CN110287089B - 一种基于中间格式及smt技术的微内核ipc验证方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于中间格式及SMT技术的微内核IPC验证方法。首先将IPC源代码改写为抽象的IPC源代码；使用LLVM编译框架从抽象的IPC源代码自动生成LLVM中间语言；将LLVM中间语言转化为SMT可接收代码；根据微内核IPC规范提取其性质；对提取的性质编写SMT代码；根据微内核IPC得到的SMT代码和IPC性质得到的SMT代码，应用SMT求解器进行验证；若验证失败，根据验证工具给出的提示修改微内核IPC并重新验证。若验证通过，则表明微内核IPC满足性质。本发明应用到基于ESB的微内核IPC验证中，以提高其安全性、可靠性。

Description

一种基于中间格式及SMT技术的微内核IPC验证方法

技术领域

本发明涉及微内核操作系统领域，具体涉及一种基于中间格式及SMT技术的微内核IPC验证方法。

背景技术

随着计算机软件、硬件技术的快速发展与提高，计算机软件的规模越来越大、复杂度越来越高，其应用领域也在不断扩展，因此，软件的可信性就变得越来越重要。可信性包括安全性、可靠性等方面。软件程序的应用场景不断扩展并深入到各个方面，在个人电脑、服务器、家用设备、交通管理、航空航天等各大领域均起到重要作用。因软件安全导致的重大事故层出不穷，例如2014年OpenSSL出现安全漏洞——“心脏流血”(HeartBleed)，导致服务器遭到黑客攻击而泄露了内存数据。攻击者利用OpenSSL没有及时的对输入的内容进行边界检测，导致缓存内存溢出，获取相关内存信息，从而泄露用户的账号、密码等相关隐私信息，造成了重大损失。因此，如何提高软件程序的可信性是当前软件产业发展的一个重要课题。

近年来，随着可满足性模理论的不断进步以及大数据、云计算等新兴技术的不断发展，可满足性模理论被广泛地应用于各个领域，例如分布式、大数据、云计算、人工智能、多核问题、程序验证等等。这些领域中待解决的实际问题都可以建模为约束可满足问题，SMT(Satisfiability Modulo Theories,可满足性模理论)在这类问题的表述和求解上有突出优势。本发明提出了对微内核IPC(Inter-Process Communication，进程间通信)进行验证的方法。首先将IPC源代码,包括同步调用模块，同步等待模块，异步发送模块，异步应答模块等，改写为抽象的IPC源代码；使用LLVM编译框架从抽象的IPC源代码自动生成LLVM中间语言；将LLVM中间语言转化为SMT可接收代码；根据微内核IPC规范提取其性质；对提取的性质编写SMT代码；根据微内核IPC得到的SMT代码和IPC性质得到的SMT代码，应用SMT求解器进行验证；若验证失败，根据验证工具给出的提示修改微内核IPC并重新验证。若验证通过，则表明微内核IPC满足性质。本发明应用到基于ESB(Event Service Bus,事件服务总线)的微内核IPC验证中，以提高其安全性、可靠性。

发明内容

本发明提出了一种基于中间格式及SMT技术的微内核IPC验证方法，包括以下步骤：

步骤一：根据已有的微内核IPC源代码进行抽象得到抽象的IPC源代码；

步骤二：根据抽象的IPC源代码，使用LLVM框架下的编译器，将抽象的IPC源代码转化为LLVM中间表示；

步骤三：提取LLVM中间表示中的信息转换为python格式；

步骤四：根据微内核IPC的规范，抽取出需要验证的性质并编写微内核IPC的性质；

步骤五：将微内核IPC的SMT代码和IPC性质的SMT代码作为SMT求解器的输入，判断微内核IPC是否满足IPC性质；若微内核IPC不满足IPC性质，则需要修复微内核IPC代码的错误，并重新将二者生成的SMT输入SMT求解器；若微内核IPC满足性质，则可判断微内核的正确性。

