Word-level Symbolic Trajectory Evaluation

Symbolic trajectory evaluation (STE) is a model checking technique that has been successfully used to verify industrial designs. Existing implementations of STE, however, reason at the level of bits, allowing signals to take values in {0, 1, X}. This limits the amount of abstraction that can be achieved, and presents inherent limitations to scaling. The main contribution of this paper is to show how much more abstract lattices can be derived automatically from RTL descriptions, and how a model checker for the general theory of STE instantiated with such abstract lattices can be implemented in practice. This gives us the first practical word-level STE engine, called STEWord. Experiments on a set of designs similar to those used in industry show that STEWord scales better than word-level BMC and also bit-level STE.Comment: 19 pages, 3 figures, 2 tables, full version of paper in International Conference on Computer-Aided Verification (CAV) 201

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

The Quantum Monadology

The modern theory of functional programming languages uses monads for encoding computational side-effects and side-contexts, beyond bare-bone program logic. Even though quantum computing is intrinsically side-effectful (as in quantum measurement) and context-dependent (as on mixed ancillary states), little of this monadic paradigm has previously been brought to bear on quantum programming languages. Here we systematically analyze the (co)monads on categories of parameterized module spectra which are induced by Grothendieck's "motivic yoga of operations" -- for the present purpose specialized to HC-modules and further to set-indexed complex vector spaces. Interpreting an indexed vector space as a collection of alternative possible quantum state spaces parameterized by quantum measurement results, as familiar from Proto-Quipper-semantics, we find that these (co)monads provide a comprehensive natural language for functional quantum programming with classical control and with "dynamic lifting" of quantum measurement results back into classical contexts. We close by indicating a domain-specific quantum programming language (QS) expressing these monadic quantum effects in transparent do-notation, embeddable into the recently constructed Linear Homotopy Type Theory (LHoTT) which interprets into parameterized module spectra. Once embedded into LHoTT, this should make for formally verifiable universal quantum programming with linear quantum types, classical control, dynamic lifting, and notably also with topological effects.Comment: 120 pages, various figure

Arrows for knowledge-based circuits

Knowledge-based programs (KBPs) are a formalism for directly relating agents' knowledge and behaviour in a way that has proven useful for specifying distributed systems. Here we present a scheme for compiling KBPs to executable automata in finite environments with a proof of correctness in Isabelle/HOL. We use Arrows, a functional programming abstraction, to structure a prototype domain-specific synchronous language embedded in Haskell. By adapting our compilation scheme to use symbolic representations we can apply it to several examples of reasonable size

Enhancing state space reduction techniques for model checking

Model-checking is een techniek voor het automatisch opsporen van fouten in en de verificatie van hardware en software. De techniek is gebaseerd op het doorzoeken van de globale toestandsruimte van het systeem. Deze toestandsruimte groeit vaak exponentieel met de grootte van de systeembeschrijving. Als gevolg hiervan is een van de voornaamste knelpunten in model-checking de zogenaamde toestandsexplosie. Er bestaan veel aanpakken om met dit probleem om te gaan. We presenteren verbeteringen van sommige bestaande technieken voor reductie van de toestandsruimte die gebaseerd zijn op expliciete enumeratie van die ruimte. We schenken vooral aandacht aan het verbeteren van verscheidene algoritmen die, hoewel ze slechts een deel van de toestandsruimte onderzoeken, nog steeds gegeven een eigenschap kunnen bewijzen of weerleggen. In het bijzonder is ons onderzoek toegespitst op twee typen reducties. Het eerste type, parti¨eleordening (PO) reductie, buit de onafhankelijkheid van acties in het systeem uit. Het tweede type is een klasse van reducties die voordeel halen uit symmetrie¨en van het systeem. De voornaamste bijdragen van dit proefschrift in verband met de parti¨ele ordening reductie zijn de volgende: – Het gebruik van systeemhi¨erarchie voor effici¨entere parti¨ele-ordening reductie door klustering van processen – De meeste model-checking technieken beschouwen het model als een platte compositie van processen. We laten zien hoe de reductie kan profiteren van de systeemstructuur door uitbuiting van de hi¨erarchie in het systeem (Hoofdstuk 2). – Correcte syntactische criteria om onafhankelijke acties te vinden voor parti¨ele ordening reductie voor systemen met synchronizerende communicaties die gecombineerd zijn met prioriteit-keuze en/of zwakke fairness (Hoofdstuk 3). – Parti¨ele-ordening reductie voor discrete tijd – We laten zien hoe het algoritme voor parti¨ele ordening reductie zonder tijd aangepast kan worden, in het geval tijd gerepresenteerd wordt middels gehele getallen (Hoofdstuk 4). De bijdragen betreffende symmetrie-gebaseerde reducties kunnen als volgt samengevat worden: – Effici¨ente heuristieken voor het vinden van representanten van equivalentieklassen voor symmetrie-gebaseerde reductie (Hoofdstuk 6). – Een effici¨ent algoritme voor model-checking onder zwakke fairness met toestandsruimte reductietechnieken die gebaseerd zijn op symmetrie (Hoofdstuk 7). Het succes van model-checking is voornamelijk gebaseerd op de relatief gemakkelijke implementatie in software gereedschappen. Bijna alle bovengenoemde theoretische resultaten zijn ge¨implementeerd in de praktijk en de ontwikkelde prototype implementaties zijn ge¨evalueerd in praktijkstudies. Het meeste implementatie werk is gerelateerd aan de model checker Spin. Van de praktische bijdragen in dit document noemen we: – DT Spin – een uitbreiding van Spin met discrete tijd die het in het proefschrift gepresenteerd discrete-tijd PO reductie algoritme bevat (Hoofdstuk 4). – if2pml – een vertaler van de modelleertaal IF naar Spins invoertaal Promela, die als het tweede deel van een vertaler van SDL naar Promela bedoeld is (Hoofdstuk 5). – SymmSpin – een symmetrie-reductie pakket voor Spin, gebaseerd op de heuristiek beschreven in dit proefschrift (Hoofdstuk 6). De implementaties zijn getest op voorbeelden uit de literatuur en het bedrijfsleven met bemoedigende resultaten. In het bijzonder noemen we MASCARA – een industrieel protocol dat draadloze communicatie met ATM combineert (Hoofdstuk 5). De experimenten zijn niet alleen een aanwijzing voor de kwaliteit van de resultaten en de implementatie, maar ze waren en zijn ook een inspiratie voor nieuw theoretisch werk. Een typerend voorbeeld is de verenigbaarheid van parti¨ele ordening reductie met prioriteit-keuze en fairness in modellen met rendez-vous communicatie. De verbetering van het parti¨ele-ordening algoritme was rechtstreeks ge¨inspireerd door experimenten met Spin en zijn discrete-tijd uitbreiding DT Spin, ontwikkeld in dit proefschrift

