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In dieser Dissertation wird eine Verfahrensweise für die formale Spezifikation und Verifikation von Benutzerschnittstellen unter Sicherheitsaspekten vorgestellt. Mit dieser Verfahrensweise können beweisbar sichere Benutzerschnittstellen realisiert werden. Die Arbeit besteht aus drei Teilen. Im ersten Teil wird eine Methodologie für die formale Beschreibung von Mensch-Maschine-Interaktion entwickelt. Im zweiten Teil werden gängige Computersicherheitskonzepte für die Mensch-Maschine-Interaktion angepasst und mit den im ersten Teil entwickelten Methoden formalisiert. Dabei wird ein generisches formales Modell von Mensch-Maschine-Interaktion erstellt. Im dritten Teil wird die Methodologie, die in den ersten beiden Teilen entwickelt wurde, an einem sicheren Email-Client als exemplarischen Anwendungsprogramm demonstriert.
Software is vital for modern society. The efficient development of correct and reliable software is of ever-growing importance. An important technique to achieve this goal is deductive program verification: the construction of logical proofs that programs are correct. In this thesis, we address three important challenges for deductive verification on its way to a wider deployment in the industry: 1. verification of thread-based concurrent programs 2. correctness management of verification systems 3. change management in the verification process. These are consistently brought up by practitioners when applying otherwise mature verification systems. The three challenges correspond to the three parts of this thesis (not counting the introductory first part, providing technical background on the KeY verification approach). In the first part, we define a novel program logic for specifying correctness properties of object-oriented programs with unbounded thread-based concurrency. We also present a calculus for the above logic, which allows verifying actual Java programs. The calculus is based on symbolic execution resulting in its good understandability for the user. We describe the implementation of the calculus in the KeY verification system and present a case study. In the second part, we provide a first systematic survey and appraisal of factors involved in reliability of formal reasoning. We elucidate the potential and limitations of self-application of formal methods in this area and give recommendations based on our experience in design and operation of verification systems. In the third part, we show how the technique of similarity-based proof reuse can be applied to the problems of industrial verification life cycle. We address issues (e.g., coping with changes in the proof system) that are important in verification practice, but have been neglected by research so far.
Die Beschreibung des Verhaltens eines Multi-Agenten-Systems (MAS) ist eine fordernde Aufgabe, besonders dann, wenn es in sicherheitskritischen Umgebungen eingesetzt werden soll. Denn in solchen Umgebungen muss die Beschreibung besonders sorgfältig ausgeführt werden um Seiteneffekte zu vermeiden, die ungewünschte oder sogar zerstörerische Folgen haben könnten. Deshalb sind formale Methoden nützlich, die auf mathematischen Modellen des zu entwerfenden Systems basieren. Sie erlauben es nicht nur das System formal auf verschiedenen Abstraktionsebenen zu spezifizieren, sondern auch seine Konsistenz noch vor der Implementierung zu verifizieren. Das Ziel der formalen Spezifikation ist eine präzise und eindeutige Beschreibung des Verhaltens des Multi-Agenten-Systems, während die Verifikation darauf abzielt, geforderte Eigenschaften dieses Systems zu beweisen. Üblicherweise wird das Verhalten eines Agenten als diskrete Änderung seines Zustands im Bezug auf externe oder interne Aktionen aufgefasst. Jedes mal, wenn eine Aktion auftritt, ändert sich der Zustand des Agenten. Deshalb sind Zustandsübergangsdiagramme bzw. endliche Automaten ein naheliegender Ansatz das Verhalten zu modellieren. Ein weiterer Vorteil einer solchen Beschreibung ist, dass sie sich für das sogenannte Model Checking eignet. Dabei handelt es sich um eine automatische Analysetechnik, die bestimmt, ob das Modell des Systems spezifizierten Eigenschaften genügt. Allerdings muss in realistischen, physikalischen Umgebungen neben dem diskreten auch das kontinuierliche Verhalten des Multi-Agenten-Systems betrachtet werden. Dabei könnte es sich beispielsweise um die Schussbewegung eines Fußballspieler-Agenten, den Prozess des Löschens durch einen Feuerwehr-Agenten oder jedes andere Verhalten handeln, das auf zeitlichen physikalischen Gesetzen basiert. Die üblichen Zustandsübergangsdiagramme sind nicht ausreichend, um diese beiden Verhaltensarten zu kombinieren. Hybride Automaten stellen jedoch eine elegante Lösung dar. Im Wesentlichen erweitern sie die üblichen Zustandsübergangsdiagramme durch Methoden, die sich mit kontinuierlichen Aktionen befassen. Die Zustandsübergänge modellieren weiterhin die diskreten Verhaltenswechsel, während Differentialgleichungen verwendet werden um das kontinuierliche Verhalten zu beschreiben. Besonders geeignet erscheinen Hybride Automaten, weil ihre formale Semantik die Verifikation durch Model Checking erlaubt. Deshalb ist das Hauptziel dieser Arbeit, Hybride Automaten für die Modellierung und die Verifikation des Verhaltens von Multi-Agenten-Systemen einzusetzen. Jedoch bringt ihr Einsatz mehrere Probleme mit sich, die betrachtet werden sollten. Zu diesen Problemfeldern zählen Komplexität, Modularität und die Aussagestärke der Modelle. Diese Arbeit befasst sich mit diesen Problemen und liefert mögliche Lösungen.
