -> bay -> hacanh -> Maybay).
5
Đặc tả và kiểm chứng các phần mềm tương tranh
FSP có tính đệ quy nên ta có thể dễ dàng giải quyết bài toán trên. Ta có mô hình
được phân tích từ mẫu FSP này:
Hình 2.2.1a: Mô hình hóa hành trình bay của máy bay.
Một phần mềm tương tranh bao gồm rất nhiều tiến trình, mỗi tiến trình là sự thực
thi của một tiến trình tuần tự. Một tiến trình được chia làm một hoặc nhiều hành động
nguyên tử ( hành động nguyên tử không thể chia được thành các hành động nhỏ hơn),
các hành động này được thực thi một cách tuần tự. Mỗi hành động gây ra một sự chuyển
tiếp từ trạng thái hiện tại sang trạng thái tiếp theo. Trình tự các hành động xảy ra có thể
được xác định bằng một đồ thị chuyển tiếp. Nói cách khác, chúng ta có thể mô hình hóa
các tiến trình thành các máy hữu hạn trạng thái [1].
Như vậy, chúng ta hoàn toàn có thể mô hình hóa chi tiết một phần mềm tương
tranh với đặc tả là FSP.
2.2.2 Các thành phần cơ bản trong FSP
Action prefix ((x -> P)): Nếu x là một hành động và P là một tiến trình thì một
action frefix (x -> P) mô tả một tiến trình trong đó các hành động x hoạt động đúng theo
mô tả của tiến trình P [1]. Tiến trình P phải viết hoa chữ cái đầu, hành động x viêt bằng
chữ cái thường.

Ta lấy lại ví dụ trên phần 2.2.1 :
Maybay = (catcanh -> bay -> hacanh -> Maybay).
Trong đó: Maybay là một tiến trình
catcanh, bay, hacanh là các hành động.
6
Đặc tả và kiểm chứng các phần mềm tương tranh
Lựa chọn (| Choice): Nếu x, y là các hành động thì (x -> Q | y -> P) mô tả một
tiến trình trong đó các hành động đầu tiên tham gia là x hoặc y. Các hành động tiếp theo
hoạt động theo mô tả của Q nếu hành động đầu tiên xảy ra là x, các hành động tiếp theo
hoạt động theo mô tả của P nếu hành động đầu tiên xảy ra là y.
Ví dụ mô tả việc lấy nước uống ở máy đun nước [1], nếu ấn nút đỏ thì được cà
phê, nếu ấn nút xanh thì được trà:
DRINKS = (red -> coffee -> DRINKS
| blue -> tea -> DRINKS).
Khi phân tích mẫu FSP trên ta đuợc mô hình:
Hình 2.2.2a: Máy trạng thái DRINKS
Lập chỉ mục cho các quy trình và hành động (indexed process and actions)
Khi mô hình các tiến trình và hành động có có những trường hợp những tiến trình và
hành động đó có rất nhiều giá trị. Ta có thể gán nhãn cho các quy trình và hành động đó
và lập chỉ mục cho chúng. Ví dụ FSP mô tả hành động vào, ra của 3 chiếc ô tô khi qua 3
cổng của một trạm soát vé:
Gate = (in[1] -> out[1] -> Gate
| in[2] -> out[2] -> Gate
| in[3] -> out[3] -> Gate).
7