Practical Reasoning for Very Expressive Description Logics

Description Logics (DLs) are a family of knowledge representation formalisms mainly characterised by constructors to build complex concepts and roles from atomic ones. Expressive role constructors are important in many applications, but can be computationally problematical. We present an algorithm that decides satisfiability of the DL ALC extended with transitive and inverse roles and functional restrictions with respect to general concept inclusion axioms and role hierarchies; early experiments indicate that this algorithm is well-suited for implementation. Additionally, we show that ALC extended with just transitive and inverse roles is still in PSPACE. We investigate the limits of decidability for this family of DLs, showing that relaxing the constraints placed on the kinds of roles used in number restrictions leads to the undecidability of all inference problems. Finally, we describe a number of optimisation techniques that are crucial in obtaining implementations of the decision procedures, which, despite the worst-case complexity of the problem, exhibit good performance with real-life problems

Applying Formal Methods to Networking: Theory, Techniques and Applications

Despite its great importance, modern network infrastructure is remarkable for the lack of rigor in its engineering. The Internet which began as a research experiment was never designed to handle the users and applications it hosts today. The lack of formalization of the Internet architecture meant limited abstractions and modularity, especially for the control and management planes, thus requiring for every new need a new protocol built from scratch. This led to an unwieldy ossified Internet architecture resistant to any attempts at formal verification, and an Internet culture where expediency and pragmatism are favored over formal correctness. Fortunately, recent work in the space of clean slate Internet design---especially, the software defined networking (SDN) paradigm---offers the Internet community another chance to develop the right kind of architecture and abstractions. This has also led to a great resurgence in interest of applying formal methods to specification, verification, and synthesis of networking protocols and applications. In this paper, we present a self-contained tutorial of the formidable amount of work that has been done in formal methods, and present a survey of its applications to networking.Comment: 30 pages, submitted to IEEE Communications Surveys and Tutorial

Complexity Hierarchies Beyond Elementary

We introduce a hierarchy of fast-growing complexity classes and show its suitability for completeness statements of many non elementary problems. This hierarchy allows the classification of many decision problems with a non-elementary complexity, which occur naturally in logic, combinatorics, formal languages, verification, etc., with complexities ranging from simple towers of exponentials to Ackermannian and beyond.Comment: Version 3 is the published version in TOCT 8(1:3), 2016. I will keep updating the catalogue of problems from Section 6 in future revision

Proof-theoretic Semantics for Intuitionistic Multiplicative Linear Logic

This work is the first exploration of proof-theoretic semantics for a substructural logic. It focuses on the base-extension semantics (B-eS) for intuitionistic multiplicative linear logic (IMLL). The starting point is a review of Sandqvist’s B-eS for intuitionistic propositional logic (IPL), for which we propose an alternative treatment of conjunction that takes the form of the generalized elimination rule for the connective. The resulting semantics is shown to be sound and complete. This motivates our main contribution, a B-eS for IMLL , in which the definitions of the logical constants all take the form of their elimination rule and for which soundness and completeness are established

Pseudo-contractions as Gentle Repairs

Updating a knowledge base to remove an unwanted consequence is a challenging task. Some of the original sentences must be either deleted or weakened in such a way that the sentence to be removed is no longer entailed by the resulting set. On the other hand, it is desirable that the existing knowledge be preserved as much as possible, minimising the loss of information. Several approaches to this problem can be found in the literature. In particular, when the knowledge is represented by an ontology, two different families of frameworks have been developed in the literature in the past decades with numerous ideas in common but with little interaction between the communities: applications of AGM-like Belief Change and justification-based Ontology Repair. In this paper, we investigate the relationship between pseudo-contraction operations and gentle repairs. Both aim to avoid the complete deletion of sentences when replacing them with weaker versions is enough to prevent the entailment of the unwanted formula. We show the correspondence between concepts on both sides and investigate under which conditions they are equivalent. Furthermore, we propose a unified notation for the two approaches, which might contribute to the integration of the two areas

