Progettare Sistemi Software Affidabili con Metodi Formali

Creare sistemi software di alta qualità inizia nella fase di progettazione. Design può significare cose diverse per ognuno, ma per me rappresenta semplicemente una chiara outline o modello del sistema che vogliamo costruire. Ci possono essere diversi livelli di dettaglio in questi modelli, ma quando vogliamo considerare le qualità del software, abbiamo bisogno di modelli matematici solidi. Questo è particolarmente importante per sistemi che sono critici per missioni o vite umane. L'informatica ha una lunga storia nell'uso di metodi formali-approcci sistematici alla progettazione software-per questo tipo di software.

Negli ultimi anni, molti strumenti e metodi sono diventati così semplici che possono essere applicati praticamente a tutti i tipi di software-anche quelli che non sono critici. Questi strumenti possono aiutare ad eliminare comuni malintesi ed errori nelle applicazioni software di oggi.

#Comprendere la Configurazione

I sistemi software operano all'interno di una configurazione specifica. Quando parlo di configurazione, intendo un insieme di parametri o condizioni che influenzano il comportamento del software. Questi parametri di solito rimangono costanti per un certo periodo. Nei sistemi che possono cambiare Configurazioni, questo periodo può variare. Per molti sistemi, però, la configurazione dura per tutta la vita del sistema dopo essere stata impostata.

Per chiarire cos'è una configurazione, condividerò alcuni esempi da vari sistemi software. In un prodotto software progettato attorno a funzionalità specifiche, la configurazione potrebbe consistere in quali funzionalità sono selezionate per una particolare versione. Nei sistemi usati per gestire i segnali ferroviari, le configurazioni possono riguardare la disposizione della rete ferroviaria. In un database che replica dati, la configurazione include il numero di copie che i dati hanno. Per i Protocolli di comunicazione di rete, le configurazioni possono riguardare come la rete è impostata. Infine, negli algoritmi che eseguono processi in parallelo, la configurazione potrebbe semplicemente essere il numero di processi in esecuzione contemporaneamente.

Alcune configurazioni sono molto semplici, come contare semplicemente il numero di processi, mentre altre, come una rete ferroviaria, sono molto più complesse. Progettare sistemi per funzionare correttamente con configurazioni complesse è una sfida. Idealmente, dobbiamo garantire che i risultati attesi siano soddisfatti, indipendentemente da come il sistema è configurato. A volte, elencare tutte le possibili configurazioni non è facile; ad esempio, trovare ogni combinazione valida di funzionalità può essere complicato.

Questa discussione ruota attorno a se e come i metodi formali esistenti possano essere applicati per progettare sistemi software con configurazioni così complesse. Voglio dimostrare che alcuni metodi possono essere abbastanza convenienti da usare nella progettazione di ogni tipo di software, non solo di quelli critici.

#Metodi Formali Leggeri

Mi concentrerò su metodi formali leggeri che qualsiasi ingegnere software può usare, dato un'introduzione di base alla logica e alla matematica discreta. Alcuni metodi formali pesanti, come quelli che si concentrano su prove complete, spesso necessitano di conoscenze specializzate. Invece, metterò in evidenza metodi più semplici che possono fornire analisi automatiche, anche se possono garantire solo prove parziali. Questi metodi leggeri sono comunque molto meglio dei metodi di testing tradizionali perché molti sistemi moderni sono distribuiti o funzionano contemporaneamente. I problemi con questi sistemi derivano spesso da bug rari che sono difficili da rilevare tramite il testing standard. Anche nei sistemi deterministici, i metodi formali possono controllare Proprietà su tutte le potenziali configurazioni fino a una certa dimensione, a differenza del normale testing che di solito valuta solo alcune configurazioni.

#Esempio del Protocollo Echo

Per illustrare i miei punti, userò il protocollo Echo, che è un metodo per garantire la comunicazione attraverso una rete di nodi connessi. Il protocollo definisce un modo per stabilire un percorso di comunicazione in una rete dove un nodo funge da punto di partenza.

Il protocollo inizia con l'iniziatore che invia un messaggio chiamato esploratore a tutti i nodi vicini. Se un nodo riceve questo messaggio esploratore per primo, segna il mittente come suo genitore e invia un messaggio esploratore a tutti i suoi altri vicini, tranne quello da cui ha ricevuto l'esploratore. Se un nodo riceve un messaggio esploratore ma non è il primo a riceverlo-o se non ha altri vicini-restituisce un messaggio di eco al mittente. Quando un nodo riceve messaggi di eco da tutti i suoi vicini, invia un eco al suo genitore a meno che non sia l'iniziatore, nel qual caso il protocollo termina.

Le proprietà importanti da controllare con questo protocollo sono correttezza-garantire che le relazioni finale genitore-figlio formino una rete di comunicazione corretta-e terminazione, confermando che il protocollo alla fine si conclude.

#Introduzione a TLA+

Per prima cosa, daremo un'occhiata al linguaggio TLA+, creato da Leslie Lamport, per progettare algoritmi distribuiti e concorrenti. TLA+ ha un potente model checker ed è usato nella progettazione di molti veri sistemi software. Questo linguaggio combina diversi metodi logici e può specificare proprietà di un sistema così come la sua struttura senza bisogno di linguaggi di programmazione specializzati tipicamente usati nei model checker. Usare la logica nella fase di progettazione è essenziale poiché permette un livello più alto di astrazione rispetto ai linguaggi di programmazione.

TLA+ distingue tra la configurazione del sistema e il suo stato mutevole. La configurazione è definita da variabili costanti mentre lo stato è definito da variabili flessibili. Nel nostro esempio del protocollo Echo, definiremmo costanti per rappresentare i nodi nella rete, l'iniziatore e come sono connessi. Lo stato avrebbe variabili che memorizzano informazioni su ogni nodo, come il suo genitore e quali messaggi sono stati ricevuti.