The semantic web and model-driven engineering are changing the enterprise computing paradigm. By introducing technologies like ontologies, metadata and logic, the semantic web improves drastically how companies manage knowledge. In counterpart, model-driven engineering relies on the principle of using models to provide abstraction, enabling developers to concentrate on the system functionality rather than on technical platforms. The next enterprise computing era will rely on the synergy between both technologies. On the one side, ontology technologies organize system knowledge in conceptual domains according to its meaning. It addresses enterprise computing needs by identifying, abstracting and rationalizing commonalities, and checking for inconsistencies across system specifications. On the other side, model-driven engineering is closing the gap among business requirements, designs and executables by using domain-specific languages with custom-built syntax and semantics. In this scenario, the research question that arises is: What are the scientific and technical results around ontology technologies that can be used in model-driven engineering and vice versa? The objective is to analyze approaches available in the literature that involve both ontologies and model-driven engineering. Therefore, we conduct a literature review that resulted in a feature model for classifying state-of-the-art approaches. The results show that the usage of ontologies and model-driven engineering together have multiple purposes: validation, visual notation, expressiveness and interoperability. While approaches involving both paradigms exist, an integrated approach for UML class-based modeling and ontology modeling is lacking so far. Therefore, we investigate the techniques and languages for designing integrated models. The objective is to provide an approach to support the design of integrated solutions. Thus, we develop a conceptual framework involving the structure and the notations of a solution to represent and query software artifacts using a combination of ontologies and class-based modeling. As proof of concept, we have implemented our approach as a set of open source plug-ins -- the TwoUse Toolkit. The hypothesis is that a combination of both paradigms yields improvements in both fields, ontology engineering and model-driven engineering. For MDE, we investigate the impact of using features of the Web Ontology Language in software modeling. The results are patterns and guidelines for designing ontology-based information systems and for supporting software engineers in modeling software. The results include alternative ways of describing classes and objects and querying software models and metamodels. Applications show improvements on changeability and extensibility. In the ontology engineering domain, we investigate the application of techniques used in model-driven engineering to fill the abstraction gap between ontology specification languages and programming languages. The objective is to provide a model-driven platform for supporting activities in the ontology engineering life cycle. Therefore, we study the development of core ontologies in our department, namely the core ontology for multimedia (COMM) and the multimedia metadata ontology. The results are domain-specific languages that allow ontology engineers to abstract from implementation issues and concentrate on the ontology engineering task. It results in increasing productivity by filling the gap between domain models and source code.