本发明提出的所述微内核IPC验证方法中，所述步骤一根据已有的微内核IPC源代码进行抽象得到抽象的IPC源代码包括以下步骤：

步骤A1：重写微内核IPC的参数列表为整型；

步骤A2：重写微内核IPC的数据结构；

步骤A3：重写微内核IPC源代码中的方法。

本发明提出的所述微内核IPC验证方法中，所述A1微内核IPC中的参数是整型的。

本发明提出的所述微内核IPC验证方法中，所述微内核IPC包括同步调用模块、同步等待模块、异步发送模块和异步应答模块。

本发明提出的所述微内核IPC验证方法中，所述步骤二根据抽象的IPC源代码，使用LLVM框架下的编译器，将IPC源代码转化为LLVM中间表示包括以下步骤：

步骤B1：将抽象的微内核IPC源代码转化为LLVM中间表示；

步骤B2：将LLVM中间语言优化。

本发明提出的所述微内核IPC验证方法中，所述B1通过LLVM编译器框架中的前端框架Clang将IPC源代码转化为LLVM中间语言并优化LLVM中间语言。

本发明提出的所述微内核IPC验证方法中，所述提取LLVM中间表示中的信息转换为python格式包括以下步骤：

步骤C1：编写LLVM中间表示转换为python的转换器；

步骤C2：将LLVM中间表示转换为python语言格式。

本发明提出的所述微内核IPC验证方法中，所述步骤三提取LLVM中间表示的信息包括全局变量，参数大小，参数类型。

本发明提出的所述微内核IPC验证方法中，所述步骤四根据微内核IPC的规范，抽取出需要验证的性质并编写微内核IPC的性质包括以下步骤：

步骤D1：从已有的微内核IPC自然语言规范中提取IPC性质；

步骤D2：将提取出的性质用python表示出来；

步骤D3：验证微内核IPC源代码和提取出的IPC性质的等价性。

本发明提出的所述微内核IPC验证方法中，所述步骤五将微内核IPC的SMT代码和IPC性质的SMT代码输入SMT求解器进行求解包括以下步骤：

步骤E1：将微内核IPC的SMT代码和IPC性质的SMT代码作为SMT求解器的输入；

步骤E2：验证所述微内核IPC是否正确，若验证失败，根据验证工具给出的提示修改微内核IPC并重新验证；若验证通过，则表明微内核IPC满足性质。

本发明公开了一种基于中间格式及SMT技术的微内核IPC验证方法，首先将IPC源代码,包括同步调用模块，同步等待模块，异步发送模块，异步应答模块等，改写为抽象的IPC源代码；使用LLVM编译框架从抽象的IPC源代码自动生成LLVM中间语言；将LLVM中间语言转化为SMT可接收代码；根据微内核IPC规范提取其性质；对提取的性质编写SMT代码；根据微内核IPC得到的SMT代码和IPC性质得到的SMT代码，应用SMT求解器进行验证；若验证失败，根据验证工具给出的提示修改微内核IPC并重新验证。若验证通过，则表明微内核IPC满足性质。

附图说明

图1表示本发明一种基于中间格式及SMT技术的微内核IPC验证方法的架构示意图。

图2表示本发明一种基于中间格式及SMT技术的微内核IPC验证方法的方法流程图。

图3表示本发明一种基于中间格式及SMT技术的微内核IPC验证方法中验证一致性的方法流程图。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

本发明的基于LLVM中间格式的微内核IPC验证方法中需要从自然语言规范中提取微内核IPC所应具备的性质，将其用形式化语言重新表述，并转化为SMT代码，结合源代码转化得到的SMT在自动验证工具中进行验证。

本发明提出了一种基于LLVM中间格式的微内核IPC验证方法，包括：

步骤一：根据已有的微内核IPC源代码进行抽象，从而进一步得到抽象的IPC源代码；

步骤二：根据抽象的IPC源代码，使用LLVM框架下的编译器，将IPC源代码转化为LLVM中间表示；

步骤三：提取LLVM中间表示中的全局变量，参数大小，参数类型等各种信息，将其转换为python格式；

步骤四：根据微内核IPC的规范，抽取出需要验证的性质并编写微内核IPC的性质；

步骤五：将微内核IPC的SMT代码和IPC性质的SMT代码作为SMT求解器的输入，若验证失败，则表明微内核IPC不满足性质，需要修改微内核IPC源代码，并重新将二者生成的SMT输入SMT求解器；若验证通过，则表明微内核IPC满足性质。