#Assunzioni Iniziali

Dobbiamo specificare chiaramente le assunzioni riguardanti la configurazione del protocollo. Queste assunzioni includono che l'iniziatore fa parte dell'insieme dei nodi, che le connessioni non contengono cicli, e che tutti i nodi devono essere raggiungibili dall'iniziatore. Le regole per definire queste assunzioni possono essere specificate in un modo che anche qualcuno con una comprensione di base della matematica possa afferrare.

Dobbiamo anche garantire che le variabili di stato mantengano valori appropriati. Questo aiuta a catturare problemi precocemente nel processo di progettazione. I messaggi nel protocollo sono rappresentati da record che contengono informazioni sul loro mittente e tipo.

#Controllo delle Proprietà

Una volta stabilita la configurazione iniziale, possiamo controllare le proprietà attese del protocollo. Per convalidare la nostra specifica di protocollo, possiamo scrivere proprietà false che costringono TLA+ a fornire controesempi che evidenziano potenziali problemi nel nostro design.

Ad esempio, potremmo creare una proprietà che afferma che il protocollo non può finire. Quando TLA+ controlla questa proprietà, dovrebbe restituire una traccia che mostra i passi che portano al completamento del protocollo, il che può aiutarci a garantire che il protocollo si comporti come previsto.

Dopo, dobbiamo verificare le due principali proprietà del protocollo: correttezza e terminazione. La correttezza può essere controllata confermando che l'iniziatore è effettivamente la radice di un albero di comunicazione formato dalle relazioni definite nel protocollo. La terminazione può essere controllata richiedendo che il sistema faccia progressi, assicurandosi che non possa semplicemente rimanere in uno stato di balbuzie dove non vengono compiuti passi.

#Esplorare Configurazioni Multiple

Una limitazione del metodo TLA+ è che può controllare solo una configurazione alla volta. Tuttavia, possiamo adattare le nostre specifiche per permettere più configurazioni. Cambiando variabili costanti in variabili flessibili, spostando le assunzioni in vincoli sullo stato iniziale e mantenendo queste variabili di configurazione durante l'analisi, possiamo gestire varie configurazioni simultaneamente.

Questa modifica consente a TLA+ di esaminare tutte le configurazioni in un determinato intervallo in modo sistematico. Eppure, anche con questa adattamento, controllare configurazioni per reti più grandi può diventare complesso e richiedere tempo. Può portare a situazioni in cui configurazioni importanti vengono trascurate.

#Progettazione Strutturale con Alloy

Un'alternativa a TLA+ è Alloy, un linguaggio creato per analizzare le strutture software. Alloy utilizza tecniche di ricerca simbolica per semplificare le ricerche attraverso configurazioni complesse. A differenza di TLA+, Alloy consente di esplorare diversi scenari senza bisogno di verificare proprietà, il che lo rende utile per specificare requisiti o convalidare specifiche di design.

Alloy utilizza un approccio relazionale per descrivere i sistemi. Tutto è descritto attraverso relazioni, il che costringe gli utenti a pensare in modo diverso rispetto alle pratiche di programmazione tradizionali. Descrivere i sistemi in questo modo spesso rende più facile identificare potenziali problemi.

In Alloy, puoi specificare assunzioni su strutture di rete con una sintassi concisa. Definendo chiaramente le relazioni, è più facile garantire che tutti i nodi siano connessi, non ci siano cicli e che altre proprietà critiche siano vere.

#Modellazione del Comportamento con TLA+

La modellazione del comportamento non era una caratteristica forte di TLA+ fino agli aggiornamenti recenti, che consentono una certa progettazione comportamentale. Un linguaggio più recente incorpora caratteristiche comportamentali, permettendo di analizzare i sistemi usando un approccio unificato. Questo approccio ibrido può descrivere sia il comportamento che le proprietà attese usando la stessa logica, semplificando così il processo di progettazione.

In questo nuovo framework, puoi modellare le dinamiche di protocolli come Echo definendo relazioni mutevoli che riflettono le condizioni mutevoli della rete. Il design consente di specificare stati iniziali e transizioni valide più facilmente mantenendo una chiara connessione alla logica sottostante.

#Esplorazione Interattiva degli Scenari

Un aspetto entusiasmante dei linguaggi più recenti è la loro capacità di esplorare diversi scenari in modo interattivo. Invece di scrivere test o proprietà false per trovare controesempi, gli utenti possono chiedere allo strumento di generare varie tracce o esecuzioni del protocollo. Questa esplorazione interattiva può aiutare a chiarire il design e convalidare le specifiche precocemente nel processo.

Gli utenti possono richiedere scenari specifici o diverse configurazioni e ricevere feedback visivo che rende la comprensione più gestibile. Questa rappresentazione grafica aiuta a identificare come i sistemi rispondono in diverse condizioni e facilita iterazioni rapide nel testing dei design.

#Conclusione

Progettare sistemi software con configurazioni complesse è sia necessario che realizzabile usando metodi formali moderni. I concetti matematici coinvolti sono accessibili alla maggior parte degli ingegneri software, e gli strumenti disponibili oggi richiedono conoscenze esperte minime per un'applicazione di successo. Sia TLA+ che Alloy offrono potenti capacità di analisi automatizzate, consentendo agli ingegneri software di progettare sistemi più affidabili e meglio compresi.

Sebbene le sfide rimangano, specialmente nel rendere scalabili questi metodi per reti o configurazioni più grandi, i progressi compiuti negli ultimi anni mostrano promesse. Man mano che i sistemi software diventano più complessi, affinare questi strumenti e metodi aiuterà a garantire design software più sicuri ed efficienti in futuro.