Smoothly Navigating between Functional Reactive Programming and Actors

We formally define an elegant multi-paradigm unification of Functional Reactive Programming, Actor Systems, and Object-Oriented Programming. This enables an intuitive form of declarative programming, harvesting the power of concurrency while maintaining safety. We use object and reference capabilities to highlight and tame imperative features: reference capabilities track aliasing and mutability, and object capabilities track I/O. Formally, our type system limits the scope, impact and interactions of impure code. - Scope: Expressions whose input is pure will behave deterministically. - Impact: Data-races and synchronisation issues are avoided. The only way for an actor to behave nondeterministically, is by mutating its state based on message delivery order. - Interactions: Signals provide a functional boundary between imperative and functional code, preventing impure code from invalidating functional assumptions.Comment: Part of WFLP 2020 pre-proceedings (updated post-comments

Printed Electronics-Based Physically Unclonable Functions for Lightweight Security in the Internet of Things

Die moderne Gesellschaft strebt mehr denn je nach digitaler Konnektivität - überall und zu jeder Zeit - was zu Megatrends wie dem Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) führt. Bereits heute kommunizieren und interagieren „Dinge“ autonom miteinander und werden in Netzwerken verwaltet. In Zukunft werden Menschen, Daten und Dinge miteinander verbunden sein, was auch als Internet von Allem (Internet of Everything, IoE) bezeichnet wird. Milliarden von Geräten werden in unserer täglichen Umgebung allgegenwärtig sein und über das Internet in Verbindung stehen. Als aufstrebende Technologie ist die gedruckte Elektronik (Printed Electronics, PE) ein Schlüsselelement für das IoE, indem sie neuartige Gerätetypen mit freien Formfaktoren, neuen Materialien auf einer Vielzahl von Substraten mit sich bringt, die flexibel, transparent und biologisch abbaubar sein können. Darüber hinaus ermöglicht PE neue Freiheitsgrade bei der Anpassbarkeit von Schaltkreisen sowie die kostengünstige und großflächige Herstellung am Einsatzort. Diese einzigartigen Eigenschaften von PE ergänzen herkömmliche Technologien auf Siliziumbasis. Additive Fertigungsprozesse ermöglichen die Realisierung von vielen zukunftsträchtigen Anwendungen wie intelligente Objekte, flexible Displays, Wearables im Gesundheitswesen, umweltfreundliche Elektronik, um einige zu nennen. Aus der Sicht des IoE ist die Integration und Verbindung von Milliarden heterogener Geräte und Systeme eine der größten zu lösenden Herausforderungen. Komplexe Hochleistungsgeräte interagieren mit hochspezialisierten, leichtgewichtigen elektronischen Geräten, wie z.B. Smartphones mit intelligenten Sensoren. Daten werden in der Regel kontinuierlich gemessen, gespeichert und mit benachbarten Geräten oder in der Cloud ausgetauscht. Dabei wirft die Fülle an gesammelten und verarbeiteten Daten Bedenken hinsichtlich des Datenschutzes und der Sicherheit auf. Herkömmliche kryptografische Operationen basieren typischerweise auf deterministischen Algorithmen, die eine hohe Schaltungs- und Systemkomplexität erfordern, was sie wiederum für viele leichtgewichtige Geräte ungeeignet macht. Es existieren viele Anwendungsbereiche, in denen keine komplexen kryptografischen Operationen erforderlich sind, wie z.B. bei der Geräteidentifikation und -authentifizierung. Dabei hängt das Sicherheitslevel hauptsächlich von der Qualität der Entropiequelle und der Vertrauenswürdigkeit der abgeleiteten Schlüssel ab. Statistische Eigenschaften wie die Einzigartigkeit (Uniqueness) der Schlüssel sind von großer Bedeutung, um einzelne Entitäten genau unterscheiden zu können. In den letzten Jahrzehnten hat die Hardware-intrinsische Sicherheit, insbesondere Physically Unclonable Functions (PUFs), eine große Strahlkraft hinsichtlich der Bereitstellung von Sicherheitsfunktionen für IoT-Geräte erlangt. PUFs verwenden ihre inhärenten Variationen, um gerätespezifische eindeutige Kennungen abzuleiten, die mit Fingerabdrücken in der Biometrie vergleichbar sind. Zu den größten Potenzialen dieser Technologie gehören die Verwendung einer echten Zufallsquelle, die Ableitung von Sicherheitsschlüsseln nach Bedarf sowie die inhärente Schlüsselspeicherung. In Kombination mit den einzigartigen Merkmalen der PE-Technologie werden neue Möglichkeiten eröffnet, um leichtgewichtige elektronische Geräte und Systeme abzusichern. Obwohl PE noch weit davon entfernt ist, so ausgereift und zuverlässig wie die Siliziumtechnologie zu sein, wird in dieser Arbeit gezeigt, dass PE-basierte PUFs vielversprechende Sicherheitsprimitiven für die Schlüsselgenerierung zur eindeutigen