本发明提出的微内核IPC验证方法中，所述步骤一根据已有的微内核IPC源代码进行抽象，得到抽象的IPC源代码包括以下步骤：

步骤A1：重写微内核IPC的参数列表为整型；

步骤A2：重写微内核IPC的数据结构；

步骤A3：重写微内核IPC源代码中的方法。

本发明提出的微内核IPC验证方法中，通过LLVM编译器框架中的前端框架Clang进行微内核IPC到LLVM中间语言的转化。

本发明提出的微内核IPC验证方法中，所述步骤二根据抽象的IPC源代码，使用LLVM框架下的编译器，将IPC源代码转化为LLVM中间表示包括以下步骤：

步骤B1：将抽象的微内核IPC源代码转化为LLVM中间表示；

步骤B2：将LLVM中间语言优化。

本发明提出的微内核IPC验证方法中，所述步骤三提取LLVM中间表示中的全局变量，参数大小，参数类型等各种信息，将其转换为python格式包括以下步骤：

步骤C1：编写LLVM转换为python的转换器；

步骤C2：将LLVM IR转换为python语言格式。

本发明提出的微内核IPC验证方法中，所述步骤四根据微内核IPC的规范，抽取出需要验证的性质并编写微内核IPC的性质包括以下步骤：

步骤D1：从已有的微内核IPC自然语言规范中提取IPC性质；

步骤D2：将提取出的性质用python表示出来；

步骤D3：验证微内核IPC源代码和提取出的IPC性质的等价性。

本发明提出的基于LLVM中间格式的微内核IPC验证方法中，所述步骤五将微内核IPC的SMT代码和IPC性质的SMT代码输入SMT求解器进行求解并且修改包括以下步骤：

步骤E1：将微内核IPC的SMT代码和IPC性质的SMT代码作为SMT求解器的输入；

步骤E2：验证所述微内核IPC是否正确，若验证失败，根据验证工具给出的提示修改微内核IPC并重新验证。若验证通过，则表明微内核IPC满足性质。

本发明提出的基于中间格式和SMT技术的微内核IPC验证方法，将IPC源代码,包括同步调用模块，同步等待模块，异步发送模块，异步应答模块等，改写为抽象的IPC源代码；使用LLVM编译框架从抽象的IPC源代码自动生成LLVM中间语言；将LLVM中间语言转化为SMT可接收代码；根据微内核IPC规范提取其性质；对提取的性质编写SMT代码；根据微内核IPC得到的SMT代码和IPC性质得到的SMT代码，应用SMT求解器进行验证；若验证失败，根据验证工具给出的提示修改微内核IPC并重新验证。若验证通过，则表明微内核IPC满足性质。本发明应用到基于ESB的微内核IPC验证中，以提高其安全性、可靠性。

实施例

如图1所示，是本发明的一种基于中间格式及SMT技术的微内核IPC验证方法的架构示意图，本发明包括以下步骤：

步骤一：给定一个基于ESB的微内核操作系统,首先，对基于ESB的微内核操作系统的IPC源码进行抽象，包括ESB帧结构，同步调用模块，同步等待模块，异步发送模块，异步应答模块等，并重写基于ESB的微内核操作系统的IPC的参数列表为整型，重写IPC的数据结构，重写IPC中的方法。对于ESB帧结构，将源地址和目的地址提取出来，作为参数列表中的一项。

步骤二：图2显示的是本发明的一种基于中间格式及SMT技术的微内核IPC验证方法的方法流程图。根据抽象的IPC源代码，通过LLVM编译器框架中的前端框架Clang进行系统调用部分的源码到LLVM中间语言的转化。Clang是LLVM编译器的前端框架，把微内核IPC转化为LLVM编译器的中间语言格式。LLVM的中间语言叫做LLVM IR，是一种介于汇编和C之间的语言，结合了汇编和C的优点，目前对微内核IPC的分析很多事基于LLVM中间语言的。使用LLVM框架下的编译器，将IPC源代码转化为LLVM中间表示，将得到的LLVM中间语言优化，得到更简洁的LLVM IR格式。