Folksonomien sind Web 2.0 Plattformen, in denen Benutzer verschiedene Inhalte miteinander teilen können. Die Inhalte können mit Hilfe von Stichwörtern, den sogenannten Tags, kategorisiert und organisiert werden. Die verschiedenen Folksonomien unterstützen unterschiedliche Inhaltstypen wie zum Beispiel Webseiten (Delicious), Bilder (Flickr) oder Videos (YouTube). Aufgrund ihrer einfachen Benutzungsweise haben Folksonomien viele Millionen Benutzer. Die einfache Benutzungsweise führt aber auch zu einigen Problemen. Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit drei der wichtigsten Probleme und beschreibt Methoden, wie sie gelöst werden können. Das erste dieser Probleme tritt auf, wenn Benutzer die Folksonomien nach bestimmten Inhalten durchsuchen wollen. Häufig können dabei nicht alle relevanten Inhalte gefunden werden, da diesen relevante Stichwörter fehlen. Dementsprechend tritt das zweite Problem während der Vergabe von Stichwörtern auf. Manche Folksonomien, wie zum Beispiel Delicious, unterstützen ihre Benutzer dabei, indem sie ihnen mögliche Stichwörter empfehlen. Andere Folksonomien, wie zum Beispiel Flickr, bieten keine solche Unterstützung. Die Empfehlung von Stichwörtern hilft dem Benutzer dabei, Inhalte auf einfache Art und Weise mit den jeweils relevanten Stichwörtern zu versehen. Das dritte Problem besteht darin, dass weder Stichwörter noch Inhalte mit einer festen Semantik versehen sind und mehrdeutig sein können. Das Problem entsteht dadurch, dass die Benutzer die Stichwörter vollkommen frei rnverwenden können. Die automatische Identifizierung der Semantik von Stichwörtern und Inhalten hilft dabei, die dadurch entstehenden Probleme zu reduzieren. Diese Doktorarbeit stellt mehrere Methoden vor, wie verschiedene Quellen für semantische Informationen benutzt werden können, um die vorher genannten drei Probleme zu lösen. In dieser Doktorarbeit benutzen wir als Quellen Internetsuchmaschinen, soziale Netzwerke im Internet und die gemeinsamen Vorkommen von Stichwörtern in Folksonomien. Die Verwendung der verschiedenen Quellen reduziert den Aufwand bei der Erstellung von Systemen, die die vorher genannten Probleme lösen. Die vorgestellten Methoden wurden auf einem großen Datensatz evaluiert. Die erzielten Ergebnisse legen nahe, dass semantische Informationen bei der Lösung der Probleme helfen, die während der Suche von Inhalten, der Empfehlung von Stichwörtern als auch der automatischen Identifizierung der Semantik von Stichwörtern und Inhalten auftreten.
Die modellgetriebene Softwareentwicklung beabsichtigt die Spezifikation von Softwaresystemen durch Modelle zu vereinfachen und die automatisierte Entwicklung zu verbessern. Die Modellierungssprachen und Werkzeuge, die zur Modellierung von Systemen und Anwendungsdomänen herangezogen werden, werden in modellbasierten technologischen Räumen zusammengefasst. Ontologiebasierte technologische Räume enthalten Ontologiesprachen und Technologien zum Entwurf, der Anfrage und dem Schlussfolgern von Wissen. Mit der Verbreitung des semantischen Webs werden Ontologien in der Entwicklung von Software zunehmend eingesetzt.
In dieser Arbeit werden zur Kombination von technologischen Räumen Brückentechnologien vorgestellt. Transformationsbrücken übersetzen Modelle, Abbildungsbrücken stellen Beziehungen zwischen Modellen verschiedener technologischer Räume her und Integrationsbrücken verschmelzen Räume zu neuen allumfassenden technologischen Räumen. API Brücken erschaffen Interoperabilität zwischen Werkzeugen. Diese Arbeit beschäftigt sich insbesondere mit der Kombination von modellbasierten und ontologiebasierten technologischen Räumen. Nach einem Vergleich zwischen Sprachen und Werkzeugen der einzelnen Räume wird die Integrationsbrücke herangezogen um einen neuen gemeinsamen technologischen Raum zu erstellen, der den hybriden Gebrauch von Sprachen und den interoperablen Einsatz von Werkzeugen ermöglicht. Die Syntax und Semantik von Modellierungssprachen kann mit Hilfe von Ontologiesprachen spezifiziert werden. Die Korrektheit von Modellen wird durch den Einsatz von Ontologietechnologien gewährleistet. Ontologiebasierte Modellierungssprachen erlauben den Nutzen von Anfrage- und Schlussfolgerungstechnologien. Sie sind darüber hinaus so flexibel um verschiedene Anforderungen von Softwareentwicklern zu erfüllen. Domänenspezifische Sprachen unterstützen neben der Spezifikation von Systemen auch die konzeptionelle Beschreibung von Domänen durch Modelle, die aus möglichen Laufzeitinstanzen und deren Typen bestehen. Integrierte Ontologiesprachen helfen eine formale Semantik für Domänenmodellierungssprachen zu definieren und Ontologietechnologien ermöglichen das Schlussfolgern über Typen und Instanzen.
