在科研院所承担的型号研制、基础软件攻关、高可信系统建设和关键技术预研项目中，软件已经成为系统能力的重要组成部分。

它可能存在于操作系统内核、嵌入式控制软件、任务调度模块、通信协议栈、密码算法实现、安全策略模型、控制状态机、智能装备软件、工业控制系统等关键环节。

这类软件通常具有几个共同特征：

系统状态复杂；异常场景多；安全后果敏感；测试覆盖难以穷尽；需要形成可审查、可复用、可沉淀的技术证据。

因此，高可靠软件研发中越来越重要的问题是：

除了测试和评审之外，能否用更严格的方法证明关键性质成立？

形式化验证正是在这一背景下被越来越多科研院所关注。

一、形式化验证解决的是“能否证明”的问题

传统测试主要回答：在已设计的测试场景下，软件是否表现正常。

代码审查主要回答：专家能否从设计和实现中发现明显问题。

仿真验证主要回答：系统在设定环境和工况下是否满足预期行为。

形式化验证关注的问题更进一步：

在给定模型、代码和约束条件下，某些关键性质是否始终成立。

例如：

访问控制规则是否始终有效；状态机是否会进入危险状态；协议交互是否存在异常路径；关键算法实现是否符合规格；内存访问是否存在越界风险；权限边界是否可能被绕过；异常输入下系统是否仍保持安全响应。

这种方法的价值在于，它可以把“经过大量测试”进一步推进到“关键性质可证明”。

二、为什么高可靠软件需要形式化验证？

相关关键软件项目通常服务于装备系统、基础平台、核心算法、控制逻辑或安全机制。

这类项目的难点在于：

第一，测试无法覆盖全部状态空间。复杂软件中存在大量状态组合、边界条件、并发行为和异常路径。很多问题不会在常规测试中出现，却可能在特定组合条件下触发。

第二，关键缺陷后果较重。在高可靠系统中，一个权限绕过、状态跳转错误、协议逻辑缺陷或内存安全问题，可能影响系统安全性、可用性和任务连续性。

第三，项目需要可审查证据。科研项目、型号任务、高等级认证或成果验收中，往往需要的不只是“测试通过”，还需要说明为什么可信、依据是什么、证据能否复用。

第四，核心技术需要长期沉淀。形式化模型、性质定义和证明过程可以作为技术资产保留下来，为后续版本演进、平台化复用和成果转化提供支撑。

因此，形式化验证适合用于那些 高风险、高价值、边界清晰、需要形成可信证明的关键模块。

三、典型应用方向

形式化验证不一定从整套系统开始。更现实的路径，是围绕关键模块、关键性质和关键证据展开。

1. 安全策略与访问控制模型

在操作系统、安全平台、数据管理系统和多级安全系统中，访问控制策略往往是核心安全机制。

形式化验证可以用于证明：

权限规则是否一致；安全域之间是否保持隔离；访问控制策略是否存在冲突；权限授予和回收是否满足约束；某些敏感资源是否始终受到保护。

这类验证适合用于安全策略设计阶段，也可以作为高等级安全认证中的支撑证据。

2. 操作系统与基础软件关键模块

科研院所常涉及自主操作系统、实时系统、嵌入式平台和基础软件栈研发。

形式化验证可以关注：

系统调用接口；任务调度逻辑；内存管理机制；进程隔离机制；异常处理逻辑；内核关键数据结构；驱动与内核交互边界。

对于基础软件来说，底层模块的可信程度会影响上层系统。对关键模块进行形式化验证，可以提升系统整体可信基础。

3. 通信协议与安全协议

协议类软件通常具有交互复杂、状态多、异常路径难覆盖的特点。

形式化验证可用于分析：

协议状态机是否完整；认证流程是否可被绕过；消息顺序是否存在异常路径；密钥协商是否满足预期安全性质；重放、伪造、降级等风险是否可排除；节点交互是否会导致死锁或不可达状态。

