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F*でプログラムの正しさを証明する

 F*でプログラムの正しさを証明する

セキュリティ・キャンプ全国大会2021 オンラインで行われたLT用のスライド資料です

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Ushitora Anqou

August 08, 2021
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Transcript

  1. F⋆ でプログラムの正しさを証明する 艮 鮟鱇(@ushitora_anqou) 2021 年 8 月 9 日

    1
  2. あなたが書いたそのプログラム、正しいですか? テストはプログラムの正しさを保証しない • テストした値では正しいと言える(かも) • テストしていない値では? • 入力値は加算無限個ある プログラムが「数学的に」正しいことを示したい •

    プログラムの正しさを「証明」する • どんな入力に対しても正しく動作することを保証する プログラムの証明を人力でチェックする⋯⋯? 2
  3. 形式証明 証明の正しさを機械的に検証する • 証明を特殊なプログラムとして記述し、コンパイラに入力 • (コンパイラが間違っていなければ)コンパイルが通ると証 明が正しいことが分かる • こういうコンパイラを「証明支援系」と呼ぶ 背後には

    Curry-Howard 同型対応などの理論がある⋯⋯ • ⋯⋯が今回は省略 • 気になる人は「計算と論理」で検索して五十嵐先生のスライ ドとかをチェック 3
  4. F⋆ 最近出てきた証明支援系 • Microsoft Research や INRIA が作っている(2016 年~) •

    依存型・篩型・エフェクトなどの格好いい機能がある • 証明をある程度省略して書いてもいい感じに推論して検証 してくれる • プログラミング言語 OCaml に酷似した文法 今日の主役 4
  5. F⋆ 使われています HACL*:F⋆ で検証された暗号ライブラリ • TLS の実装を F⋆ で検証することを目標にしている(Project Everest)

    • Firefox(ブラウザ)や Wireguard(VPN)や Tezos(暗号通 貨)に組み込まれている Plebeia:暗号通貨 Tezos 用のストレージシステム • F⋆ で実装が正しいことを保証 • 現在絶賛開発中 5
  6. 本日のお題:フィボナッチ数列 前項と前々項の和でできる数列 an =      

     1 (n = 0, 1) an−1 + an−2 (n ≥ 2) an = 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, . . . (n = 0, 1, 2, . . . ) 定理 n = 2, 3, 4, . . . について an ≥ n 6
  7. 日本語での証明 n に関する数学的帰納法により証明する。すなわち 1. a2 ≥ 2 かつ a3 ≥

    3 を示す。 • 定義より a2 = 2 ≥ 2 かつ a3 = 3 ≥ 3 なのでこれは成り立つ。 2. 任意に n = 4, 5, 6, . . . をとり、an−2 ≥ n − 2 かつ an−1 ≥ n − 1 を仮定して an ≥ n を示す。 an = an−1 + an−2 (定義より) ≥ (n − 1) + (n − 2) (帰納法の仮定より) = (n + 1) + (n − 4) ≥ n + 1 (n ≥ 4 より) 7
  8. F⋆ で証明する:fibの定義 まずフィボナッチ数列を計算する関数 fib を定義 8

  9. F⋆ で証明する:定理の宣言 続いて示したい定理を宣言 定理 n = 2, 3, 4, .

    . . について an ≥ n 9
  10. F⋆ で証明する:証明をプログラムとして定義 何を書けばよいか • F⋆ は証明のかなりの部分を自動化してくれる • しかし帰納法をどう行えばよいかはまるっきり分からない • より具体的には「帰納法の仮定をどう使うか」

    • 人間がヒントとして帰納法の仮定の使い方を教える必要 • プログラム上では再帰関数呼び出しとして表現される 10
  11. F⋆ で証明する:証明をプログラムとして定義 11

  12. F⋆ で証明する:検証結果 fstar.exe に食わせると証明が正しいことを検証できる F⋆ コードを OCaml コードに変換(コード抽出)することで、検 証された fib

    関数を実行することができる • 今回は省略 12
  13. Let’s write F⋆! 13