The 4th Reactive Synthesis Competition (SYNTCOMP 2017): Benchmarks, Participants & Results

We report on the fourth reactive synthesis competition (SYNTCOMP 2017). We introduce two new benchmark classes that have been added to the SYNTCOMP library, and briefly describe the benchmark selection, evaluation scheme and the experimental setup of SYNTCOMP 2017. We present the participants of SYNTCOMP 2017, with a focus on changes with respect to the previous years and on the two completely new tools that have entered the competition. Finally, we present and analyze the results of our experimental evaluation, including a ranking of tools with respect to quantity and quality of solutions.Comment: In Proceedings SYNT 2017, arXiv:1711.10224. arXiv admin note: text overlap with arXiv:1609.0050

Semantic Labelling and Learning for Parity Game Solving in LTL Synthesis

We propose "semantic labelling" as a novel ingredient for solving games in the context of LTL synthesis. It exploits recent advances in the automata-based approach, yielding more information for each state of the generated parity game than the game graph can capture. We utilize this extra information to improve standard approaches as follows. (i) Compared to strategy improvement (SI) with random initial strategy, a more informed initialization often yields a winning strategy directly without any computation. (ii) This initialization makes SI also yield smaller solutions. (iii) While Q-learning on the game graph turns out not too efficient, Q-learning with the semantic information becomes competitive to SI. Since already the simplest heuristics achieve significant improvements the experimental results demonstrate the utility of semantic labelling. This extra information opens the door to more advanced learning approaches both for initialization and improvement of strategies

Boolean Abstractions for Realizability Modulo Theories (Extended version)

In this paper, we address the problem of the (reactive) realizability of specifications of theories richer than Booleans, including arithmetic theories. Our approach transforms theory specifications into purely Boolean specifications by (1) substituting theory literals by Boolean variables, and (2) computing an additional Boolean requirement that captures the dependencies between the new variables imposed by the literals. The resulting specification can be passed to existing Boolean off-the-shelf realizability tools, and is realizable if and only if the original specification is realizable. The first contribution is a brute-force version of our method, which requires a number of SMT queries that is doubly exponential in the number of input literals. Then, we present a faster method that exploits a nested encoding of the search for the extra requirement and uses SAT solving for faster traversing the search space and uses SMT queries internally. Another contribution is a prototype in Z3-Python. Finally, we report an empirical evaluation using specifications inspired in real industrial cases. To the best of our knowledge, this is the first method that succeeds in non-Boolean LTL realizability

Parameterized verification and repair of concurrent systems

In this thesis, we present novel approaches for model checking, repair and synthesis of systems that may be parameterized in their number of components. The parameterized model checking problem (PMCP) is in general undecidable, and therefore the focus is on restricted classes of parameterized concurrent systems where the problem is decidable. Under certain conditions, the problem is decidable for guarded protocols, and for systems that communicate via a token, a pairwise, or a broadcast synchronization. In this thesis we improve existing results for guarded protocols and we show that the PMCP of guarded protocols and token passing systems is decidable for specifications that add a quantitative aspect to LTL, called Prompt-LTL. Furthermore, we present, to our knowledge, the first parameterized repair algorithm. The parameterized repair problem is to find a refinement of a process implementation p such that the concurrent system with an arbitrary number of instances of p is correct. We show how this algorithm can be used on classes of systems that can be represented as well structured transition systems (WSTS). Additionally we present two safety synthesis algorithms that utilize a lazy approach. Given a faulty system, the algorithms first symbolically model check the system, then the obtained error traces are analyzed to synthesize a candidate that has no such traces. Experimental results show that our algorithm solves a number of benchmarks that are intractable for existing tools. Furthermore, we introduce our tool AIGEN for generating random Boolean functions and transition systems in a symbolic representation.In dieser Arbeit stellen wir neuartige Ans atze für das Model-Checking, die Reparatur und die Synthese von Systemen vor, die in ihrer Anzahl von Komponenten parametrisiert sein können. Das Problem des parametrisierten Model-Checking (PMCP) ist im Allgemeinen unentscheidbar, und daher liegt der Fokus auf eingeschränkten Klassen parametrisierter synchroner Systeme, bei denen das Problem entscheidbar ist. Unter bestimmten Bedingungen ist das Problem für Guarded Protocols und für Systeme, die über ein Token, eine Pairwise oder eine Broadcast-Synchronisation kommunizieren, entscheidbar. In dieser Arbeit verbessern wir bestehende Ergebnisse für Guarded Protocols und zeigen die Entscheidbarkeit des PMCP für Guarded Protocols und Token-Passing Systeme mit Spezifikationen in der temporalen Logik Prompt-LTL, die LTL einen quantitativen Aspekt hinzufügt. Darüber hinaus präsentieren wir unseres Wissens den ersten parametrisierten Reparaturalgorithmus. Das parametrisierte Reparaturproblem besteht darin, eine Verfeinerung einer Prozessimplementierung p zu finden, so dass das synchrone Systeme mit einer beliebigen Anzahl von Instanzen von p korrekt ist. Wir zeigen, wie dieser Algorithmus auf Klassen von Systemen angewendet werden kann, die als Well Structured Transition Systems (WSTS) dargestellt werden können. Außerdem präsentieren wir zwei Safety-Synthesis Algorithmen, die einen "lazy" Ansatz verwenden. Bei einem fehlerhaften System überprüfen die Algorithmen das System symbolisch, dann werden die erhaltenen "Gegenbeispiel" analysiert, um einen Kandidaten zu synthetisieren der keine solchen Fehlerpfade hat. Versuchsergebnisse zeigen, dass unser Algorithmus eine Reihe von Benchmarks löst, die für bestehende Tools nicht lösbar sind. Darüber hinaus stellen wir unser Tool AIGEN zur Erzeugung zufälliger Boolescher Funktionen und Transitionssysteme in einer symbolischen Darstellung vor

