Language-based Techniques for Practical and Trustworthy Secure Multi-party Computations

Secure Multi-party Computation (MPC) enables a set of parties to collaboratively compute, using cryptographic protocols, a function over their private data in a way that the participants do not see each other's data, they only see the final output. Typical MPC examples include statistical computations over joint private data, private set intersection, and auctions. While these applications are examples of monolithic MPC, richer MPC applications move between "normal" (i.e., per-party local) and "secure" (i.e., joint, multi-party secure) modes repeatedly, resulting overall in mixed-mode computations. For example, we might use MPC to implement the role of the dealer in a game of mental poker -- the game will be divided into rounds of local decision-making (e.g. bidding) and joint interaction (e.g. dealing). Mixed-mode computations are also used to improve performance over monolithic secure computations. Starting with the Fairplay project, several MPC frameworks have been proposed in the last decade to help programmers write MPC applications in a high-level language, while the toolchain manages the low-level details. However, these frameworks are either not expressive enough to allow writing mixed-mode applications or lack formal specification, and reasoning capabilities, thereby diminishing the parties' trust in such tools, and the programs written using them. Furthermore, none of the frameworks provides a verified toolchain to run the MPC programs, leaving the potential of security holes that can compromise the privacy of parties' data. This dissertation presents language-based techniques to make MPC more practical and trustworthy. First, it presents the design and implementation of a new MPC Domain Specific Language, called Wysteria, for writing rich mixed-mode MPC applications. Wysteria provides several benefits over previous languages, including a conceptual single thread of control, generic support for more than two parties, high-level abstractions for secret shares, and a fully formalized type system and operational semantics. Using Wysteria, we have implemented several MPC applications, including, for the first time, a card dealing application. The dissertation next presents Wys*, an embedding of Wysteria in F*, a full-featured verification oriented programming language. Wys* improves on Wysteria along three lines: (a) It enables programmers to formally verify the correctness and security properties of their programs. As far as we know, Wys* is the first language to provide verification capabilities for MPC programs. (b) It provides a partially verified toolchain to run MPC programs, and finally (c) It enables the MPC programs to use, with no extra effort, standard language constructs from the host language F*, thereby making it more usable and scalable. Finally, the dissertation develops static analyses that help optimize monolithic MPC programs into mixed-mode MPC programs, while providing similar privacy guarantees as the monolithic versions.

Un ambiente grafico per creare applicazioni Web in Blazor: progettazione e prototipazione

Blazor è un innovativo framework di Microsoft per lo sviluppo di applicazioni web in C#, HTML e CSS. Questo framework non possiede un designer visuale, ovvero un supporto grafico "drag-and-drop" alla creazione delle web applications. Questa tesi affronta la progettazione e la prototipazione di "Blazor Designer", un DSL (Domain-Specific Language) grafico a supporto dello sviluppo applicazioni web a pagina singola (SPA) sviluppato in collaborazione con IPREL Progetti srl, società del gruppo SACMI. Nella tesi si fa una analisi delle tecnologie messe a disposizione da Blazor, compreso WebAssembly, si discutono le caratteristiche e i vantaggi dei DSL, si descrive la progettazione e l'implementazione di "Blazor Designer" come estensione di Visual Studio. La conclusione riassume i risultati raggiunti, i limiti e le opportunità future: un DSL è effettivamente in grado di rendere più user-friendly e semplice lo sviluppo, ma lo strumento deve essere integrato per essere sfruttato pienamente.

Bio-QA-GNN: Reasoning with Language Models and Knowledge Graphs for Interpretable Biomedical Question Answering