Linear/non-Linear Types For Embedded Domain-Specific Languages

Domain-specific languages are often embedded inside of general-purpose host languages so that the embedded language can take advantage of host-language data structures, libraries, and tools. However, when the domain-specific language uses linear types, existing techniques for embedded languages fall short. Linear type systems, which have applications in a wide variety of programming domains including mutable state, I/O, concurrency, and quantum computing, can manipulate embedded non-linear data via the linear type !σ. However, prior work has not been able to produce linear embedded languages that have full and easy access to host-language data, libraries, and tools. This dissertation proposes a new perspective on linear, embedded, domain-specific languages derived from the linear/non-linear (LNL) interpretation of linear logic. The LNL model consists of two distinct fragments---one with linear types and another with non-linear types---and provides a simple categorical interface between the two. This dissertation identifies the linear fragment with the linear embedded language and the non-linear fragment with the general-purpose host language. The effectiveness of this framework is illustrated via a number of examples, implemented in a variety of host languages. In Haskell, linear domain-specific languages using mutable state and concurrency can take advantage of the monad that arises from the LNL model. In Coq, the QWIRE quantum circuit language uses linearity to enforce the no-cloning axiom of quantum mechanics. In homotopy type theory, quantum transformations can be encoded as higher inductive types to simplify the presentation of a quantum equational theory. These examples serve as case studies that prove linear/non-linear type theory is a natural and expressive interface in which to embed linear domain-specific languages

Programming Languages and Systems

This open access book constitutes the proceedings of the 30th European Symposium on Programming, ESOP 2021, which was held during March 27 until April 1, 2021, as part of the European Joint Conferences on Theory and Practice of Software, ETAPS 2021. The conference was planned to take place in Luxembourg and changed to an online format due to the COVID-19 pandemic. The 24 papers included in this volume were carefully reviewed and selected from 79 submissions. They deal with fundamental issues in the specification, design, analysis, and implementation of programming languages and systems

Computer Aided Verification

This open access two-volume set LNCS 13371 and 13372 constitutes the refereed proceedings of the 34rd International Conference on Computer Aided Verification, CAV 2022, which was held in Haifa, Israel, in August 2022. The 40 full papers presented together with 9 tool papers and 2 case studies were carefully reviewed and selected from 209 submissions. The papers were organized in the following topical sections: Part I: Invited papers; formal methods for probabilistic programs; formal methods for neural networks; software Verification and model checking; hyperproperties and security; formal methods for hardware, cyber-physical, and hybrid systems. Part II: Probabilistic techniques; automata and logic; deductive verification and decision procedures; machine learning; synthesis and concurrency. This is an open access book