Budapest University of Technology and Economics, Faculty of Electrical Engineering and Informatics

    Belépés
    címtáras azonosítással

    vissza a tantárgylistához   nyomtatható verzió    

    Formális módszerek

    A tantárgy angol neve: Formal Methods

    Adatlap utolsó módosítása: 2016. május 6.

    Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
    Villamosmérnöki és Informatikai Kar

    Mérnök informatikus szak, MSc képzés
    Elágazó közös tantárgy 

    Tantárgykód Szemeszter Követelmények Kredit Tantárgyfélév
    VIMIMA07 1, 2 3/0/0/f 4  
    3. A tantárgyfelelős személy és tanszék Dr. Majzik István, Méréstechnika és Információs Rendszerek Tanszék
    A tantárgy tanszéki weboldala https://www.mit.bme.hu/oktatas/targyak/vimima07
    4. A tantárgy előadója Dr. Majzik István, egyetemi docens, MIT
    6. Előtanulmányi rend
    Kötelező:
    NEM ( TárgyEredmény( "BMEVIMIM100" , "jegy" , _ ) >= 2
    VAGY
    TárgyEredmény("BMEVIMIM100", "FELVETEL", AktualisFelev()) > 0)

    A fenti forma a Neptun sajátja, ezen technikai okokból nem változtattunk.

    A kötelező előtanulmányi rendek grafikus formában itt láthatók.

    7. A tantárgy célkitűzése
    Az informatikai rendszerek bonyolultságának és a potenciális hibák kockázatának növekedésével mindinkább elvárás az, hogy a kritikus funkciók tervezése és megvalósítása bizonyítottan helyes (hibamentes) legyen. Ennek egyik jellegzetes megoldása a formális módszereket alkalmazó fejlesztés: formális modellek biztosítják a követelmények és tervek egyértelmű és precíz rögzítését, formális verifikációval vizsgálhatók a tervezői döntések és bizonyíthatók a tervek egyes tulajdonságai, az ellenőrzött tervek pedig alapját képezhetik az automatikus forráskód szintézisnek. A tárgy áttekintést ad az informatikai rendszerek formális modelljeinek megalkotásához és analíziséhez szükséges számításelméleti háttérről, ideértve a tervek és követelmények leírására szolgáló legfontosabb formalizmusokat, valamint a kapcsolódó verifikációs és validációs technikákat. A tárgy demonstrálja a formális módszerek alkalmazását a követelmény-specifikáció, a rendszer- és szoftvertervezés, a modell alapú verifikáció, valamint a forráskód szintézis területén.
    A tantárgy követelményeit eredményesen teljesítő hallgatók
     megismernek és alkalmazni tudnak különböző formális módszereket,
     képesek lesznek nem-formális rendszerleírások alapján formális modellt alkotni,
    tisztában lesznek a formális verifikációs technikák előnyeivel és korlátaival,
    megismernek formális módszereket támogató alapvető eszközöket.
     
    8. A tantárgy részletes tematikája
     Informatikai rendszerek formális modellezése és analízise (a tantárgy bevezetése): A formális módszerek szerepe az informatikai rendszerek fejlesztésében: formális követelmény-specifikáció, modellezés, verifikáció (modellellenőrzés, helyességbizonyítás). Mérnöki és formális modellek kapcsolata, modell-transzformációk. Formális módszereket alkalmazó tervezőrendszerek (pl. SCADE).
     Alapszintű formális modellek és szemantikájuk: Kripke-struktúrák, tranzíciós rendszerek, időzített automaták, időzített automaták hálózata.
     Követelmények formalizálása: Temporális logikák: lineáris temporális logika (LTL), elágazó idejű temporális logikák (CTL, CTL*). A kifejezőképesség összehasonlítása. Gyakorlati példák és alkalmazások (Property Specification Language).
     Formális verifikáció modellellenőrzéssel: Modellellenőrzés tabló módszerrel, valamint szimbolikus technikákkal. Az állapottér kezelése bináris döntési diagramok használatával. Korlátos modellellenőrzés. Időfüggő viselkedés verifikációja.  Gyakorlati alkalmazások: Beágyazott vezérlők modellezése időzített automatákkal, temporális követelmények ellenőrzése, automatikus tesztgenerálás modellellenőrzővel. Az UPPAAL modellellenőrző (kijelölt tananyag alapján).
     Állapotfüggő dinamikus viselkedés modellezése: Állapottérképek formális szintaktikája és szemantikája. Tervezés állapottérképek használatával, az állapottérképek formális verifikációja. A forráskód szintézis elterjedt mintái. Gyakorlati alkalmazások: UML 2 állapottérképek, szoftver forráskód generálás és monitor szintézis a gyakorlatban.
     Konkurens rendszerek modellezése és analízise: A Petri háló formalizmus. Modellek dinamikus tulajdonságai (biztonságosság, élőség, korlátosság, visszatérő állapotok), ezek ellenőrzése szimulációval és az elérhetőségi gráf alapján. Strukturális tulajdonságok (konzervativitás és konzisztencia kifejezése invariánsokkal) és vizsgálatuk az állapotegyenlet alapján. Tulajdonságmegőrző modell-redukciós technikák. Hierarchikus Petri hálók. Modellezési mintapéldák.
     Adatfüggő viselkedés modellezése: A Petri hálók bővítése adattípusokkal és adatkezeléssel. A dinamikus és strukturális tulajdonságok kiterjesztése. Gyakorlati alkalmazások: Elosztott adatkezelés konzisztenciájának vizsgálata, protokoll analízis.
     Extra-funkcionális tulajdonságok specifikálása és verifikációja: A Petri hálók kiterjesztése valószínűségi és idő jellemzőkkel: sztochasztikus Petri hálók. Követelmények formalizálása sztochasztikus temporális logikákkal. Teljesítmény és megbízhatósági tulajdonságok analízise.
     Adatfeldolgozás modellezése: Adatfolyam hálók szintaktikája és szemantikája. Modellfinomítás, a finomítás konzisztenciájának ellenőrzése. Adatfolyam hálók alkalmazása üzleti folyamatok modellezésére és hibaterjedési vizsgálatokra.
     Szoftver forráskód alapú formális verifikációs technikák: Modellellenőrzés C programokon. Absztrakció használata: statikus analízis absztrakt interpretációval, predikátum absztrakció, ellenpélda vezérelt absztrakció finomítás a modellellenőrzés során.