Geräteidentifikation im IoE sind. Dabei befasst sich diese Arbeit in erster Linie mit der Entwicklung, Untersuchung und Bewertung von PE-basierten PUFs, um Sicherheitsfunktionen für ressourcenbeschränkte gedruckte Geräte und Systeme bereitzustellen. Im ersten Beitrag dieser Arbeit stellen wir das skalierbare, auf gedruckter Elektronik basierende Differential Circuit PUF (DiffC-PUF) Design vor, um sichere Schlüssel für Sicherheitsanwendungen für ressourcenbeschränkte Geräte bereitzustellen. Die DiffC-PUF ist als hybride Systemarchitektur konzipiert, die siliziumbasierte und gedruckte Komponenten enthält. Es wird eine eingebettete PUF-Plattform entwickelt, um die Charakterisierung von siliziumbasierten und gedruckten PUF-Cores in großem Maßstab zu ermöglichen. Im zweiten Beitrag dieser Arbeit werden siliziumbasierte PUF-Cores auf Basis diskreter Komponenten hergestellt und statistische Tests unter realistischen Betriebsbedingungen durchgeführt. Eine umfassende experimentelle Analyse der PUF-Sicherheitsmetriken wird vorgestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass die DiffC-PUF auf Siliziumbasis nahezu ideale Werte für die Uniqueness- und Reliability-Metriken aufweist. Darüber hinaus werden die Identifikationsfähigkeiten der DiffC-PUF untersucht, und es stellte sich heraus, dass zusätzliches Post-Processing die Identifizierbarkeit des Identifikationssystems weiter verbessern kann. Im dritten Beitrag dieser Arbeit wird zunächst ein Evaluierungsworkflow zur Simulation von DiffC-PUFs basierend auf gedruckter Elektronik vorgestellt, welche auch als Hybrid-PUFs bezeichnet werden. Hierbei wird eine Python-basierte Simulationsumgebung vorgestellt, welche es ermöglicht, die Eigenschaften und Variationen gedruckter PUF-Cores basierend auf Monte Carlo (MC) Simulationen zu untersuchen. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Sicherheitsmetriken im besten Betriebspunkt nahezu ideal sind. Des Weiteren werden angefertigte PE-basierte PUF-Cores für statistische Tests unter verschiedenen Betriebsbedingungen, einschließlich Schwankungen der Umgebungstemperatur, der relativen Luftfeuchtigkeit und der Versorgungsspannung betrieben. Die experimentell bestimmten Resultate der Uniqueness-, Bit-Aliasing- und Uniformity-Metriken stimmen gut mit den Simulationsergebnissen überein. Der experimentell ermittelte durchschnittliche Reliability-Wert ist relativ niedrig, was durch die fehlende Passivierung und Einkapselung der gedruckten Transistoren erklärt werden kann. Die Untersuchung der Identifikationsfähigkeiten basierend auf den PUF-Responses zeigt, dass die Hybrid-PUF ohne zusätzliches Post-Processing nicht für kryptografische Anwendungen geeignet ist. Die Ergebnisse zeigen aber auch, dass sich die Hybrid-PUF zur Geräteidentifikation eignet. Der letzte Beitrag besteht darin, in die Perspektive eines Angreifers zu wechseln. Um die Sicherheitsfähigkeiten der Hybrid-PUF beurteilen zu können, wird eine umfassende Sicherheitsanalyse nach Art einer Kryptoanalyse durchgeführt. Die Analyse der Entropie der Hybrid-PUF zeigt, dass seine Anfälligkeit für Angriffe auf Modellbasis hauptsächlich von der eingesetzten Methode zur Generierung der PUF-Challenges abhängt. Darüber hinaus wird ein Angriffsmodell eingeführt, um die Leistung verschiedener mathematischer Klonangriffe auf der Grundlage von abgehörten Challenge-Response Pairs (CRPs) zu bewerten. Um die Hybrid-PUF zu klonen, wird ein Sortieralgorithmus eingeführt und mit häufig verwendeten Classifiers für überwachtes maschinelles Lernen (ML) verglichen, einschließlich logistischer Regression (LR), Random Forest (RF) sowie Multi-Layer Perceptron (MLP). Die Ergebnisse zeigen, dass die Hybrid-PUF anfällig für modellbasierte Angriffe ist. Der Sortieralgorithmus profitiert von kürzeren Trainingszeiten im Vergleich zu den ML-Algorithmen. Im Falle von fehlerhaft abgehörten CRPs übertreffen die ML-Algorithmen den Sortieralgorithmus

Proceedings of The Rust-Edu Workshop

The 2022 Rust-Edu Workshop was an experiment. We wanted to gather together as many thought leaders we could attract in the area of Rust education, with an emphasis on academic-facing ideas. We hoped that productive discussions and future collaborations would result. Given the quick preparation and the difficulties of an international remote event, I am very happy to report a grand success. We had more than 27 participants from timezones around the globe. We had eight talks, four refereed papers and statements from 15 participants. Everyone seemed to have a good time, and I can say that I learned a ton. These proceedings are loosely organized: they represent a mere compilation of the excellent submitted work. I hope you’ll find this material as pleasant and useful as I have. Bart Massey 30 August 202