步骤三：根据步骤二得到的LLVM中间表示，提取LLVM中间表示中的全局变量，参数大小，参数类型等各种信息，将其转换为python格式。对基于ESB的微内核操作系统的IPC部分进行验证。

图3显示的是本发明的一种基于中间格式及SMT技术的微内核IPC验证方法中验证一致性的方法流程图，由于IPC性质是从基于ESB的微内核操作系统规范中提取的，验证IPC性质之前需验证IPC源码和抽象的python格式的一致性。根据一致性标准，若验证通过，则进行性质的验证，若验证不通过则修改python源码。

步骤四：分析基于ESB的微内核操作系统IPC的自然语言规范，抽取出基于ESB的微内核操作系统所定义的IPC执行的性质，并将性质形式化描述出来，并验证IPC性质公式的正确性，其中包括同步调用模块，同步等待模块，异步发送模块，异步应答模块等内容。

步骤五：将基于ESB的微内核操作系统IPC的SMT代码和IPC性质的SMT代码作为SMT求解器的输入进行求解，若进程间通信程序不满足IPC性质，则需要修复进程间通信程序代码的错误，并重新将二者生成的SMT输入SMT求解器；若进程间通信程序满足IPC性质，则可判断进程间通信程序的正确性。

本具体实例以基于ESB的微内核操作系统为例，对其IPC部分进行验证。首先将基于ESB的微内核操作系统的IPC部分进行抽象，得到抽象的IPC源代码，根据抽象的源码得到SMT代码。阅读基于ESB的微内核操作系统的规范，提取出IPC部分的性质。将IPC和提取出的性质的SMT相结合，调用SMT求解器进行求解。

本具体事例中，运用本发明的基于LLVM中间格式的微内核IPC验证方法对基于ESB的微内核操作系统的IPC部分进行形式化验证，另外，本验证工作是对系统调用的IPC性质进行验证的，但是其中也包含了一致性检查，具体包括以下步骤：

步骤一：分析基于ESB的微内核操作系统IPC部分的源代码，包括同步调用模块，同步等待模块，异步发送模块，异步应答模块等，并重写微内核IPC的参数列表为整型。

步骤二：根据抽象的IPC源代码，通过LLVM编译器框架中的前端框架Clang进行系统调用部分的源码到LLVM中间语言的转化。Clang是LLVM编译器的前端框架，用来把微内核IPC转化为LLVM编译器的中间语言格式。LLVM的中间语言叫做LLVM IR，是一种介于汇编和C之间的语言，结合了汇编和C的优点，目前对微内核IPC的分析很多事基于LLVM中间语言的。使用LLVM框架下的编译器，将IPC源代码转化为LLVM中间表示，将得到的LLVM中间语言优化，得到更简洁的LLVM IR格式。

步骤三：根据抽象过的IPC源代码编写IPC的python格式，保证函数名称，参数个数，参数类型，函数中的方法等保持一致。

步骤四：根据步骤二得到的LLVM中间表示，提取LLVM中间表示中的全局变量，参数大小，参数类型等各种信息，将其转换为python格式。对面向物联网的微内核操作系统的IPC部分进行验证。

更为优选的，步骤四之后进一步编写一致性检查标准，如函数名称，参数类型，参数个数，函数中所执行的操作等是否一致。一致性检查标准是本发明的重要判断标准之一，用来检查微内核IPC源代码与根据源代码编写的Python代码是否等价。

步骤五：将基于ESB的微内核操作系统内核的IPC的SMT代码和一致性检查的SMT代码作为SMT求解器的输入进行求解，若系统调用程序不满足一致性标准，即函数名称，参数类型，参数个数，或函数中所执行的操作不一致，则需要修复根据抽象过的IPC源代码编写的python格式，并重新将二者生成的SMT输入SMT求解器；若系统调用程序满足一致性标准，则可判断系一致性标准通过。