    9. A tantárgy oktatásának módja (előadás, gyakorlat, laboratórium) Előadás.
    10. Követelmények
    A szorgalmi időszakban: A félévközi jegy megszerzésének követelménye két zárthelyi és egy házi feladat legalább elégséges szintű teljesítése. A házi feladat részei egy kisméretű informatikai rendszer modelljének elkészítése valamint az elvárt tulajdonságok modell alapú verifikációja. Ehhez kijelölt tananyag alapján önállóan meg kell ismerni a modellező nyelv és eszközkészlet specialitásait. A házi feladat kiadására a 4. oktatási héten kerül sor, a beadásához kapcsolódó bemutatók a 10. oktatási héttől ütemezhetők. A félévközi jegyet 35-35%-os súllyal a két zárthelyi osztályzata és 30%-os súllyal a házi feladat osztályzata határozza meg.
    A vizsgaidőszakban: -

    11. Pótlási lehetőségek A szorgalmi időszakban vagy a pótlási időszakban bármelyik zárthelyi pótlására van lehetőség, de csak az egyik zárthelyit pótolható. Egy sikertelen zárthelyi újbóli pótlására a pótlási időszakban van lehetőség. Házi feladatok határidőn túl a pótlási héten adhatók be, a késedelmes beadás 20% pontlevonással jár.
    12. Konzultációs lehetőségek A házi feladattal kapcsolatban a félév során konzultációs lehetőséget biztosítunk.
    13. Jegyzet, tankönyv, felhasználható irodalom
     Pataricza András (szerk.): Formális módszerek az informatikában. Második kiadás, TypoTeX Kiadó, 2006.
     G. Behrmann, A. David, K. G. Larsen: A Tutorial on UPPAAL 4.0. http://www.it.uu.se/research/group/darts/papers/texts/new-tutorial.pdf
    Ajánlott irodalom:
     D. Peled: Software Reliability Methods. Springer Verlag, 2001.
     B. Berard et al.: Systems and Software Verification: Model-Checking Techniques and Tools. Springer Verlag, 2010.
     E. M. Clarke, O. Grumberg, D. Peled:  Model Checking. MIT Press, 1999.
     W. Reisig, G. Rozenberg (eds.): Lectures on Petri Nets. Vol I-II, Springer Verlag, 1998.

    14. A tantárgy elvégzéséhez átlagosan szükséges tanulmányi munka
    Kontakt óra42
    Félévközi készülés órákra0
    Felkészülés zárthelyire44
    Házi feladat elkészítése

    22 

    Kijelölt írásos tananyag elsajátítása12
    Vizsgafelkészülés0
    Összesen120
    15. A tantárgy tematikáját kidolgozta
     Dr. Majzik István, egyetemi docens, MIT
     Dr. Bartha Tamás, egyetemi docens, MIT
     Dr. Pataricza András, egyetemi tanár, MIT

    Egyéb megjegyzések A tantárgy neve angolul: Formal Methods