A functional approach to heterogeneous computing in embedded systems

Developing programs for embedded systems presents quite a challenge; not only should programs be resource efficient, as they operate under memory and timing constraints, but they should also take full advantage of the hardware to achieve maximum performance. Since performance is such a significant factor in the design of embedded systems, modern systems typically incorporate more than one kind of processing element to benefit from specialized processing capabilities. For such heterogeneous systems the challenge in developing programs is even greater.In this thesis we explore a functional approach to heterogeneous system development as a means to address many of the modularity problems that are typically found in the application of low-level imperative programming for embedded systems. In particular, we explore a staged hardware software co-design language that we name Co-Feldspar and embed in Haskell. The staged approach enables designers to build their applications from reusable components and skeletons while retaining control over much of the generated source code. Furthermore, by embedding the language in Haskell we can exploit its type classes to write not only hardware and software programs, but also generic programs with overloaded instructions and expressions. We demonstrate the usefulness of the functional approach for co-design on a cryptographic example and signal processing filters, and benchmark software and mixed hardware-software implementations. Co-Feldspar currently adopts a monadic interface, which provides an imperative functional programming style that is suitable for explicit memory management and algorithms that rely on a certain evaluation order. For algorithms that are better defined as pure functions operating on immutable values, we provide a signal and array library that extends a monadic language, like Co-Feldspar. These extensions permit a functional style of programming by composing high-level combinators. Our compiler transforms such high-level code into efficient programs with mutating code. In particular, we show how to execute an FFT safely in-place, and how to describe a FIR and IIR filter efficiently as streams. Co-Feldspar’s monadic interface is however quite invasive; not only is the burden of explicit memory management quite heavy on the user, it is also quite easy to shoot on eself in the foot. It is for these reasons that we also explore a dynamic memory management discipline that is based on regions but predictable enough to be of use for embedded systems. Specifically, this thesis introduces a program analysis which annotates values with dynamically allocated memory regions. By limiting our efforts to functional languages that target embedded software, we manage to define a region inference algorithm that is considerably simpler than traditional approaches

Deductive verification of object-oriented software : dynamic frames, dynamic logic and predicate abstraction

Software systems play a central role in modern society, and their correctness is often crucially important. Formal specification and verification are promising approaches for ensuring correctness more rigorously than just by testing. This work presents an approach for deductively verifying design-by-contract specifications of object-oriented programs. The approach is based on dynamic logic, and addresses the challenges of modularity and automation using dynamic frames and predicate abstraction

Towards A Practical High-Assurance Systems Programming Language

Writing correct and performant low-level systems code is a notoriously demanding job, even for experienced developers. To make the matter worse, formally reasoning about their correctness properties introduces yet another level of complexity to the task. It requires considerable expertise in both systems programming and formal verification. The development can be extremely costly due to the sheer complexity of the systems and the nuances in them, if not assisted with appropriate tools that provide abstraction and automation. Cogent is designed to alleviate the burden on developers when writing and verifying systems code. It is a high-level functional language with a certifying compiler, which automatically proves the correctness of the compiled code and also provides a purely functional abstraction of the low-level program to the developer. Equational reasoning techniques can then be used to prove functional correctness properties of the program on top of this abstract semantics, which is notably less laborious than directly verifying the C code. To make Cogent a more approachable and effective tool for developing real-world systems, we further strengthen the framework by extending the core language and its ecosystem. Specifically, we enrich the language to allow users to control the memory representation of algebraic data types, while retaining the automatic proof with a data layout refinement calculus. We repurpose existing tools in a novel way and develop an intuitive foreign function interface, which provides users a seamless experience when using Cogent in conjunction with native C. We augment the Cogent ecosystem with a property-based testing framework, which helps developers better understand the impact formal verification has on their programs and enables a progressive approach to producing high-assurance systems. Finally we explore refinement type systems, which we plan to incorporate into Cogent for more expressiveness and better integration of systems programmers with the verification process

Formally Verified Space-Safety for Program Transformations

Existing work on compilers has often primarily concerned itself with preserving behavior, but programs have other facets besides their observable behavior. We expect that the performance of our code is preserved and bettered by the compiler, not made worse. Unfortunately, that\u27s exactly what sometimes occurs in modern optimizing compilers. Poor representations or incorrect optimizations may preserve the correct behavior, but push that program into a different complexity class entirely. We\u27ve seen such blowups like this occurring in practice, and many transformations have pitfalls which can cause issues. Even when a program is not dramatically worsened, it can cause the program to use more resources than expected, causing issues in resource-constrained environments, and increasing garbage-collection pauses. While several researchers have noticed potential issues, there have been a relative dearth of proofs for space-safety, and none at all concerning non-local optimizations. This work expands upon existing notions of space-safety, allowing them to be used to reason about long-running programs with both input and output, while ensuring that the program maintains some temporal locality of space costs. In addition, this work includes new proof techniques which can handle more dramatic shifts in the program and heap structure than existing methods, as well as more frequent garbage collection. The results are formalized in Coq, including a proof of space-safety for lifting data up in scope, which increases sharing and saves duplicate work, but may also catastrophically increase space usage, if done incorrectly