在通信、指挥控制、工业控制、装备互联等场景中，这类验证价值较高。

4. 控制状态机与安全关键逻辑

在飞控、车控、无人系统、工业控制和任务控制软件中，状态机是非常关键的设计对象。

形式化验证可以用于证明：

危险状态不可达；安全状态可达；模式切换满足约束；故障处理路径完整；异常输入不会导致非预期控制输出；关键条件组合下系统仍保持安全响应。

这类验证适合用于控制逻辑设计评审、关键模块验证和型号研制过程中的可信性论证。

5. 密码算法实现与安全模块

对于密码模块、安全芯片、可信执行环境和安全通信组件，形式化验证可以用于分析：

算法实现是否符合数学规格；关键状态机是否正确；密钥生命周期是否满足策略；敏感操作是否存在逻辑绕过；安全启动流程是否满足设计约束；权限检查是否覆盖关键路径。

这类验证能够增强密码与安全模块从设计到实现的一致性证明。

6. 源代码级安全性质验证

在已有代码基础上，形式化验证也可以用于源码级分析。

例如：

数组越界；空指针；整数溢出；非法内存访问；不满足前置条件的函数调用；关键变量取值范围；安全断言是否始终成立。

这类工作适合用于 C/C++/Rust 等关键代码的高可信分析，尤其适合对核心模块进行重点验证。

四、形式化验证在科研项目中的价值

对科研院所来说，形式化验证的价值不只体现在发现缺陷，还体现在 技术论证、证据构建和成果沉淀。

1. 支撑技术路线论证

在预研、课题申报、方案评审和型号论证阶段，形式化模型可以帮助团队更清楚地表达系统逻辑、约束条件和关键性质。

相比单纯文字描述，形式化模型更适合表达复杂状态、权限关系、协议交互和控制逻辑。

2. 提升成果验收支撑材料质量

科研项目往往需要形成报告、测试结果、验证材料和技术总结。

形式化验证可以输出：

形式化模型；性质定义；证明过程；验证结论；反例分析；问题修复记录；模型与代码对应关系。

这些内容能够增强项目成果的技术说服力。

3. 前移缺陷发现阶段

很多关键缺陷如果到联调、试验或验收阶段才暴露，修复成本会非常高。

形式化验证可以在需求建模、方案设计、代码实现早期发现逻辑缺陷，减少后期返工。

4. 形成可复用技术资产

形式化模型和验证脚本可以随着系统版本演进持续维护。

对于平台型软件、通用安全模块、协议组件和基础软件内核，这类资产可以在多个项目中复用，逐步形成单位内部高可信软件工程能力。

五、落地形式化验证，建议从关键问题切入

形式化验证具有一定专业门槛，实际项目中不建议一开始就追求“全系统形式化”。

更可行的方式是围绕关键问题切入：

一个安全策略；一个协议流程；一个核心算法；一个状态机；一个关键控制模块；一段高风险源码；一个需要支撑认证或验收的关键性质。

先选择边界清晰、价值明确的对象，完成模型构建、性质定义、验证分析和报告输出，再逐步扩展到更大系统范围。

这种方式更符合科研项目推进节奏，也更容易形成阶段性成果。

六、望安科技可提供的支持

浙江望安科技有限公司长期围绕形式化验证、原生安全、高安全等级认证和产品安全合规开展技术服务，面向科研院所、军工单位、基础软件企业和高可靠系统研发团队提供支持。

在形式化验证方向，望安科技可提供：

形式化验证方案设计；安全策略建模与性质证明；状态机与协议形式化分析；C/C++/Rust 源码级形式化验证；高等级认证中的形式化证据支持；形式化验证工具定制与流程建设；研发团队培训与能力建设。

望安科技的形式化验证工具体系包括：

形式化源码验证工具（穹道·WAVC），用于面向 C/C++/Rust 等代码的源码级性质验证与缺陷分析。形式化建模验证工具（穹道·WCert），用于安全策略、状态机、协议模型和认证证据相关的形式化建模与证明。

针对高可靠软件项目，望安科技可协助完成从验证对象选择、性质定义、建模证明、源码分析到验证报告输出的全过程支持。

如需了解更多形式化验证、原生安全平台及高可信软件验证服务内容，欢迎访问 浙江望安科技有限公司官网，获取更多解决方案与服务信息。