On the Computation of Common Subsumers in Description Logics

Description logics (DL) knowledge bases are often build by users with expertise in the application domain, but little expertise in logic. To support this kind of users when building their knowledge bases a number of extension methods have been proposed to provide the user with concept descriptions as a starting point for new concept definitions. The inference service central to several of these approaches is the computation of (least) common subsumers of concept descriptions. In case disjunction of concepts can be expressed in the DL under consideration, the least common subsumer (lcs) is just the disjunction of the input concepts. Such a trivial lcs is of little use as a starting point for a new concept definition to be edited by the user. To address this problem we propose two approaches to obtain "meaningful" common subsumers in the presence of disjunction tailored to two different methods to extend DL knowledge bases. More precisely, we devise computation methods for the approximation-based approach and the customization of DL knowledge bases, extend these methods to DLs with number restrictions and discuss their efficient implementation

A temporal logic approach to information-flow control

Information leaks and other violations of information security pose a severe threat to individuals, companies, and even countries. The mechanisms by which attackers threaten information security are diverse and to show their absence thus proved to be a challenging problem. Information-flow control is a principled approach to prevent security incidents in programs and other technical systems. In information-flow control we define information-flow properties, which are sufficient conditions for when the system is secure in a particular attack scenario. By defining the information-flow property only based on what parts of the executions of the system a potential attacker can observe or control, we obtain security guarantees that are independent of implementation details and thus easy to understand. There are several methods available to enforce (or verify) information-flow properties once defined. We focus on static enforcement methods, which automatically determine whether a given system satisfies a given information-flow property for all possible inputs to the system. Most enforcement approaches that are available today have one problem in common: they each only work for one particular programming language or information-flow property. In this thesis, we propose a temporal logic approach to information-flow control to provide a simple formal basis for the specification and enforcement of information-flow properties. We show that the approach can be used to enforce a wide range of information-flow properties with a single algorithm. The main challenge is that the standard temporal logics are unable to express information-flow properties. They lack the ability to relate multiple executions of a system, which is essential for information-flow properties. We thus extend the temporal logics LTL and CTL* by the ability to quantify over multiple executions and to relate them using boolean and temporal operators. The resulting temporal logics HyperLTL and HyperCTL* can express many information-flow properties of interest. The extension of temporal logics com- pels us to revisit the algorithmic problem to check whether a given system (model) satisfies a given specification in HyperLTL or HyperCTL*; also called the model checking problem. On the technical side, the main contribution is a model checking algorithm for HyperLTL and HyperCTL* and the detailed complexity analysis of the model checking problem: We give nonelementary lower and upper bounds for its computational complexity, both in the size of the system and the size of the specification. The complexity analysis also reveals a class of specification, which includes many of the commonly consid- ered information-flow properties and for which the algorithm is efficient (in NLOGSPACE