Constructing Deterministic Parity Automata from Positive and Negative Examples

We present a polynomial time algorithm that constructs a deterministic parity automaton (DPA) from a given set of positive and negative ultimately periodic example words. We show that this algorithm is complete for the class of $\omega$-regular languages, that is, it can learn a DPA for each regular $\omega$-language. For use in the algorithm, we give a definition of a DPA, that we call the precise DPA of a language, and show that it can be constructed from the syntactic family of right congruences for that language (introduced by Maler and Staiger in 1997). Depending on the structure of the language, the precise DPA can be of exponential size compared to a minimal DPA, but it can also be a minimal DPA. The upper bound that we obtain on the number of examples required for our algorithm to find a DPA for $L$ is therefore exponential in the size of a minimal DPA, in general. However we identify two parameters of regular $\omega$-languages such that fixing these parameters makes the bound polynomial.Comment: Changes from v1: - integrate appendix into paper - extend introduction to cover related work in more detail - add a second (more involved) example - minor change

Synthesis Of Distributed Protocols From Scenarios And Specifications

Distributed protocols, typically expressed as stateful agents communicating asynchronously over buffered communication channels, are difficult to design correctly. This difficulty has spurred decades of research in the area of automated model-checking algorithms. In turn, practical implementations of model-checking algorithms have enabled protocol developers to prove the correctness of such distributed protocols. However, model-checking techniques are only marginally useful during the actual development of such protocols; typically as a debugging aid once a reasonably complete version of the protocol has already been developed. The actual development process itself is often tedious and requires the designer to reason about complex interactions arising out of concurrency and asynchrony inherent to such protocols. In this dissertation we describe program synthesis techniques which can be applied as an enabling technology to ease the task of developing such protocols. Specifically, the programmer provides a natural, but incomplete description of the protocol in an intuitive representation — such as scenarios or an incomplete protocol. This description specifies the behavior of the protocol in the common cases. The programmer also specifies a set of high-level formal requirements that a correct protocol is expected to satisfy. These requirements can include safety requirements as well as liveness requirements in the form of Linear Temporal Logic (LTL) formulas. We describe techniques to synthesize a correct protocol which is consistent with the common-case behavior specified by the programmer and also satisfies the high-level safety and liveness requirements set forth by the programmer. We also describe techniques for program synthesis in general, which serve to enable the solutions to distributed protocol synthesis that this dissertation explores

On the Parameterized Complexity of Learning Monadic Second-Order Formulas

Within the model-theoretic framework for supervised learning introduced by Grohe and Tur\'an (TOCS 2004), we study the parameterized complexity of learning concepts definable in monadic second-order logic (MSO). We show that the problem of learning a consistent MSO-formula is fixed-parameter tractable on structures of bounded tree-width and on graphs of bounded clique-width in the 1-dimensional case, that is, if the instances are single vertices (and not tuples of vertices). This generalizes previous results on strings and on trees. Moreover, in the agnostic PAC-learning setting, we show that the result also holds in higher dimensions. Finally, via a reduction to the MSO-model-checking problem, we show that learning a consistent MSO-formula is para-NP-hard on general structures

