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

Logical and deep learning methods for temporal reasoning

In this thesis, we study logical and deep learning methods for the temporal reasoning of reactive systems. In Part I, we determine decidability borders for the satisfiability and realizability problem of temporal hyperproperties. Temporal hyperproperties relate multiple computation traces to each other and are expressed in a temporal hyperlogic. In particular, we identify decidable fragments of the highly expressive hyperlogics HyperQPTL and HyperCTL*. As an application, we elaborate on an enforcement mechanism for temporal hyperproperties. We study explicit enforcement algorithms for specifications given as formulas in universally quantified HyperLTL. In Part II, we train a (deep) neural network on the trace generation and realizability problem of linear-time temporal logic (LTL). We consider a method to generate large amounts of additional training data from practical specification patterns. The training data is generated with classical solvers, which provide one of many possible solutions to each formula. We demonstrate that it is sufficient to train on those particular solutions such that the neural network generalizes to the semantics of the logic. The neural network can predict solutions even for formulas from benchmarks from the literature on which the classical solver timed out. Additionally, we show that it solves a significant portion of problems from the annual synthesis competition (SYNTCOMP) and even out-of-distribution examples from a recent case study.Diese Arbeit befasst sich mit logischen Methoden und mehrschichtigen Lernmethoden für das zeitabhängige Argumentieren über reaktive Systeme. In Teil I werden die Grenzen der Entscheidbarkeit des Erfüllbarkeits- und des Realisierbarkeitsproblem von temporalen Hypereigenschaften bestimmt. Temporale Hypereigenschaften setzen mehrere Berechnungsspuren zueinander in Beziehung und werden in einer temporalen Hyperlogik ausgedrückt. Insbesondere werden entscheidbare Fragmente der hochexpressiven Hyperlogiken HyperQPTL und HyperCTL* identifiziert. Als Anwendung wird ein Enforcement-Mechanismus für temporale Hypereigenschaften erarbeitet. Explizite Enforcement-Algorithmen für Spezifikationen, die als Formeln in universell quantifiziertem HyperLTL angegeben werden, werden untersucht. In Teil II wird ein (mehrschichtiges) neuronales Netz auf den Problemen der Spurgenerierung und Realisierbarkeit von Linear-zeit Temporallogik (LTL) trainiert. Es wird eine Methode betrachtet, um aus praktischen Spezifikationsmustern große Mengen zusätzlicher Trainingsdaten zu generieren. Die Trainingsdaten werden mit klassischen Solvern generiert, die zu jeder Formel nur eine von vielen möglichen Lösungen liefern. Es wird gezeigt, dass es ausreichend ist, an diesen speziellen Lösungen zu trainieren, sodass das neuronale Netz zur Semantik der Logik generalisiert. Das neuronale Netz kann Lösungen sogar für Formeln aus Benchmarks aus der Literatur vorhersagen, bei denen der klassische Solver eine Zeitüberschreitung hatte. Zusätzlich wird gezeigt, dass das neuronale Netz einen erheblichen Teil der Probleme aus dem jährlichen Synthesewettbewerb (SYNTCOMP) und sogar Beispiele außerhalb der Distribution aus einer aktuellen Fallstudie lösen kann