in the size of the system). For this class of efficiently checkable properties, we provide an approach to reuse existing technology in hardware model checking for information-flow control. We demonstrate along a case study that the temporal logic approach to information-flow control is flexible and effective. We further provide two case studies that demonstrate the use of HyperLTL and HyperCTL* for proving properties of error resistant codes and distributed protocols that have so far only been considered in manual proofs.Informationssicherheit stellt eine immer größere Bedrohung für einzelne Personen, Firmen und selbst ganze Länder dar. Ein grundlegender Ansatz zur Vorbeugung von Sicherheitsproblemen in technischen Systemen, wie zum Beispiel Programmen, ist Informationsflusskontrolle. In der Informationsflusskontrolle definieren wir zunächst sogenannte Informationsflusseigenschaften, welche hinreichende Bedingungen für die Sicherheit des gegebenen Systems in einem Sicherheitsszenario darstellen. Indem wir Informationsflusseigenschaften nur auf Basis der möglichen Beobachtungen eines Angreifers über das System definieren, erhalten wir einfach zu verstehende Sicherheitsgarantien, die unabhängig von Implementierungsdetails sind. Nach der Definition von Eigenschaften muss sichergestellt werden, dass ein gegebenes System seine Informationsflusseigenschaft erfüllt, wofür es bereits verschiedene Methoden gibt. Wir fokussieren uns in dieser Arbeit auf statische Methoden, welche für ein gegebenes System und eine gegebene Informationsflusseigenschaft automatisch entscheiden, ob das System die Eigenschaft für alle möglichen Eingaben erfüllt, was wir auch das Modellprüfungsproblem nennen. Die meisten verfügbaren Methoden zum Sicherstellen der Einhaltung von Informationsflusseigenschaften teilen jedoch eine Schwäche: sie funktionieren nur für eine einzelne Programmiersprache oder eine einzelne Informationsflusseigenschaft. In dieser Arbeit verfolgen wir einen Ansatz basierend auf Temporallogiken, um eine einfache theoretische Basis für die Spezifikation von Informationsflusseigenschaften und deren Umsetzung zu erhalten. Wir analysieren den Zusammenhang von der Ausdrucksmächtigkeit von Spezifikationssprachen und dem algorithmischen Problem Spezifikationen für ein System zu überprüfen. Anhand einer Fallstudie im Bereich der Hardwaresicherheit zeigen wir, dass der Ansatz dazu geeignet ist eine breite Palette von bekannten und neuen Informationsflusseigenschaften mittels eines einzelnen Modellprüfungsalgorithmus zu beweisen. Das Kernproblem hierbei ist, dass wir in den üblichen Temporallogiken Informationsflusseigenschaften nicht ausdrücken können, es fehlt die Fähigkeit mehrere Ausführungen eines Systems miteinander zu vergleichen, was der gemeinsame Nenner von Informationsflusseigenschaften ist. Wir erweitern Temporallogiken daher um die Fähigkeit über mehrere Ausführungen zu quantifizieren und diese miteinander zu vergleichen. Der Hauptbeitrag auf der technischen Ebene ist ein Modellprüfungsalgorithmus und eine detaillierte Analyse der Komplexität des Modellprüfungsproblems. Wir geben einen Modellprüfungsalgorithmus an und beweisen, dass der Algorithmus asymptotisch optimal ist. Die Komplexitätsanalyse zeigt auch eine Klasse von Eigenschaften auf, welche viele der üblichen Informationsflusseigenschaften beinhaltet, und für welche der gegebene Algorithmus effizient ist (in NLOGSPACE in der Größe des Systems). Für diese Klasse von effizient überprüfbaren Eigenschaften diskutieren wir einen Ansatz bestehende Technologie zur Modellprüfung von Hardware für Informationsflusskontrolle wiederzuverwenden. Anhand einer Fallstudie zeigen wir, dass der Ansatz flexibel und effektiv eingesetzt werden kann. Desweiteren diskutieren wir zwei weitere Fallstudien, welche demonstrieren, dass die vorgeschlagene Erweiterung von Temporallogiken auch eingesetzt werden kann, um Eigenschaften für fehlerresistente Kodierungen und verteilte Protokolle zu beweisen, welche bisher nur Abstrakt betrachtet werden konnten