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

Compositional synthesis of reactive systems

Synthesis is the task of automatically deriving correct-by-construction implementations from formal specifications. While it is a promising path toward developing verified programs, it is infamous for being hard to solve. Compositionality is recognized as a key technique for reducing the complexity of synthesis. So far, compositional approaches require extensive manual effort. In this thesis, we introduce algorithms that automate these steps. In the first part, we develop compositional synthesis techniques for distributed systems. Providing assumptions on other processes' behavior is fundamental in this setting due to inter-process dependencies. We establish delay-dominance, a new requirement for implementations that allows for implicitly assuming that other processes will not maliciously violate the shared goal. Furthermore, we present an algorithm that computes explicit assumptions on process behavior to address more complex dependencies. In the second part, we transfer the concept of compositionality from distributed to single-process systems. We present a preprocessing technique for synthesis that identifies independently synthesizable system components. We extend this approach to an incremental synthesis algorithm, resulting in more fine-grained decompositions. Our experimental evaluation shows that our techniques automate the required manual efforts, resulting in fully automated compositional synthesis algorithms for both distributed and single-process systems.Synthese ist die Aufgabe korrekte Implementierungen aus formalen Spezifikation abzuleiten. Sie ist zwar ein vielversprechender Weg für die Entwicklung verifizierter Programme, aber auch dafür bekannt schwer zu lösen zu sein. Kompositionalität gilt als eine Schlüsseltechnik zur Verringerung der Komplexität der Synthese. Bislang erfordern kompositionale Ansätze einen hohen manuellen Aufwand. In dieser Dissertation stellen wir Algorithmen vor, die diese Schritte automatisieren. Im ersten Teil entwickeln wir kompositionale Synthesetechniken für verteilte Systeme. Aufgrund der Abhängigkeiten zwischen den Prozessen ist es in diesem Kontext von grundlegender Bedeutung, Annahmen über das Verhalten der anderen Prozesse zu treffen. Wir etablieren Delay-Dominance, eine neue Anforderung für Implementierungen, die es ermöglicht, implizit anzunehmen, dass andere Prozesse das gemeinsame Ziel nicht böswillig verletzen. Darüber hinaus stellen wir einen Algorithmus vor, der explizite Annahmen über das Verhalten anderer Prozesse ableitet, um komplexere Abhängigkeiten zu berücksichtigen. Im zweiten Teil übertragen wir das Konzept der Kompositionalität von verteilten auf Einzelprozesssysteme. Wir präsentieren eine Vorverarbeitungmethode für die Synthese, die unabhängig synthetisierbare Systemkomponenten identifiziert. Wir erweitern diesen Ansatz zu einem inkrementellen Synthesealgorithmus, der zu feineren Dekompositionen führt. Unsere experimentelle Auswertung zeigt, dass unsere Techniken den erforderlichen manuellen Aufwand automatisieren und so zu vollautomatischen Algorithmen für die kompositionale Synthese sowohl für verteilte als auch für Einzelprozesssysteme führen