Logical methods for the hierarchy of hyperlogics

In this thesis, we develop logical methods for reasoning about hyperproperties. Hyperproperties describe relations between multiple executions of a system. Unlike trace properties, hyperproperties comprise relational properties like noninterference, symmetry, and robustness. While trace properties have been studied extensively, hyperproperties form a relatively new concept that is far from fully understood. We study the expressiveness of various hyperlogics and develop algorithms for their satisfiability and synthesis problems. In the first part, we explore the landscape of hyperlogics based on temporal logics, first-order and second-order logics, and logics with team semantics. We establish that first-order/second-order and temporal hyperlogics span a hierarchy of expressiveness, whereas team logics constitute a radically different way of specifying hyperproperties. Furthermore, we introduce the notion of temporal safety and liveness, from which we obtain fragments of HyperLTL (the most prominent hyperlogic) with a simpler satisfiability problem. In the second part, we develop logics and algorithms for the synthesis of smart contracts. We introduce two extensions of temporal stream logic to express (hyper)properties of infinite-state systems. We study the realizability problem of these logics and define approximations of the problem in LTL and HyperLTL. Based on these approximations, we develop algorithms to construct smart contracts directly from their specifications.In dieser Arbeit beschreiben wir logische Methoden, um über Hypereigenschaften zu argumentieren. Hypereigenschaften beschreiben Relationen zwischen mehreren Ausführungen eines Systems. Anders als pfadbasierte Eigenschaften können Hypereigenschaften relationale Eigenschaften wie Symmetrie, Robustheit und die Abwesenheit von Informationsfluss ausdrücken. Während pfadbasierte Eigenschaften in den letzten Jahrzehnten ausführlich erforscht wurden, sind Hypereigenschaften ein relativ neues Konzept, das wir noch nicht vollständig verstehen. Wir untersuchen die Ausdrucksmächtigkeit verschiedener Hyperlogiken und entwickeln ausführbare Algorithmen, um deren Erfüllbarkeits- und Syntheseproblem zu lösen. Im ersten Teil erforschen wir die Landschaft der Hyperlogiken basierend auf temporalen Logiken, Logiken erster und zweiter Ordnung und Logiken mit Teamsemantik. Wir stellen fest, dass temporale Logiken und Logiken erster und zweiter Ordnung eine Hierarchie an Ausdrucksmächtigkeit aufspannen. Teamlogiken hingegen spezifieren Hypereigenschaften auf eine radikal andere Art. Wir führen außerdem das Konzept von temporalen Sicherheits- und Lebendigkeitseigenschaften ein, durch die Fragmente der bedeutensten Logik HyperLTL entstehen, für die das Erfüllbarkeitsproblem einfacher ist. Im zweiten Teil entwickeln wir Logiken und Algorithmen für die Synthese digitaler Verträge. Wir führen zwei Erweiterungen temporaler Stromlogik ein, um (Hyper)eigenschaften in unendlichen Systemen auszudrücken. Wir untersuchen das Realisierungsproblem dieser Logiken und definieren Approximationen des Problems in LTL und HyperLTL. Basierend auf diesen Approximationen entwickeln wir Algorithmen, die digitale Verträge direkt aus einer Spezifikation erstellen

Computer Aided Verification

This open access two-volume set LNCS 10980 and 10981 constitutes the refereed proceedings of the 30th International Conference on Computer Aided Verification, CAV 2018, held in Oxford, UK, in July 2018. The 52 full and 13 tool papers presented together with 3 invited papers and 2 tutorials were carefully reviewed and selected from 215 submissions. The papers cover a wide range of topics and techniques, from algorithmic and logical foundations of verification to practical applications in distributed, networked, cyber-physical, and autonomous systems. They are organized in topical sections on model checking, program analysis using polyhedra, synthesis, learning, runtime verification, hybrid and timed systems, tools, probabilistic systems, static analysis, theory and security, SAT, SMT and decisions procedures, concurrency, and CPS, hardware, industrial applications

Computer Aided Verification

This open access two-volume set LNCS 10980 and 10981 constitutes the refereed proceedings of the 30th International Conference on Computer Aided Verification, CAV 2018, held in Oxford, UK, in July 2018. The 52 full and 13 tool papers presented together with 3 invited papers and 2 tutorials were carefully reviewed and selected from 215 submissions. The papers cover a wide range of topics and techniques, from algorithmic and logical foundations of verification to practical applications in distributed, networked, cyber-physical, and autonomous systems. They are organized in topical sections on model checking, program analysis using polyhedra, synthesis, learning, runtime verification, hybrid and timed systems, tools, probabilistic systems, static analysis, theory and security, SAT, SMT and decisions procedures, concurrency, and CPS, hardware, industrial applications