Symbolic reactive synthesis

In this thesis, we develop symbolic algorithms for the synthesis of reactive systems. Synthesis, that is the task of deriving correct-by-construction implementations from formal specifications, has the potential to eliminate the need for the manual—and error-prone—programming task. The synthesis problem can be formulated as an infinite two-player game, where the system player has the objective to satisfy the specification against all possible actions of the environment player. The standard synthesis algorithms represent the underlying synthesis game explicitly and, thus, they scale poorly with respect to the size of the specification. We provide an algorithmic framework to solve the synthesis problem symbolically. In contrast to the standard approaches, we use a succinct representation of the synthesis game which leads to improved scalability in terms of the symbolically represented parameters. Our algorithm reduces the synthesis game to the satisfiability problem of quantified Boolean formulas (QBF) and dependency quantified Boolean formulas (DQBF). In the encodings, we use propositional quantification to succinctly represent different parts of the implementation, such as the state space and the transition function. We develop highly optimized satisfiability algorithms for QBF and DQBF. Based on a counterexample-guided abstraction refinement (CEGAR) loop, our algorithms avoid an exponential blow-up by using the structure of the underlying symbolic encodings. Further, we extend the solving algorithms to extract certificates in the form of Boolean functions, from which we construct implementations for the synthesis problem. Our empirical evaluation shows that our symbolic approach significantly outperforms previous explicit synthesis algorithms with respect to scalability and solution quality.In dieser Dissertation werden symbolische Algorithmen für die Synthese von reaktiven Systemen entwickelt. Synthese, d.h. die Aufgabe, aus formalen Spezifikationen korrekte Implementierungen abzuleiten, hat das Potenzial, die manuelle und fehleranfällige Programmierung überflüssig zu machen. Das Syntheseproblem kann als unendliches Zweispielerspiel verstanden werden, bei dem der Systemspieler das Ziel hat, die Spezifikation gegen alle möglichen Handlungen des Umgebungsspielers zu erfüllen. Die Standardsynthesealgorithmen stellen das zugrunde liegende Synthesespiel explizit dar und skalieren daher schlecht in Bezug auf die Größe der Spezifikation. Diese Arbeit präsentiert einen algorithmischen Ansatz, der das Syntheseproblem symbolisch löst. Im Gegensatz zu den Standardansätzen wird eine kompakte Darstellung des Synthesespiels verwendet, die zu einer verbesserten Skalierbarkeit der symbolisch dargestellten Parameter führt. Der Algorithmus reduziert das Synthesespiel auf das Erfüllbarkeitsproblem von quantifizierten booleschen Formeln (QBF) und abhängigkeitsquantifizierten booleschen Formeln (DQBF). In den Kodierungen verwenden wir propositionale Quantifizierung, um verschiedene Teile der Implementierung, wie den Zustandsraum und die Übergangsfunktion, kompakt darzustellen. Wir entwickeln hochoptimierte Erfüllbarkeitsalgorithmen für QBF und DQBF. Basierend auf einer gegenbeispielgeführten Abstraktionsverfeinerungsschleife (CEGAR) vermeiden diese Algorithmen ein exponentielles Blow-up, indem sie die Struktur der zugrunde liegenden symbolischen Kodierungen verwenden. Weiterhin werden die Lösungsalgorithmen um Zertifikate in Form von booleschen Funktionen erweitert, aus denen Implementierungen für das Syntheseproblem abgeleitet werden. Unsere empirische Auswertung zeigt, dass unser symbolischer Ansatz die bisherigen expliziten Synthesealgorithmen in Bezug auf Skalierbarkeit und Lösungsqualität deutlich übertrifft

