Formalized Haar Measure

We describe the formalization of the existence and uniqueness of Haar measure in the Lean theorem prover. The Haar measure is an invariant regular measure on locally compact groups, and it has not been formalized in a proof assistant before. We will also discuss the measure theory library in Lean's mathematical library \textsf{mathlib}, and discuss the construction of product measures and the proof of Fubini's theorem for the Bochner integral.Comment: 16 pages (excluding references

Une formalisation en Coq de l'intégrale de Lebesgue des fonctions positives

Integration, just as much as differentiation, is a fundamental calculus tool that is widely used in many scientific domains. Formalizing the mathematical concept of integration and the associated results in a formal proof assistant helps in providing the highest confidence on the correctness of numerical programs involving the use of integration, directly or indirectly. By its capability to extend the (Riemann) integral to a wide class of irregular functions, and to functions defined on more general spaces than the real line, the Lebesgue integral is perfectly suited for use in mathematical fields such as probability theory, numerical mathematics, and real analysis. In this article, we present the Coq formalization of $\sigma$-algebras, measures, simple functions, and integration of nonnegative measurable functions, up to the full formal proofs of the Beppo Levi (monotone convergence) theorem and Fatou's lemma. More than a plain formalization of the known literature, we present several design choices made to balance the harmony between mathematical readability and usability of Coq theorems. These results are a first milestone toward the formalization of $L^p$~spaces such as Banach spaces.Le calcul intégral, tout comme le calcul différentiel, est un outil fondamental utilisé largement dans de nombreux domaines scientifiques. La formalisation de la notion mathématique d'intégrale et de ses propriétés dans un assistant de preuve aide à donner la plus grande confiance sur la correction de programmes numériques utilisant l'intégration, directement ou indirectement. De part sa capacité à étendre l'intégrale (de Riemann) à une large classe de fonctions irrégulières, et à des fonctions définies sur des espaces plus généraux que la droite réelle, l'intégrale de Lebesgue est considérée comme parfaitement adaptée aux domaines mathématiques tels que la théorie des probabilités, les mathématiques numériques et l'analyse réelle. Dans cet article, nous présentons la formalisation en Coq des tribus (ou $\sigma$-algèbres), des mesures, des fonctions étagées et de l'intégrale des fonctions mesurables positives, jusqu'aux preuves formelles complètes du théorème de convergence monotone de Beppo Levi et du lemme de Fatou. Plus qu'une simple formalisation de la littérature connue, nous présentons plusieurs choix de design menés pour équilibrer l'harmonie entre la lisibilité mathématique et l'ergonomie des théorèmes Coq. Ces résultats sont un premier jalon vers la formalisation des espaces~$L^p$ comme espaces de Banach

Embedded System Design

A unique feature of this open access textbook is to provide a comprehensive introduction to the fundamental knowledge in embedded systems, with applications in cyber-physical systems and the Internet of things. It starts with an introduction to the field and a survey of specification models and languages for embedded and cyber-physical systems. It provides a brief overview of hardware devices used for such systems and presents the essentials of system software for embedded systems, including real-time operating systems. The author also discusses evaluation and validation techniques for embedded systems and provides an overview of techniques for mapping applications to execution platforms, including multi-core platforms. Embedded systems have to operate under tight constraints and, hence, the book also contains a selected set of optimization techniques, including software optimization techniques. The book closes with a brief survey on testing. This fourth edition has been updated and revised to reflect new trends and technologies, such as the importance of cyber-physical systems (CPS) and the Internet of things (IoT), the evolution of single-core processors to multi-core processors, and the increased importance of energy efficiency and thermal issues

Hybrid modeling to support the smart manufacturing: concepts, theoretic contributions and real-case applications about Hybrid and Wisdom-based Systems