Alle Ansätze in dieser Arbeit werden mit Hilfe eines Szenarios, in dem die Konfigurationen für Familien von Netzwerkgeräte modelliert werden, veranschaulicht. Ferner werden die Implementationen aller Brückentechnologien zur Kombination von technologischen Räumen und alle Werkzeuge für die ontologiebasierte Entwicklung von Modellierungssprachen illustriert.
Modern Internet and Intranet techniques, such as Web services and virtualization, facilitate the distributed processing of data providing improved flexibility. The gain in flexibility also incurs disadvantages. Integrated workflows forward and distribute data between departments and across organizations. The data may be affected by privacy laws, contracts, or intellectual property rights. Under such circumstances of flexible cooperations between organizations, accounting for the processing of data and restricting actions performed on the data may be legally and contractually required. In the Internet and Intranet, monitoring mechanisms provide means for observing and auditing the processing of data, while policy languages constitute a mechanism for specifying restrictions and obligations.
In this thesis, we present our contributions to these fields by providing improvements for auditing and restricting the data processing in distributed environments. We define formal qualities of auditing methods used in distributed environments. Based on these qualities, we provide a novel monitoring solution supporting a data-centric view on the distributed data processing. We present a solution for provenance-aware policies and a formal specification of obligations offering a procedure to decide whether obligatory processing steps can be met in the future.
Die vorliegende Dissertation behandelt den Einsatz von Theorembeweise innerhalb der automatischen Fragebeantwortung (question answering - QA). QA-Systeme versuchen, natürlichsprachliche Fragen korrekt zu beantworten. Sie verwenden eine Vielzahl von Methoden aus der Computerlinguistik und der Wissensrepräsentation, um menschliche Sprache zu verarbeiten und die Antworten aus umfangreichen Wissensbasen zu beziehen. Diese Methoden sind allerdings meist syntaxbasiert und können kein implizites Wissen herleiten. Die Theorembeweiser der automatischen Deduktion dagegen können Folgerungsketten mit Millionen von Inferenzschritten durchführen. Die Integration eines Beweisers in ein QA-System eröffnet die Möglichkeit, aus den Fakten einer Wissensbasis neues Wissen herzuleiten und somit die Fragebeantwortung zu verbessern. Herausforderungen liegen in der Überwindung der gegensätzlichen Herangehensweisen von Fragebeantwortung und Deduktion: Während QA-Methoden normalerweise darauf abzielen, auch mit unvollständigen oder fehlerhaften Daten robust und schnell zu halbwegs annehmbaren Ergebnissen zu kommen, verwenden Theorembeweiser logische Kalküle zur Gewinnung exakter und beweisbarer Resultate. Letzterer Ansatz erweist sich sich aber als schwer vereinbar mit der Quantität und der Qualität der im QA-Bereich üblichen Wissensbestände.
Die Dissertation beschreibt Anpassungen von Theorembeweisern zur Überwindung dieser Hürden. Zentrales Beispiel ist der an der Universität Koblenz-Landau entwickelte Beweiser E-KRHyper, der im Rahmen dieser Dissertation in das QA-System LogAnswer integriert worden ist. Außerdem vorgestellt werden zusätzliche Erweiterungsmöglichkeiten auf der Implementierungs- und der Kalkülebene, die sich aus dem praktischen Einsatz bei der Fragebeantwortung ergeben haben, dabei aber generell für Theorembeweiser von Nutzen sein können. Über die reine Deduktionsverbesserung der QA hinausgehend beinhalten diese Erweiterungen auch die Anbindung externer Wissensquellen wie etwa Webdienste, mit denen der Beweiser während des Deduktionsvorgangs gezielt Wissenslücken schließen kann. Zudem ermöglicht dies die Nutzung externer Ontologien beispielsweise zur Abduktion. Evaluationsergebnisse aus eigenen Versuchsreihen und aus Wettbewerben demonstrieren die Effektivität der diskutierten Methoden.