Synthesizing stream control

For the management of reactive systems, controllers must coordinate time, data streams, and data transformations, all joint by the high level perspective of their control flow. This control flow is required to drive the system correctly and continuously, which turns the development into a challenge. The process is error-prone, time consuming, unintuitive, and costly. An attractive alternative is to synthesize the system instead, where the developer only needs to specify the desired behavior. The synthesis engine then automatically takes care of all the technical details. However, while current algorithms for the synthesis of reactive systems are well-suited to handle control, they fail on complex data transformations due to the complexity of the comparably large data space. Thus, to overcome the challenge of explicitly handling the data we must separate data and control. We introduce Temporal Stream Logic (TSL), a logic which exclusively argues about the control of the controller, while treating data and functional transformations as interchangeable black-boxes. In TSL it is possible to specify control flow properties independently of the complexity of the handled data. Furthermore, with TSL at hand a synthesis engine can check for realizability, even without a concrete implementation of the data transformations. We present a modular development framework that first uses synthesis to identify the high level control flow of a program. If successful, the created control flow then is extended with concrete data transformations in order to be compiled into a final executable. Our results also show that the current synthesis approaches cannot replace existing manual development work flows immediately. During the development of a reactive system, the developer still may use incomplete or faulty specifications at first, that need the be refined after a subsequent inspection. In the worst case, constraints are contradictory or miss important assumptions, which leads to unrealizable specifications. In both scenarios, the developer needs additional feedback from the synthesis engine to debug errors for finally improving the system specification. To this end, we explore two further possible improvements. On the one hand, we consider output sensitive synthesis metrics, which allow to synthesize simple and well structured solutions that help the developer to understand and verify the underlying behavior quickly. On the other hand, we consider the extension of delay, whose requirement is a frequent reason for unrealizability. With both methods at hand, we resolve the aforementioned problems and therefore help the developer in the development phase with the effective creation of a safe and correct reactive system.Um reaktive Systeme zu regeln müssen Steuergeräte Zeit, Datenströme und Datentransformationen koordinieren, die durch den übergeordneten Kontrollfluss zusammengefasst werden. Die Aufgabe des Kontrollflusses ist es das System korrekt und dauerhaft zu betreiben. Die Entwicklung solcher Systeme wird dadurch zu einer Herausforderung, denn der Prozess ist fehleranfällig, zeitraubend, unintuitiv und kostspielig. Eine attraktive Alternative ist es stattdessen das System zu synthetisieren, wobei der Entwickler nur das gewünschte Verhalten des Systems festlegt. Der Syntheseapparat kümmert sich dann automatisch um alle technischen Details. Während aktuelle Algorithmen für die Synthese von reaktiven Systemen erfolgreich mit dem Kontrollanteil umgehen können, versagen sie jedoch, sobald komplexe Datentransformationen hinzukommen, aufgrund der Komplexität des vergleichsweise großen Datenraums. Daten und Kontrolle müssen demnach getrennt behandelt werden, um auch große Datenräumen effizient handhaben zu können. Wir präsentieren Temporal Stream Logic (TSL), eine Logik die ausschließlich die Kontrolle einer Steuerung betrachtet, wohingegen Daten und funktionale Datentransformationen als austauschbare Blackboxen gehandhabt werden. In TSL ist es möglich Kontrollflusseigenschaften unabhängig von der Komplexität der zugrunde liegenden Daten zu beschreiben. Des Weiteren kann ein auf TSL beruhender Syntheseapparat die Realisierbarkeit einer Spezifikation prüfen, selbst ohne die konkreten Implementierungen der Datentransformationen zu kennen. Wir präsentieren ein modulares Grundgerüst für die Entwicklung. Es verwendet zunächst den Syntheseapparat um den übergeordneten Kontrollfluss zu erzeugen. Ist dies erfolgreich, so wird der resultierende Kontrollfluss um die konkreten Implementierungen der Datentransformationen erweitert und anschließend zu einer ausführbare Anwendung kompiliert. Wir zeigen auch auf, dass bisherige Syntheseverfahren bereits existierende manuelle Entwicklungsprozesse noch nicht instantan ersetzen können. Im Verlauf der Entwicklung ist es auch weiterhin möglich, dass der Entwickler zunächst unvollständige oder fehlerhafte Spezifikationen erstellt, welche dann erst nach genauerer Betrachtung des synthetisierten Systems weiter verbessert werden können. Im schlimmsten Fall sind Anforderungen inkonsistent oder wichtige Annahmen über das Verhalten fehlen, was zu unrealisierbaren Spezifikationen führt. In beiden Fällen benötigt der Entwickler zusätzliche Rückmeldungen vom Syntheseapparat, um Fehler zu identifizieren und die Spezifikation schlussendlich zu verbessern. In diesem Zusammenhang untersuchen wir zwei mögliche Erweiterungen. Zum einen betrachten wir ausgabeabhängige Metriken, die es dem Entwickler erlauben einfache und wohlstrukturierte Lösungen zu synthetisieren die verständlich sind und deren Verhalten einfach zu verifizieren ist. Zum anderen betrachten wir die Erweiterung um Verzögerungen, welche eine der Hauptursachen für Unrealisierbarkeit darstellen. Mit beiden Methoden beheben wir die jeweils zuvor genannten Probleme und helfen damit dem Entwickler während der Entwicklungsphase auch wirklich das reaktive System zu kreieren, dass er sich auch tatsächlich vorstellt

Cyber-security for embedded systems: methodologies, techniques and tools

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

Cautious Reinforcement Learning with Logical Constraints

This paper presents the concept of an adaptive safe padding that forces Reinforcement Learning (RL) to synthesise optimal control policies while ensuring safety during the learning process. Policies are synthesised to satisfy a goal, expressed as a temporal logic formula, with maximal probability. Enforcing the RL agent to stay safe during learning might limit the exploration, however we show that the proposed architecture is able to automatically handle the trade-off between efficient progress in exploration (towards goal satisfaction) and ensuring safety. Theoretical guarantees are available on the optimality of the synthesised policies and on the convergence of the learning algorithm. Experimental results are provided to showcase the performance of the proposed method.Comment: Accepted to AAMAS 2020. arXiv admin note: text overlap with arXiv:1902.0077