Nowadays the idea of injecting world or domain-specific structured knowledge into pre-trained language models (PLMs) is becoming an increasingly popular approach for solving problems such as biases, hallucinations, huge architectural sizes, and explainability lack—critical for real-world natural language processing applications in sensitive fields like bioinformatics. One recent work that has garnered much attention in Neuro-symbolic AI is QA-GNN, an end-to-end model for multiple-choice open-domain question answering (MCOQA) tasks via interpretable text-graph reasoning. Unlike previous publications, QA-GNN mutually informs PLMs and graph neural networks (GNNs) on top of relevant facts retrieved from knowledge graphs (KGs). However, taking a more holistic view, existing PLM+KG contributions mainly consider commonsense benchmarks and ignore or shallowly analyze performances on biomedical datasets. This thesis start from a propose of a deep investigation of QA-GNN for biomedicine, comparing existing or brand-new PLMs, KGs, edge-aware GNNs, preprocessing techniques, and initialization strategies. By combining the insights emerged in DISI's research, we introduce Bio-QA-GNN that include a KG. Working with this part has led to an improvement in state-of-the-art of MCOQA model on biomedical/clinical text, largely outperforming the original one (+3.63\% accuracy on MedQA). Our findings also contribute to a better understanding of the explanation degree allowed by joint text-graph reasoning architectures and their effectiveness on different medical subjects and reasoning types. Codes, models, datasets, and demos to reproduce the results are freely available at: \url{https://github.com/disi-unibo-nlp/bio-qagnn}.

Plasma Kallikrein and Angiotensin I-converting enzyme N- and C-terminal domain activities are modulated by the insertion/deletion polymorphism

Angiotensin I-converting enzyme (ACE) is recognized as one of the main effector molecules involved in blood pressure regulation. In the last few years some polymorphisms of ACE such as the insertion/deletion (I/D) polymorphism have been described, but their physiologic relevance is poorly understood. In addition, few studies investigated if the specific activity of ACE domain is related to the I/D polymorphism and if it can affect other systems. The aim of this study was to establish a biochemical and functional characterization of the I/D polymorphism and correlate this with the corresponding ACE activity. For this purpose, 119 male brazilian army recruits were genotyped and their ACE plasma activities evaluated from the C- and N-terminal catalytic domains using fluorescence resonance energy transfer (FRET) peptides, specific for the C-domain (Abz-LFK(Dnp)OH), N-domain (Abz-SDK(Dnp)P-OH) and both C- and N-domains (Abz-FRK(Dnp)P-OH). Plasma kallikrein activity was measured using Z-Phe-Arg-AMC as substrate and inhibited by selective plasma kallikrein inhibitor (PKSI). Some physiological parameters previously described related to the I/D polymorphism such as handgrip strength, blood pressure, heart rate and BMI were also evaluated. The genotype distribution was II n = 27, ID n = 64 and DD n = 28. Total plasma ACE activity of both domains in II individuals was significantly lower in comparison to ID and DD. This pattern was also observed for C- and N-domain activities. Difference between ID and DD subjects was observed only with the N-domain specific substrate. Blood pressure, heart rate, handgrip strength and BMI were similar among the genotypes. This polymorphism also affected the plasma kallikrein activity and DD group presents high activity level. Thus, our data demonstrate that the I/D ACE polymorphism affects differently both ACE domains without effects on handgrip strength. Moreover, this polymorphism influences the kallikrein-kinin system of normotensive individuals. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Research into telehealth applications in speech-language pathology

A literature review was conducted to investigate the extent to which telehealth has been researched within the domain of speech-language pathology and the outcomes of this research. A total of 13 studies were identified. Three early studies demonstrated that telehealth was feasible, although there was no discussion of the cost-effectiveness of this process in terms of patient outcomes. The majority of the subsequent studies indicated positive or encouraging outcomes resulting from telehealth. However, there were a number of shortcomings in the research, including a lack of cost-benefit information, failure to evaluate the technology itself, an absence of studies of the educational and informational aspects of telehealth in relation to speech-language pathology, and the use of telehealth in a limited range of communication disorders. Future research into the application of telehealth to speech-language pathology services must adopt a scientific approach, and have a well defined development and evaluation framework that addresses the effectiveness of the technique, patient outcomes and satisfaction, and the cost-benefit relationship.

