Verifikation von Anwendungen für Contiki basierende low-power eingebettete Systeme mit Hilfe von Software Model Checking

The main building blocks for the internet of things are connected embedded systems. Often these systems are also used in safety critical applications. Therefore, it is particularly important that these devices work according to their specification i.e. they behave as intended. Nowadays, even for simple devices embedded operating systems as Contiki are used to simplify application development and to increase portability between different hardware platforms. The main objective of this thesis is to present a methodology for the verification of software applications written for the operation system Contiki, taking the system hardware into account. Therefore, software model checking and especially bounded model checking [BCC⁺03] is used as a technique, which allows to formally verify software for embedded systems. For verifying the software against its specification, it is also necessary to build a model of the system hardware. Thereby, the difficulty is to create a model which is detailed enough to capture the hardware behavior so that the software performs correctly, while keeping the computation effort for the verification process manageable. In this work, the drivers which communicate with the hardware are therefore replaced with abstract models during the verification process. This enables the verification based on an abstract hardware platform independent of specific hardware. A special role within embedded systems play interrupts. Interrupts are used to save power and can also be used to react on external events. Current methods for verification of interrupt driven software are based on the interleaving model and partial order reduction to reduce the size of the verification problem. This thesis argues that this method is not sufficient for software, whose behavior relies on periodically occurring interrupts. Therefore, in this thesis, a new approach called periodic interrupt modeling is introduced. This approach can be applied automatically and reduces the number of incorrect verification results due to inaccurate modeling. In addition, properties can be proven that depend on the number of occurring interrupts. Using applications for the Contiki operating system, and based on a verification flow, the approaches toward interrupt modeling are compared.Vernetzte eingebettete Systeme bilden die Grundlage für das Internet of Things (IoT). Sie arbeiten häufig autark und in sicherheitskritischen Bereichen. Deshalb ist es wichtig sicherzustellen, dass die Systeme sich korrekt, also gemäß ihrer Spezifikation, verhalten. Zur Erstellung von Software für solche Systeme werden Betriebssysteme wie Contiki verwendet, welche die Programmierung von Anwendungen vereinfachen und die Portabilität zwischen verschiedenen Hardware-Plattformen ermöglichen. In dieser Dissertation wird eine Methodik zur Verifikation von Software-Anwendungen, unter Berücksichtigung der Hardwareumgebung, für eingebettete Systeme anhand des Betriebssystems Contiki vorgestellt. Es wird die Technik des Software Model Checking [CGP00] - und dabei insbesondere Bounded Model Checking [BCC⁺03] - verwendet, welche es ermöglicht die Software eines eingebetteten Systems formal zu verifizieren. Um die Verifikation durchzuführen, muss auch die Hardware des Systems modelliert werden. Die Herausforderung hierbei ist es, die Interaktionen der Software mit der Hardware hinreichend genau abzubilden und gleichzeitig den Aufwand für die Verifikation hinsichtlich des benötigten Rechenaufwands beherrschbar zu halten. In dieser Arbeit wird deshalb ein Ansatz verwendet, der die Treiber, die auf die Hardware zu- greifen durch Softwaremodelle für die Verifikation ersetzt. Dies ermöglicht es Anwendungen für Contiki mit Hilfe einer abstrakten Verifikationsumgebung zu überprüfen. Ein besonderer Aspekt bei eingebetteten Systemen ist die Verwendung von Interrupts, welche es ermöglichen Energie, einzusparen und auf externe Ereignisse zu reagieren. In bisherigen Ansätzen zur Verifikation werden Interrupts mit dem Interleaving Modell modelliert und das Verifikationsproblem mit Hilfe von Partial Order Reduction [CGP00, BK08] reduziert. Diese Arbeit zeigt, dass dieser Ansatz für die Verifikation von Anwendungen, welche periodische Interrupts verwenden, nicht ausreichend ist. Deshalb wird mit Periodic Interrupt Modelling ein neuer Ansatz zur Modellierung von Interrupts vorgestellt. Dieser Ansatz kann automatisiert angewendet werden und verringert die Anzahl von falschen Verifikationsergebnissen aufgrund ungenauer Modellierung. Zusätzlich ist es möglich Eigenschaften zu überprüfen, die von der Häufigkeit von Interrupt-Aufrufen abhängen. Anhand des in der Arbeit entwickelten Verifikationsablaufs werden Beispielprogramme für Contiki untersucht und die Ansätze zur Interruptmodellierung verglichen