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

Embedded System Design

A unique feature of this open access textbook is to provide a comprehensive introduction to the fundamental knowledge in embedded systems, with applications in cyber-physical systems and the Internet of things. It starts with an introduction to the field and a survey of specification models and languages for embedded and cyber-physical systems. It provides a brief overview of hardware devices used for such systems and presents the essentials of system software for embedded systems, including real-time operating systems. The author also discusses evaluation and validation techniques for embedded systems and provides an overview of techniques for mapping applications to execution platforms, including multi-core platforms. Embedded systems have to operate under tight constraints and, hence, the book also contains a selected set of optimization techniques, including software optimization techniques. The book closes with a brief survey on testing. This fourth edition has been updated and revised to reflect new trends and technologies, such as the importance of cyber-physical systems (CPS) and the Internet of things (IoT), the evolution of single-core processors to multi-core processors, and the increased importance of energy efficiency and thermal issues

Development of Secure Software : Rationale, Standards and Practices

The society is run by software. Electronic processing of personal and financial data forms the core of nearly all societal and economic activities, and concerns every aspect of life. Software systems are used to store, transfer and process this vital data. The systems are further interfaced by other systems, forming complex networks of data stores and processing entities.This data requires protection from misuse, whether accidental or intentional. Elaborate and extensive security mechanisms are built around the protected information assets. These mechanisms cover every aspect of security, from physical surroundings and people to data classification schemes, access control, identity management, and various forms of encryption. Despite the extensive information security effort, repeated security incidents keep compromising our financial assets, intellectual property, and privacy. In addition to the direct and indirect cost, they erode the trust in the very foundation of information security: availability, integrity, and confidentiality of our data. Lawmakers at various national and international levels have reacted by creating a growing body of regulation to establish a baseline for information security. Increased awareness of information security issues has led to extend this regulation to one of the core issues in secure data processing: security of the software itself. Information security contains many aspects. It is generally classified into organizational security, infrastructure security, and application security. Within application security, the various security engineering processes and techniques utilized at development time form the discipline of software security engineering. The aim of these security activities is to address the software-induced risk toward the organization, reduce the security incidents and thereby lower the lifetime cost of the software. Software security engineering manages the software risk by implementing various security controls right into the software, and by providing security assurance for the existence of these controls by verification and validation. A software development process has typically several objectives, of which security may form only a part. When security is not expressly prioritized, the development organizations have a tendency to direct their resources to the primary requirements. While producing short-term cost and time savings, the increased software risk, induced by a lack of security and assurance engineering, will have to be