Exploração do UML para a derivação automática de requisitos arquitecturais. Uma abordagem orientada a modelos

O desenvolvimento de software orientado a modelos defende a utilização dos modelos como um artefacto que participa activamente no processo de desenvolvimento. O modelo ocupa uma posição que se encontra ao mesmo nível do código. Esta é uma abordagem importante que tem sido alvo de atenção crescente nos últimos tempos. O Object Management Group (OMG) é o responsável por uma das principais especificações utilizadas na definição da arquitectura dos sistemas cujo desenvolvimento é orientado a modelos: o Model Driven Architecture (MDA). Os projectos que têm surgido no âmbito da modelação e das linguagens específicas de domínio para a plataforma Eclipse são um bom exemplo da atenção dada a estas áreas. São projectos totalmente abertos à comunidade, que procuram respeitar os standards e que constituem uma excelente oportunidade para testar e por em prática novas ideias e abordagens. Nesta dissertação foram usadas ferramentas criadas no âmbito do Amalgamation Project, desenvolvido para a plataforma Eclipse. Explorando o UML e usando a linguagem QVT, desenvolveu-se um processo automático para extrair elementos da arquitectura do sistema a partir da definição de requisitos. Os requisitos são representados por modelos UML que são transformados de forma a obter elementos para uma aproximação inicial à arquitectura do sistema. No final, obtêm-se um modelo UML que agrega os componentes, interfaces e tipos de dados extraídos a partir dos modelos dos requisitos. É uma abordagem orientada a modelos que mostrou ser exequível, capaz de oferecer resultados práticos e promissora no que concerne a trabalho futuro.

Automatização de testes à framework myMIS

Atualmente, verifica-se um aumento na necessidade de software feito à medida do cliente, que se consiga adaptar de forma rápida as constantes mudanças da sua área de negócio. Cada cliente tem os seus problemas concretos que precisa de resolver, não lhe sendo muitas vezes possível dispensar uma elevada quantidade de recursos para atingir os fins pretendidos. De forma a dar resposta a estes problemas surgiram várias arquiteturas e metodologias de desenvolvimento de software, que permitem o desenvolvimento ágil de aplicações altamente configuráveis, que podem ser personalizadas por qualquer utilizador das mesmas. Este dinamismo, trazido para as aplicações sobre a forma de modelos que são personalizados pelos utilizadores e interpretados por uma plataforma genérica, cria maiores desafios no momento de realizar testes, visto existir um número de variáveis consideravelmente maior que numa aplicação com uma arquitetura tradicional. É necessário, em todos os momentos, garantir a integridade de todos os modelos, bem como da plataforma responsável pela sua interpretação, sem ser necessário o desenvolvimento constante de aplicações para suportar os testes sobre os diferentes modelos. Esta tese debruça-se sobre uma aplicação, a plataforma myMIS, que permite a interpretação de modelos orientados à gestão, escritos numa linguagem específica de domínio, sendo realizada a avaliação do estado atual e definida uma proposta de práticas de testes a aplicar no desenvolvimento da mesma. A proposta resultante desta tese permitiu verificar que, apesar das dificuldades inerentes à arquitetura da aplicação, o desenvolvimento de testes de uma forma genérica é possível, podendo as mesmas lógicas ser utilizadas para o teste de diversos modelos distintos.

BAMoL Formalização da linguagem e validação sintática de modelos

A BAMoL (Business Application Modeling Language) é uma linguagem de domínio específico utilizada para o desenvolvimento de soluções para a plataforma myMIS, no âmbito dos sistemas de informação para a gestão. Esta linguagem carecia de dois aspetos, nomeadamente a sua formalização e a existência de mecanismos de validação sintática das soluções desenvolvidas. Estes problemas identificados tornam impossível a validação sintática das soluções desenvolvidas utilizando esta linguagem, aumentando assim a probabilidade de existência de erros, podendo fazer com que as mesmas sejam mais ineficientes e podendo até trazer um aumento de custos de manutenção da plataforma. De forma a resolver os problemas enunciados, foi realizada, para o primeiro, uma descrição textual de todos os constituintes da linguagem e criada uma gramática representativa da mesma, em que constam todos os seus elementos e regras. No caso do segundo problema, a sua resolução passou pela criação de uma ferramenta que utiliza a gramática criada e que permite validar sintaticamente e encontrar as falhas das soluções desenvolvidas. Desta forma, passa a ser possível detetar os erros existentes nas soluções, permitindo assim à equipa de desenvolvimento ter maior controlo sobre as mesmas, podendo torná-las mais corretas, na perspetiva das regras da linguagem.