运用SMT自动求解器进行求解，如果程序验证错误，可以根据提示找出反例，对验证的代码进行修改后重新验证；若验证通过，则说明所验证的代码与规范描述一致，保留正确的代码。

本具体实例以基于ESB的微内核操作系统IPC形式化验证为例，首先将IPC源代码,包括同步调用模块，同步等待模块，异步发送模块，异步应答模块等，改写为抽象的IPC源代码；使用LLVM编译框架从抽象的IPC源代码自动生成LLVM中间语言；将LLVM中间语言转化为SMT可接收代码；根据微内核IPC规范提取其性质；对提取的性质编写SMT代码；根据微内核IPC得到的SMT代码和IPC性质得到的SMT代码，应用SMT求解器进行验证；若验证失败，根据验证工具给出的提示修改微内核IPC并重新验证。若验证通过，则表明微内核IPC满足性质。本发明应用到基于ESB的微内核IPC形式化验证中，以提高其安全性、可靠性。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims (7)

1.一种基于中间格式及SMT技术的微内核IPC验证方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：根据已有的微内核IPC源代码进行抽象得到抽象的IPC源代码；所述A1微内核IPC中的参数是整型的；所述微内核IPC包括同步调用模块、同步等待模块、异步发送模块和异步应答模块；

所述步骤一根据已有的微内核IPC源代码进行抽象得到抽象的IPC源代码包括以下步骤：

步骤A1：重写微内核IPC的参数列表为整型；

步骤A2：重写微内核IPC的数据结构；

步骤A3：重写微内核IPC源代码中的方法；

步骤二：根据抽象的IPC源代码，使用LLVM框架下的编译器，将抽象的IPC源代码转化为LLVM中间表示；

步骤三：提取LLVM中间表示中的信息转换为python格式；

步骤四：根据微内核IPC的规范，抽取出需要验证的性质并编写微内核IPC的性质；

步骤五：将微内核IPC的SMT代码和IPC性质的SMT代码作为SMT求解器的输入，判断微内核IPC是否满足IPC性质；若微内核IPC不满足IPC性质，则需要修复微内核IPC代码的错误，并重新将二者生成的SMT输入SMT求解器；若微内核IPC满足性质，则可判断微内核的正确性。

2.如权利要求1所述的微内核IPC验证方法中，其特征在于，所述步骤二根据抽象的IPC源代码，使用LLVM框架下的编译器，将IPC源代码转化为LLVM中间表示包括以下步骤：

步骤B1：将抽象的微内核IPC源代码转化为LLVM中间表示；

步骤B2：将LLVM中间语言优化。

3.如权利要求2所述的微内核IPC验证方法中，其特征在于，所述B1通过LLVM编译器框架中的前端框架Clang将IPC源代码转化为LLVM中间语言并优化LLVM中间语言。

4.如权利要求1所述的微内核IPC验证方法中，其特征在于，所述提取LLVM中间表示中的信息转换为python格式包括以下步骤：

步骤C1：编写LLVM中间表示转换为python的转换器；

步骤C2：将LLVM中间表示转换为python语言格式。

5.如权利要求4所述的微内核IPC验证方法中，其特征在于，所述步骤三提取LLVM中间表示的信息包括全局变量，参数大小，参数类型。

6.如权利要求1所述的微内核IPC验证方法中，其特征在于，所述步骤四根据微内核IPC的规范，抽取出需要验证的性质并编写微内核IPC的性质包括以下步骤：

步骤D1：从已有的微内核IPC自然语言规范中提取IPC性质；

步骤D2：将提取出的性质用python表示出来；

步骤D3：验证微内核IPC源代码和提取出的IPC性质的等价性。

7.如权利要求1所述的微内核IPC验证方法中，其特征在于，所述步骤五将微内核IPC的SMT代码和IPC性质的SMT代码输入SMT求解器进行求解包括以下步骤：

步骤E1：将微内核IPC的SMT代码和IPC性质的SMT代码作为SMT求解器的输入；

步骤E2：验证所述微内核IPC是否正确，若验证失败，根据验证工具给出的提示修改微内核IPC并重新验证；若验证通过，则表明微内核IPC满足性质。

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