Enabling reasoning and verification support for intelligent agent systems, using formal methods

Abstract

Οι τυπικές μέθοδοι είναι τεχνικές, γλώσσες και εργαλεία με ισχυρό μαθηματικό υπόβαθρο, οι οποίες μας δίνουν τη δυνατότητα μιας αυστηρής, μαθηματικά ορισμένης, χωρίς ασάφειες, περιγραφής ή προδιαγραφής των συστημάτων, η οποία χρησιμοποιείται για το σχεδιασμό τους, την ανάλυση, και την επαλήθευση επιθυμητών ιδιοτήτων τους. Ένας πολύ σημαντικός κλάδος των τυπικών μεθόδων είναι οι γλώσσες αλγεβρικών προδιαγραφών, οι οποίες έχουν ως μαθηματικό υπόβαθρο κάποιο μαθηματικό λογικό σύστημα ή και συνδυασμούς λογικών συστημάτων. Μια τέτοια εκτελέσιμη αλγεβρική γλώσσα προδιαγραφών νέας γενιάς, η οποία είναι απόγονος των ιστορικών γλωσσών OBJ, είναι η CafeOBJ. Το βασικότερο χαρακτηριστικό της γλώσσας αυτής, που τη διακρίνει από αντίστοιχους φορμαλισμούς, είναι η άμεση υποστήριξη που παρέχει για συμπεριφοριακές προδιαγραφές, με την ενσωμάτωση στο συντακτικό της ειδικών τύπων και τελεστών. Η συμπεριφοριακή προδιαγραφή, η οποία έχει τις βάσεις της στην άλγεβρα με κρυμμένους τύπους, ενισχύει την αλγεβρική προδιαγραφή με αντικείμενα ή αφηρημένες μηχανές καταστάσεων, δίνοντας έτσι τη δυνατότητα περιγραφής σύνθετων δυναμικών συστημάτων. Παράλληλα, με τη χρήση τεχνικών επαλήθευσης που βασίζονται στη συμπεριφοριακή προδιαγραφή, η CafeOBJ μας δίνει τη δυνατότητα απόδειξης ιδιοτήτων ασφαλείας των συστημάτων που έχουν προδιαγραφεί. Αντικείμενο της διατριβής αποτελεί η μοντελοποίηση και η επαλήθευση της συμπεριφοράς έξυπνων συστημάτων με χρήση τεχνικών αλγεβρικών προδιαγραφών. Με τον όρο έξυπνα συστήματα (ή έξυπνοι πράκτορες) αναφερόμαστε στα συστήματα τα οποία χρησιμοποιούνται στον Νέο ή Σημασιολογικό Ιστό ώστε να εξασφαλίζεται η ανάγκη για αντιδραστικότητα (reactivity), αλληλεπίδραση και επικοινωνία μεταξύ των διαφόρων συστατικών του. Ένα έξυπνο σύστημα μπορεί να οριστεί σαν μία αυτόνομη οντότητα η οποία παρατηρεί μέσω αισθητήρων το περιβάλλον του και έπειτα με βάση τις παρατηρήσεις δρα κατάλληλα σε αυτό, κατευθύνοντας δηλαδή τις δραστηριότητές του προς την επίτευξη των στόχων του. Λόγω της ιδιαιτερότητας των συστημάτων αυτών, και εξαιτίας της αύξησης της ανάπτυξής τους καθώς και της χρήσης τους σε κρίσιμα συστήματα, οι απαιτήσεις για αξιοπιστία, ασφάλεια και λειτουργικότητα έχουν οδηγήσει στην ανάγκη για χρήση τυπικών μεθόδων για την ανάλυση τους και στην ανάπτυξη νέων μεθοδολογιών προσανατολισμένων συγκεκριμένα σε αυτά τα συστήματα. Σε αυτήν την διατριβή προτείνεται ένα πλαίσιο προδιαγραφής και επαλήθευσης δύο βασικών κατηγοριών έξυπνων πρακτόρων, εκείνων των συστημάτων των οποίων η συμπεριφορά ορίζεται μέσω