Die Diffusionsbildgebung misst die Bewegung von Wassermolekülen in Gewebe mittelsrnvariierender Gradientenfelder unter Verwendung der Magnetresonanztomographie(MRT). Diese Aufnahmetechnik stellt eine große Chance für in vivo Untersuchung von neuronalen Bahnen dar, da das lokale Diffusionsprofil Rückschlüsse über die Position und Richtung von Nervenbahnen erlaubt. Zu den Anwendungsgebieten der Diffusionsbildgebung zählt die Grundlagenforschung in den Neurowissenschaften, in denen Nervenbahnen als Verbindungen kortikaler Areale bestimmt werden, und die neurochirurgische Operationsplanung, in der rekonstruierte Bahnen als Risikostrukturen für Interventionen angesehen werden.
Die Diffusionstensor-MRT (DT-MRT) ist aufgrund ihrer schnellen Aufnahme- und Rekonstruktionsgeschwindigkeit derzeitig klinischer Standard zur Bestimmung von Nervenbahnen. Jedoch erlaubt die DT-MRT nicht die Darstellung von komplexen intravoxel Diffusionsverteilungen. Daher etablierte sich eine weitere Modellierungstechnik, die als High Angular Resolution Diffusion Imaging (HARDI) bekannt ist. HARDITechniken erhielten wachsendes Interesse in den Neurowissenschaften, da sie großes Potential zur exakteren Darstellung der Nervenbahnen im menschlichen Gehirn besitzen.
Um die Vorteile von HARDI-Techniken gegenüber DT-MRT voll auszuschöpfen, werden fortgeschrittene Methoden zur Rekonstruktion und Visualisierung der Bahnen benötigt. In der vorliegenden Arbeit werden neue Techniken vorgestellt, welche zur aktuellen Forschung hinsichtlich der Verarbeitung und Visualisierung von Diffusionsbildgebungsdaten beitragen. Ansätze zur Klassifizierung, Traktographie und Visualisierung wurden entwickelt um eine aussagekräftige Exploration neuronaler Bahnen und deren Beschaffenheit zu ermöglichen. Des Weiteren wurde eine interaktive Software für die neurochirurgische Operationsplanung implementiert, welche Nervenbahnen als Risikostrukturen berücksichtigt.
Die vorgestellten Forschungsergebnisse bieten einen erweiterten und aufgabenorientierten Einblick in neuronale Verbindungen sowohl für Neurowissenschaftler als auch für Neurochirurgen und tragen zum Einsatz von HARDI-Techniken in einer klinischen Umgebung bei.
In den letzten Jahren gibt es im Bereich Software Engineering ein steigendes Interesse an empirischen Studien. Solche Studien stützen sich häufig auf empirische Daten aus Corpora-Sammlungen von Software-Artefakten. Während es etablierte Formen der Durchführung solcher Studien gibt, wie z.B. Experimente, Fallstudien und Umfragen, geschieht die Vorbereitung der zugrunde liegenden Sammlung von Software-Artefakten in der Regel ad hoc.
In der vorliegenden Arbeit wird mittels einer Literaturrecherche gezeigt, wie häufig die Forschung im Bereich Software Engineering Software Corpora benutzt. Es wird ein Klassifikationsschema entwickelt, um Eigenschaften von Corpora zu beschreiben und zu diskutieren. Es wird auch erstmals eine Methode des Corpus (Re-)Engineering entwickelt und auf eine bestehende Sammlung von Java-Projekten angewendet.
Die Arbeit legt zwei umfassende empirische Studien vor, in denen eine umfangreiche und breit angelegte Analysenreihe zu den Sprachen Privacy Preferences (P3P) und objektorientierte Programmierschnittstellen (APIs) durchgeführt wird. Beide Studien stützen sich allein auf die vorliegenden Daten der Corpora und decken dadurch die tatsächliche Nutzung der Sprachen auf.