mitigated by other means. In addition to increasing the lifetime cost of software, unmitigated or even unidentified risk has an increased chance of being exploited and cause other software issues. This dissertation concerns security engineering in agile software development. The aim of the research is to find ways to produce secure software through the introduction of security engineering into the agile software development processes. Security engineering processes are derived from extant literature, industry practices, and several national and international standards. The standardized requirements for software security are traced to their origins in the late 1960s, and the alignment of the software engineering and security engineering objectives followed from their original challenges to the current agile software development methods. The research provides direct solutions to the formation of security objectives in software development, and to the methods used to achieve them. It also identifies and addresses several issues and challenges found in the integration of these activities into the development processes, providing directly applicable and clearly stated solutions for practical security engineering problems. The research found the practices and principles promoted by agile and lean software development methods to be compatible with many security engineering activities. Automated, tool-based processes and the drive for efficiency and improved software quality were found to directly support the security engineering techniques and objectives. Several new ways to integrate software engineering into agile software development processes were identified. Ways to integrate security assurance into the development process were also found, in the form of security documentation, analyses, and reviews. Assurance artifacts can be used to improve software design and enhance quality assurance. In contrast, detached security engineering processes may create security assurance that serves only purposes external to the software processes. The results provide direct benefits to all software stakeholders, from the developers and customers to the end users. Security awareness is the key to more secure software. Awareness creates a demand for security, and the demand gives software developers the concrete objectives and the rationale for the security work. This also creates a demand for new security tools, processes and controls to improve the efficiency and effectiveness of software security engineering. At first, this demand is created by increased security regulation. The main pressure for change will emanate from the people and organizations utilizing the software: security is a mandatory requirement, and software must provide it. This dissertation addresses these new challenges. Software security continues to gain importance, prompting for new solutions and research.Ohjelmistot ovat keskeinen osa yhteiskuntamme perusinfrastruktuuria. Merkittävä osa sosiaalisesta ja taloudellisesta toiminnastamme perustuu tiedon sähköiseen käsittelyyn, varastointiin ja siirtoon. Näitä tehtäviä suorittamaan on kehitetty merkittävä joukko ohjelmistoja, jotka muodostavat mutkikkaita tiedon yhteiskäytön mahdollistavia verkostoja. Tiedon suojaamiseksi sen ympärille on kehitetty lukuisia suojamekanismeja, joiden tarkoituksena on estää tiedon väärinkäyttö, oli se sitten tahatonta tai tahallista. Suojausmekanismit koskevat paitsi ohjelmistoja, myös niiden käyttöympäristöjä ja käyttäjiä sekä itse käsiteltävää tietoa: näitä mekanismeja ovat esimerkiksi tietoluokittelut, tietoon pääsyn rajaaminen, käyttäjäidentiteettien hallinta sekä salaustekniikat. Suojaustoimista huolimatta tietoturvaloukkaukset vaarantavat sekä liiketoiminnan ja yhteiskunnan strategisia tietovarantoj että henkilökohtaisia tietojamme. Taloudellisten menetysten lisäksi hyökkäykset murentavat luottamusta tietoturvan kulmakiviin: tiedon