Presentiamo MARVeLus: Un Nuovo Linguaggio per Sistemi Ciber-Fisici

I Sistemi Cyber-Fisici (CPS) sono sistemi che uniscono software e componenti fisici. Esempi includono robot, veicoli e vari processi industriali. Questi sistemi spesso giocano ruoli cruciali per garantire la sicurezza delle persone, delle proprietà e dell'ambiente. Perciò, è fondamentale assicurarsi che il software che li gestisce sia corretto e affidabile. I metodi di testing semplici spesso non sono sufficienti perché l'interazione tra il software e il mondo fisico può essere complessa e imprevedibile.

Per affrontare questa sfida, si usano metodi di Verifica Formale. Questi metodi possono offrire garanzie di sicurezza più forti, ma dipendono dalla precisione con cui il sistema verificato rappresenta il suo corrispondente nella vita reale. Una sfida significativa è che i linguaggi di programmazione comuni usati per i CPS possono essere difficili da verificare, mentre quelli più facili da verificare potrebbero astrarre dettagli importanti dell'implementazione.

#La Necessità di Verifica nei Sistemi Cyber-Fisici

Molte applicazioni software con cui interagiamo, specialmente in aree critiche come il trasporto e l'automazione industriale, devono funzionare senza problemi con l'ambiente fisico. Quindi, garantire la sicurezza di questi sistemi è fondamentale. Ad esempio, un malfunzionamento nel software di controllo di un veicolo può comportare rischi seri.

Progettare CPS sicuri è complicato dal fatto che il testing completo di tali sistemi è difficile. Questo perché la natura fisica di questi sistemi rende complicato testare ogni configurazione potenziale.

La verifica formale si presenta come una soluzione valida. Utilizzando modelli matematici per descrivere il comportamento di un sistema, diventa possibile dimostrare che certe condizioni di sicurezza sono sempre soddisfatte. Modelli tradizionali come gli automi ibridi vengono spesso impiegati per rappresentare i CPS, ma non corrispondono direttamente a codice eseguibile.

#Il Ruolo della Verifica Formale

Anche se la verifica formale è più approfondita rispetto al testing, introduce le sue complicazioni. I linguaggi di programmazione comuni usati per i CPS sono difficili da verificare perché il loro comportamento potrebbe non essere ben definito. Al contrario, i linguaggi progettati specificamente per la verifica formale possono perdere dettagli importanti dell'implementazione, rendendo i programmi corrispondenti difficili da eseguire nella pratica.

Il processo di traduzione tra linguaggi di verifica e implementazione può potenzialmente introdurre errori se le sfumature del sistema originale non sono catturate correttamente. La traduzione verificata è possibile, ma aumenta la complessità del processo di sviluppo software. Idealmente, avere un linguaggio unico che consenta sia la verifica che l'esecuzione semplificherebbe le cose per gli sviluppatori di CPS.

#Introducendo MARVeLus

Questo articolo presenta MARVeLus, un linguaggio di programmazione progettato per colmare il divario tra verifica e implementazione per i CPS. Combina i benefici della verifica formale con le esigenze pratiche dello sviluppo software in un unico linguaggio.

MARVeLus crea un framework in cui gli sviluppatori possono specificare proprietà sui loro CPS direttamente nel codice. Il linguaggio consente la scrittura di sistemi sicuri e affidabili, fornendo strumenti per dimostrare che questi sistemi soddisfano le proprietà di sicurezza richieste.

#Caratteristiche di MARVeLus

Il linguaggio MARVeLus include diverse caratteristiche chiave:

1. Sistema di Tipi: MARVeLus ha un sistema di tipi raffinato che permette agli sviluppatori di specificare le proprietà desiderate dei loro programmi.
2. Semantica Operativa: Il linguaggio è costruito attorno a flussi di dati, che rappresentano valori che cambiano nel tempo. Questo è particolarmente utile per modellare sistemi embedded che devono rispondere in tempo reale.
3. Controllo degli Errori: Utilizzando un sistema di tipi che incorpora predicati logici, MARVeLus consente un controllo degli errori approfondito al momento della compilazione piuttosto che in fase di esecuzione.
4. Integrazione con Strumenti Esistenti: MARVeLus sfrutta l'infrastruttura esistente dei linguaggi di programmazione sincroni, garantendo compatibilità con metodi e strumenti consolidati.

#La Struttura del Linguaggio MARVeLus

#Sintassi di MARVeLus

MARVeLus si ispira a linguaggi di programmazione sincroni consolidati. Tratta i valori dei programmi come flussi, che possono cambiare nel tempo. La sintassi del linguaggio è progettata per essere intuitiva per gli sviluppatori familiari con questi linguaggi, aggiungendo nuove funzionalità per la verifica.

#Sistema di Tipi

MARVeLus utilizza un sistema di tipi sofisticato che consente l'aggiunta di vincoli logici direttamente ai tipi di dati. Questo significa che gli sviluppatori possono specificare non solo che tipo di dati un programma può gestire, ma anche le condizioni che devono essere vere per quei dati.