A temporal logic approach to information-flow control

Information leaks and other violations of information security pose a severe threat to individuals, companies, and even countries. The mechanisms by which attackers threaten information security are diverse and to show their absence thus proved to be a challenging problem. Information-flow control is a principled approach to prevent security incidents in programs and other technical systems. In information-flow control we define information-flow properties, which are sufficient conditions for when the system is secure in a particular attack scenario. By defining the information-flow property only based on what parts of the executions of the system a potential attacker can observe or control, we obtain security guarantees that are independent of implementation details and thus easy to understand. There are several methods available to enforce (or verify) information-flow properties once defined. We focus on static enforcement methods, which automatically determine whether a given system satisfies a given information-flow property for all possible inputs to the system. Most enforcement approaches that are available today have one problem in common: they each only work for one particular programming language or information-flow property. In this thesis, we propose a temporal logic approach to information-flow control to provide a simple formal basis for the specification and enforcement of information-flow properties. We show that the approach can be used to enforce a wide range of information-flow properties with a single algorithm. The main challenge is that the standard temporal logics are unable to express information-flow properties. They lack the ability to relate multiple executions of a system, which is essential for information-flow properties. We thus extend the temporal logics LTL and CTL* by the ability to quantify over multiple executions and to relate them using boolean and temporal operators. The resulting temporal logics HyperLTL and HyperCTL* can express many information-flow properties of interest. The extension of temporal logics com- pels us to revisit the algorithmic problem to check whether a given system (model) satisfies a given specification in HyperLTL or HyperCTL*; also called the model checking problem. On the technical side, the main contribution is a model checking algorithm for HyperLTL and HyperCTL* and the detailed complexity analysis of the model checking problem: We give nonelementary lower and upper bounds for its computational complexity, both in the size of the system and the size of the specification. The complexity analysis also reveals a class of specification, which includes many of the commonly consid- ered information-flow properties and for which the algorithm is efficient (in NLOGSPACE in the size of the system). For this class of efficiently checkable properties, we provide an approach to reuse existing technology in hardware model checking for information-flow control. We demonstrate along a case study that the temporal logic approach to information-flow control is flexible and effective. We further provide two case studies that demonstrate the use of HyperLTL and HyperCTL* for proving properties of error resistant codes and distributed protocols that have so far only been considered in manual proofs.Informationssicherheit stellt eine immer größere Bedrohung für einzelne Personen, Firmen und selbst ganze Länder dar. Ein grundlegender Ansatz zur Vorbeugung von Sicherheitsproblemen in technischen Systemen, wie zum Beispiel Programmen, ist Informationsflusskontrolle. In der Informationsflusskontrolle definieren wir zunächst sogenannte Informationsflusseigenschaften, welche hinreichende Bedingungen für die Sicherheit des gegebenen Systems in einem Sicherheitsszenario darstellen. Indem wir Informationsflusseigenschaften nur auf Basis der möglichen Beobachtungen eines Angreifers über das System definieren, erhalten wir einfach zu verstehende Sicherheitsgarantien, die unabhängig von Implementierungsdetails sind. Nach der Definition von Eigenschaften muss sichergestellt werden, dass ein gegebenes System seine Informationsflusseigenschaft erfüllt, wofür es bereits verschiedene Methoden gibt. Wir fokussieren uns in dieser Arbeit auf statische Methoden, welche für ein gegebenes System und eine gegebene Informationsflusseigenschaft automatisch entscheiden, ob das System die Eigenschaft für alle möglichen Eingaben erfüllt, was wir auch das Modellprüfungsproblem nennen. Die meisten verfügbaren Methoden zum Sicherstellen der Einhaltung von Informationsflusseigenschaften teilen jedoch eine Schwäche: sie funktionieren nur für eine einzelne Programmiersprache oder eine einzelne Informationsflusseigenschaft. In dieser Arbeit verfolgen wir einen Ansatz basierend auf Temporallogiken, um eine einfache theoretische Basis für die Spezifikation von Informationsflusseigenschaften und deren Umsetzung zu erhalten. Wir analysieren den Zusammenhang von der Ausdrucksmächtigkeit von Spezifikationssprachen und dem algorithmischen Problem Spezifikationen für ein System zu überprüfen. Anhand einer Fallstudie im Bereich der Hardwaresicherheit zeigen wir, dass der Ansatz dazu geeignet ist eine breite Palette von bekannten und neuen Informationsflusseigenschaften mittels eines einzelnen Modellprüfungsalgorithmus zu beweisen. Das Kernproblem hierbei ist, dass wir in den üblichen Temporallogiken Informationsflusseigenschaften nicht ausdrücken können, es fehlt die Fähigkeit mehrere Ausführungen eines Systems miteinander zu vergleichen, was der gemeinsame Nenner von Informationsflusseigenschaften ist. Wir erweitern Temporallogiken daher um die Fähigkeit über mehrere Ausführungen zu quantifizieren und diese miteinander zu vergleichen. Der Hauptbeitrag auf der technischen Ebene ist ein Modellprüfungsalgorithmus und eine detaillierte Analyse der Komplexität des Modellprüfungsproblems. Wir geben einen Modellprüfungsalgorithmus an und beweisen, dass der Algorithmus asymptotisch optimal ist. Die Komplexitätsanalyse zeigt auch eine Klasse von Eigenschaften auf, welche viele der üblichen Informationsflusseigenschaften beinhaltet, und für welche der gegebene Algorithmus effizient ist (in NLOGSPACE in der Größe des Systems). Für diese Klasse von effizient überprüfbaren Eigenschaften diskutieren wir einen Ansatz bestehende Technologie zur Modellprüfung von Hardware für Informationsflusskontrolle wiederzuverwenden. Anhand einer Fallstudie zeigen wir, dass der Ansatz flexibel und effektiv eingesetzt werden kann. Desweiteren diskutieren wir zwei weitere Fallstudien, welche demonstrieren, dass die vorgeschlagene Erweiterung von Temporallogiken auch eingesetzt werden kann, um Eigenschaften für fehlerresistente Kodierungen und verteilte Protokolle zu beweisen, welche bisher nur Abstrakt betrachtet werden konnten