luottamuksellisuuteen, luotettavuuteen ja sen saatavuuteen. Näiden tietoturvan perustusten suojaamiseksi on laadittu kasvava määrä tietoturvaa koskevia säädöksiä, jotka määrittävät tietoturvan perustason. Lisääntyneen tietoturvatietoisuuden ansiosta uusi säännöstö on ulotettu koskemaan myös turvatun tietojenkäsittelyn ydintä,ohjelmistokehitystä. Tietoturva koostuu useista osa-alueista. Näitä ovat organisaatiotason tietoturvakäytännöt, tietojenkäsittelyinfrastruktuurin tietoturva, sekä tämän tutkimuksen kannalta keskeisenä osana ohjelmistojen tietoturva. Tähän osaalueeseen sisältyvät ohjelmistojen kehittämisen aikana käytettävät tietoturvatekniikat ja -prosessit. Tarkoituksena on vähentää ohjelmistojen organisaatioille aiheuttamia riskejä, tai poistaa ne kokonaan. Ohjelmistokehityksen tietoturva pyrkii pienentämään ohjelmistojen elinkaarikustannuksia määrittämällä ja toteuttamalla tietoturvakontrolleja suoraan ohjelmistoon itseensä. Lisäksi kontrollien toimivuus ja tehokkuus osoitetaan erillisten verifiointija validointimenetelmien avulla. Tämä väitöskirjatutkimus keskittyy tietoturvatyöhön osana iteratiivista ja inkrementaalista ns. ketterää (agile) ohjelmistokehitystä. Tutkimuksen tavoitteena on löytää uusia tapoja tuottaa tietoturvallisia ohjelmistoja liittämällä tietoturvatyö kiinteäksi osaksi ohjelmistokehityksen prosesseja. Tietoturvatyön prosessit on johdettu alan tieteellisestä ja teknillisestä kirjallisuudesta, ohjelmistokehitystyön vallitsevista käytännöistä sekä kansallisista ja kansainvälisistä tietoturvastandardeista. Standardoitujen tietoturvavaatimusten kehitystä on seurattu aina niiden alkuajoilta 1960-luvulta lähtien, liittäen ne ohjelmistokehityksen tavoitteiden ja haasteiden kehitykseen: nykyaikaan ja ketterien menetelmien valtakauteen saakka. Tutkimuksessa esitetään konkreettisia ratkaisuja ohjelmistokehityksen tietoturvatyön tavoitteiden asettamiseen ja niiden saavuttamiseen. Tutkimuksessa myös tunnistetaan ongelmia ja haasteita tietoturvatyön ja ohjelmistokehityksen menetelmien yhdistämisessä, joiden ratkaisemiseksi tarjotaan toimintaohjeita ja -vaihtoehtoja. Tutkimuksen perusteella iteratiivisen ja inkrementaalisen ohjelmistokehityksen käytäntöjen ja periaatteiden yhteensovittaminen tietoturvatyön toimintojen kanssa parantaa ohjelmistojen laatua ja tietoturvaa, alentaen täten kustannuksia koko ohjelmiston ylläpitoelinkaaren aikana. Ohjelmistokehitystyön automatisointi, työkaluihin pohjautuvat prosessit ja pyrkimys tehokkuuteen sekä korkeaan laatuun ovat suoraan yhtenevät tietoturvatyön menetelmien ja tavoitteiden kanssa. Tutkimuksessa tunnistettiin useita uusia tapoja yhdistää ohjelmistokehitys ja tietoturvatyö. Lisäksi on löydetty tapoja käyttää dokumentointiin, analyyseihin ja katselmointeihin perustuvaa tietoturvan todentamiseen tuotettavaa materiaalia osana ohjelmistojen suunnittelua ja laadunvarmistusta. Erillisinä nämä prosessit johtavat tilanteeseen, jossa tietoturvamateriaalia hyödynnetään pelkästään ohjelmistokehityksen ulkopuolisiin tarpeisiin. Tutkimustulokset hyödyttävät kaikkia sidosryhmiä ohjelmistojen kehittäjistä niiden tilaajiin ja loppukäyttäjiin. Ohjelmistojen tietoturvatyö perustuu tietoon ja koulutukseen. Tieto puolestaan lisää kysyntää, joka luo tietoturvatyölle konkreettiset tavoitteet ja perustelut jo ohjelmistokehitysvaiheessa. Tietoturvatyön painopiste siirtyy torjunnasta ja vahinkojen korjauksesta kohti vahinkojen rakenteellista ehkäisyä. Kysyntä luo tarpeen myös uusille työkaluille, prosesseille ja tekniikoille, joilla lisätään tietoturvatyön tehokkuutta ja vaikuttavuutta. Tällä hetkellä kysyntää luovat lähinnä lisääntyneet tietoturvaa koskevat säädökset. Pääosa muutostarpeesta syntyy kuitenkin ohjelmistojen tilaajien ja käyttäjien vaatimuksista: ohjelmistojen tietoturvakyvykkyyden taloudellinen merkitys kasvaa. Tietoturvan tärkeys tulee korostumaan entisestään, lisäten tarvetta tietoturvatyölle ja tutkimukselle myös tulevaisuudessa