Ad esempio, un tipo in MARVeLus può specificare che determinati valori devono sempre essere non negativi. Questa integrazione stretta consente garanzie più forti sul comportamento del software finale.

#Semantica dei Flussi

All'interno di MARVeLus, i flussi riflettono dati che possono evolvere nel tempo. Questo è cruciale per rappresentare gli stati che cambiano nei CPS. Il linguaggio assicura che ogni flusso produca un valore ad ogni ciclo, allineandosi con i requisiti in tempo reale dei sistemi embedded.

#Applicazioni Reali di MARVeLus

MARVeLus è adatto a varie applicazioni nel mondo reale. Un esempio prominente è nell'industria automobilistica, in particolare nei sistemi critici per la sicurezza come l'evitamento delle collisioni nei veicoli.

#Sistema di Evitamento delle Collisioni

In uno scenario tipico di evitamento delle collisioni, l'auto deve mantenere una distanza di sicurezza da altri veicoli o ostacoli sulla strada. Utilizzando MARVeLus, uno sviluppatore può specificare il comportamento del veicolo in tali situazioni, garantendo che le proprietà di sicurezza siano rispettate in tutte le condizioni.

Ad esempio, il sistema può essere programmato per controllare continuamente se la distanza dal veicolo che precede rimane all'interno di un intervallo sicuro. Se la distanza diminuisce al di sotto di un certo livello, il software può attivare un arresto o una regolazione dell'accelerazione.

#Automazione Industriale

In contesti industriali, MARVeLus può essere utilizzato anche per controllare macchinari. Ad esempio, immagina un robot di fabbrica incaricato di assemblare parti. Il robot deve operare in sicurezza insieme a lavoratori e altre macchine. Utilizzando MARVeLus, il funzionamento del robot può essere verificato per garantire la sicurezza senza compromettere le prestazioni.

#Implementazione del Codice MARVeLus

Quando si scrive codice MARVeLus, gli sviluppatori seguono alcune convenzioni per assicurarsi che le proprietà siano specificate in modo chiaro. L'implementazione prevede la definizione di costanti, variabili di stato e comportamenti ai quali i CPS devono attenersi.

#Definizione del Sistema

Nel codice, gli sviluppatori iniziano definendo le costanti del sistema. Queste costanti possono includere valori massimi e minimi per variabili, come velocità o distanza. Definiscono anche variabili di stato che tracciano lo stato del sistema nel tempo.

#Specifiche di Sicurezza

Le condizioni di sicurezza devono essere specificate direttamente nel codice. Queste condizioni limitano i comportamenti del sistema per garantire un funzionamento sicuro. Ad esempio, una condizione di sicurezza potrebbe richiedere che un veicolo non possa superare una certa velocità prima di poter attivare un avviso.

Il codice può utilizzare operatori logici per definire condizioni complesse, assicurando che tutte le situazioni siano prese in considerazione.

#Sfide e Considerazioni

Anche se MARVeLus presenta un framework unificato per la programmazione dei CPS, rimangono diverse sfide:

1. Complessità: L'introduzione della verifica formale aumenta la complessità del processo di sviluppo. Gli sviluppatori devono essere ben informati sia sulle tecniche di programmazione che su quelle di verifica per utilizzare MARVeLus in modo efficace.
2. Curva di Apprendimento: Poiché MARVeLus incorpora nuovi concetti e sintassi, c'è una curva di apprendimento per gli sviluppatori che passano dai linguaggi di programmazione tradizionali.
3. Supporto degli Strumenti: Anche se MARVeLus è costruito su tecnologie esistenti, la disponibilità di strumenti robusti per progettazione, simulazione e verifica può influenzare l'adozione del linguaggio in vari settori.

#Direzioni Future per MARVeLus

Lo sviluppo continuo di MARVeLus mira ad affrontare le sfide esistenti e ad espandere le sue capacità. I futuri miglioramenti possono includere:

• Strumenti Potenziati: Sviluppo di strumenti più user-friendly per la codifica, il testing e la verifica delle applicazioni MARVeLus.
• Applicazioni Più Ampie: Espandere l'applicabilità del linguaggio a una gamma più ampia di CPS, inclusi sistemi più complessi presenti in città intelligenti, dispositivi IoT e tecnologie sanitarie.
• Coinvolgimento della Comunità: Costruire una comunità di utenti e contributori per migliorare continuamente il linguaggio ricevendo feedback e adattandosi a nuove tendenze tecnologiche.

#Conclusione

MARVeLus rappresenta un notevole passo avanti nel campo dei linguaggi di programmazione per i sistemi cyber-fisici. Combinando la verifica formale con l'implementazione pratica, offre un modo potente per gli sviluppatori di garantire la sicurezza e l'affidabilità dei loro sistemi. Con lo sviluppo continuo e il supporto della comunità, MARVeLus ha il potenziale di svolgere un ruolo cruciale nel futuro della progettazione di CPS sicuri ed efficienti.