A framework for supporting knowledge representation – an ontological based approach

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Parallel run-time for CO-OPN

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Informática

Derivation and consistency checking of models in early software product line engineering

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Informática

Expressiveness improvements of OutSystems DSL query primitives

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Informática

Família de DSLs para integrated modular avionics

Na atualidade existe a necessidade de produzir novos aviões de forma rápida, eficiente e económica com o objetivo de abrir novas rotas de voo, expansão das já existentes e substituição de aviões em fim de vida útil. Neste contexto, e sem nunca deixar de cumprir os apertados requisitos do domínio que incluem a exigência de elevada qualidade, a indústria adotou a arquitetura IMA que permite executar várias aplicações aviónicas num único sistema de computação partilhado. Com esta arquitetura, o desenvolvimento do software para as aeronaves ganhou uma elevada relevância, sendo necessário gerar código automaticamente, reutilizar código já testado proveniente de outras aplicações anteriormente desenvolvidas e garantir o mais cedo possível que o software desenvolvido se encontra de acordo com os standards. Apesar da complexidade do domínio, desenvolveu-se uma ferramenta que permite produzir a estrutura do código de novas aplicações para a aviónica. Aferramenta lida com a variabilidade das diversas linhas de produto e reduz o tempo de desenvolvimento. Uma DSL poderia ser uma solução apropriada, pois permite cobrir diversos requisitos exigidos, no entanto, esta solução não é exequível porque seria necessário produzir uma linguagem para cada configuração de software aviónico diferente se pretendêssemos tirar partido da especificidade. Com esta dissertação, solucionou-se esta dificuldade com recurso à noção de família de DSLs. Trata-se de um conjunto de linguagens para um domínio específico, que apresentam um conjunto comum de conceitos chave, mas que adaptam alguns desses conceitos para cumprir a variabilidade dos requisitos. Utilizou-se a abordagem MDD para desenvolver um gerador automático de DSLs que é capaz de produzir a linguagem desejada de acordo com a configuração de software pretendida para a partição pertencente a um módulo aviónico. As linguagens geradas apresentam um nível de usabilidade adequada para o domínio, bem como têm a capacidade de validar as construções efetuadas usando a DSL e produzir os artefactos pretendidos.

The Rank Lecture: Has imaging told us anything new about human visual organisation?

The functional architecture of the occipital cortex is being studied with increasing detail. Functional and structural MR based imaging are altering views about the organisation of the human visual system. Recent advances have ranged from comparative studies with non-human primates to predictive scanning. The latter multivariate technique describes with sub-voxel resolution patterns of activity that are characteristic of specific visual experiences. One can deduce what a subject experienced visually from the pattern of cortical activity recorded. The challenge for the future is to understand visual functions in terms of cerebral computations at a mesoscopic level of description and to relate this information to electrophysiology. The principal medical application of this new knowledge has focused to a large extent on plasticity and the capacity for functional reorganisation. Crossmodality visual-sensory interactions and cross-correlations between visual and other cerebral areas in the resting state are areas of considerable current interest. The lecture will review findings over the last two decades and reflect on possible roles for imaging studies in the future.

Décrire et convaincre: rhétoriques visuelles de la cinématographie en médecine [Describe and convince: visual rhetoric of cinematography in medicine]

The tools of visualisation occupy a central place in medicine. Far from being simple accessories of glance, they literally constitute objects of medicine. Such empirical acknowledgement and epistemological position open a vast field of investigation: visual technologies of medical knowledge. This article studies the development and transformation of medical objects which have permitted to assess the role of temporality in the epistemology of medicine. It firstly examines the general problem of the relationships between cinema, animated image and medicine and secondly, the contribution of the German doctor Martin Weiser to medical cinematography as a method. Finally, a typology is sketched out organising the variety of the visual technology of movement under the perspective of the development of specific visual techniques in medicine.