Statically-analyzed stream monitoring for cyber-physical Systems

Cyber-physical systems are digital systems interacting with the physical world. Even though this induces an inherent complexity, they are responsible for safety-critical tasks like governing nuclear power plants or controlling autonomous vehicles. To preserve trust into the safety of such systems, this thesis presents a runtime verification approach designed to generate trustworthy monitors from a formal specification. These monitors are responsible for observing the cyber-physical system during runtime and ensuring its safety. As underlying language, I present the asynchronous real-time specification language RTLola. It contains primitives for arithmetic properties and grants precise control over the timing of the monitor. With this, it enables specifiers to express properties relevant to cyber-physical systems. The thesis further presents a static analysis that identifies inconsistencies in the specification and provides insights into the dynamic behavior of the monitor. As a result, the resource consumption of the monitor becomes predictable. The generation of the monitor produces either a hardware description synthesizable onto programmable hardware, or Rust code with verification annotation. These annotations allow for proving the correctness of the monitor with respect to the semantics of RTLola. Last, I present the construction of a conservative hybrid model of the underlying system using information extracted from the specification. This model enables further verification steps.Cyber-physische Systeme sind digitale Systeme, die mit der physischen Welt interagieren. Obwohl das zu einer inhärenten Komplexität führt, sind sie verantwortlich für sicherheitskritische Aufgaben wie der Steuerung von Kernkraftwerken oder autonomen Fahrzeugen. Umdas Vertrauen in deren Sicherheit zu wahren, präsentiert diese Doktorarbeit einen Ansatz zur Laufzeitverifikation, konzipiert, um vertrauenswürdige Monitore aus einer formalen Spezifikation zu generieren. Diese Monitore sind dafür verantwortlich, das cyber-physische System zur Laufzeit zu überwachen und dessen Sicherheit zu gewährleisten. Als zugrundeliegende Sprache präsentiere ich die asynchrone Echtzeit-Spezifikationssprache RTLola. Sie enthält Primitiven für arithmetische Eigenschaften und gewährt präzise Kontrolle über das Timing des Monitors. Damit wird es Spezifizierenden ermöglicht Eigenschaften auszudrücken, die für Cyber-physische Systeme relevant sind. Weiterhin präsentiert diese Doktorarbeit eine statische Analyse, die Unstimmigkeiten in der Spezifikation identifiziert und Einblicke in das dynamische Verhalten des Monitors liefert. Aufgrund dessen wird der Ressourcenverbrauch des Monitors vorhersehbar. Die Generierung des Monitors erzeugt entweder eine Hardwarebeschreibung, die auf programmierbarer Hardware synthetisiert werden kann, oder Rust Code mit Verifikationsannotationen. Diese Annotationen erlauben es, die Korrektheit des Monitors bezogen auf die Semantik von RTLola zu beweisen. Abschließend präsentiere ich die Konstruktion von einem konservativen hybriden Modell des zugrundeliegenden Systems anhand von Informationen, die aus der Spezifikation gewonnen wurden. Dieses Modell ermöglicht weitere Verifikationsschritte

31th International Conference on Information Modelling and Knowledge Bases

Information modelling is becoming more and more important topic for researchers, designers, and users of information systems.The amount and complexity of information itself, the number of abstractionlevels of information, and the size of databases and knowledge bases arecontinuously growing. Conceptual modelling is one of the sub-areas ofinformation modelling. The aim of this conference is to bring together experts from different areas of computer science and other disciplines, who have a common interest in understanding and solving problems on information modelling and knowledge bases, as well as applying the results of research to practice. We also aim to recognize and study new areas on modelling and knowledge bases to which more attention should be paid. Therefore philosophy and logic, cognitive science, knowledge management, linguistics and management science are relevant areas, too. In the conference, there will be three categories of presentations, i.e. full papers, short papers and position papers

A Multi Agent System for Flow-Based Intrusion Detection

The detection and elimination of threats to cyber security is essential for system functionality, protection of valuable information, and preventing costly destruction of assets. This thesis presents a Mobile Multi-Agent Flow-Based IDS called MFIREv3 that provides network anomaly detection of intrusions and automated defense. This version of the MFIRE system includes the development and testing of a Multi-Objective Evolutionary Algorithm (MOEA) for feature selection that provides agents with the optimal set of features for classifying the state of the network. Feature selection provides separable data points for the selected attacks: Worm, Distributed Denial of Service, Man-in-the-Middle, Scan, and Trojan. This investigation develops three techniques of self-organization for multiple distributed agents in an intrusion detection system: Reputation, Stochastic, and Maximum Cover. These three movement models are tested for effectiveness in locating good agent vantage points within the network to classify the state of the network. MFIREv3 also introduces the design of defensive measures to limit the effects of network attacks. Defensive measures included in this research are rate-limiting and elimination of infected nodes. The results of this research provide an optimistic outlook for flow-based multi-agent systems for cyber security. The impact of this research illustrates how feature selection in cooperation with movement models for multi agent systems provides excellent attack detection and classification