αντιδραστικών κανόνων (reactive rules) καθώς και εκείνων των οποίων οι ενέργειες εξαρτώνται από το περιβάλλον τους (context-aware systems) καθώς προσαρμόζουν τη συμπεριφορά τους ανάλογα με τις αλλαγές που παρατηρούν. Στην πρώτη κατηγορία συστημάτων αρχικά προτείνεται μία τυπική σημασιο1λογίατωναναδραστικώνκανόνων, βασισμένηστηνάλγεβραμεκρυφούςτύπους, έπειτα μελετάται η τυπική ανάλυση και επαλήθευση των έξυπνων συστημάτων που ορίζονται μέσω αναδραστικών κανόνων με χρήση εξισωτικής λογικής, στη συνέχεια προτείνεται η χρήση λογικής βασισμένης στην αναγραφή όρων για την ανακάλυψη λαθών στη δομή των αναδραστικών κανόνων, όπως τερματισμού και σύγκλισης, και τέλος συγκρίνονται οι προτεινόμενες προσεγγίσεις. Στη δεύτερη κατηγορία συστημάτων, τα οποία κατά κανόνα είναι και πιο σύνθετα, ορίζουμε την προδιαγραφή τους ως τη σύνθεση των προδιαγραφών των επιμέρους συστατικών τους, δηλ. των προδιαγραφών που περιγράφουν τους τύπους δεδομένων και τα συστατικά του συστήματος σαν Παρατηρήσιμα Συστήματα Μετάβασης - ένα είδος συμπεριφοριακού αντικειμένου - ώστε να μπορέσει να εκφραστεί κατάλληλα η αλληλεπίδραση των συστατικών των συστημάτων αυτών. Στη συνέχεια με βάση τις προδιαγραφές και κάνοντας χρήση τεχνικών απόδειξης θεωρήματος είναι δυνατή η επαλήθευση ιδιοτήτων των συστημάτων. Το ότι ο δυναμικός χαρακτήρας του συστήματος προδιαγράφεται με κανόνες μετάβασης και χρησιμοποιώντας εξισωτική λογική ή λογική αναγραφής, κάνει τη μέθοδο αυτή καλύτερα κατανοητή και ευκολότερη από αντίστοιχες μεθόδους που προαπαιτούν βαθύτερη γνώση των τεχνικών απόδειξης θεωρήματος ή που βασίζονται σε λογικές ανώτερου επίπεδου. Η εφαρμογή των προτεινόμενων μεθόδων παρουσιάζεται μέσα από τη μελέτη μιας σειράς περιπτώσεων που αντιστοιχούν σε σχετικά συστήματα και πρωτόκολλα. Τα ζητήματα ασφαλείας για ένα έξυπνο σύστημα είναι μεγάλης κρισιμότητας και γι’ αυτό το λόγο δεν θα μπορούσαν να παραλειφθούν. Στα πλαίσια αυτά έχουν προδιαγραφεί και επαληθευθεί συστήματα έξυπνων πρακτόρων από τη διεθνή βιβλιογραφία. Στο τελευταίο κομμάτι της διατριβής προτείνεται μια επέκταση της μεθοδολογίας μοντελοποίησης και απόδειξης ιδιοτήτων που υποστηρίζεται από τη γλώσσα CafeOBJ, κατάλληλη για την αυτοματοποίηση των αποδείξεων και τη χρήση πιο σύγχρονων εργαλείων ανάλυσης προδιαγραφών, με χρήση του συστήματος αυτόματης απόδειξης Athena. Προτείνεται μία μεθοδολογία αλληλεπίδρασης των δύο συστημάτων απόδειξης, ώστε να είμαστε σε θέση να εκμεταλλευτούμε τα πλεονεκτήματα του καθενός ξεχωριστά, και παρουσιάζονται παραδείγματα εφαρμογών της προτεινόμενης προσέγγισης σε πρωτόκολλα που μελετώνται συχνά για τη δοκιμή εργαλείων επαλήθευσης σύνθετων συστημάτων.