[論文レビュー] A Hybrid Formal Verification System in Coq for Ensuring the Reliability and Security of Ethereum-based Service Smart Contracts

Zheng Yang, Hang Lei+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2019

Security and Verification in Computing参考文献 38被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、EthereumスマートコントラクトのSolidityソースコードレベルでの検証を実現するCoqで実装されたハイブリッド形式検証システムFSPVM-Eを提案する。実行-検証同型性を介して記号実行と高階論理定理証明を統合することで、信頼性およびセキュリティ特性の自動的かつ形式的に検証可能な分析を可能にし、標準的な脆弱性の検出やERC20準拠の検証を含む。

ABSTRACT

This paper reports on the development of a formal symbolic process virtual machine (FSPVM) denoted as FSPVM-E for verifying the reliability and security of Ethereum-based services at the source code level of smart contracts, and a Coq proof assistant is employed for both programming the system and for proving its correctness. The current version of FSPVM-E adopts execution-verification isomorphism, which is an application extension of Curry-Howard isomorphism, as its fundamental theoretical framework to combine symbolic execution and higher-order logic theorem proving. The four primary components of FSPVM-E include a general, extensible, and reusable formal memory framework, an extensible and universal formal intermediate programming language denoted as Lolisa, which is a large subset of the Solidity programming language using generalized algebraic datatypes, the corresponding formally verified interpreter of Lolisa, denoted as FEther, and assistant tools and libraries. The self-correctness of all components is certified in Coq. Currently, FSPVM-E supports the ERC20 token standard, and can automatically and symbolically execute Ethereum-based smart contracts, scan their standard vulnerabilities, and verify their reliability and security properties with Hoare-style logic in Coq. To the best of authors' knowledge, the present work represents the first hybrid formal verification system implemented in Coq for Ethereum smart contracts that is applied at the Solidity source code level.

研究の動機と目的

• Ethereumベースのサービスシステムにおける形式的検証済みスマートコントラクト検証の重要なニーズに対応すること。
• 実行時エラーおよび悪用を防ぐために、スマートコントラクトの正しさとセキュリティをソースコードレベルで保証するシステムの開発。
• 記号実行と高階論理定理証明を統合した包括的で形式的に検証されたフレームワークにおける統合。
• 再帰的修正可能で拡張可能な検証スタックを提供し、再利用可能なコンponentsを備える。
• ERC20トークン準拠などの標準的なスマートコントラクトパターンの検証を、Coqにおける形式的証明でサポートすること。

提案手法

• 本システムは、エンド・ツー・エンドの検証を可能にする、完全にCoqで実装された形式的記号プロセス仮想マシン（FSPVM-E）に基づいている。
• 実行-検証同型性——Curry-Howard同型性の一般化——を用いて、記号実行と高階論理推論を統合する。
• 正確な意味論を実現するため、一般化代数的データ型を用いてSolidityの大幅な部分として形式的に定義されたドメイン固有の中間言語Lolisaを採用する。
• 形式的に検証されたインタプリタFEtherがLolisaプログラムを記号的に実行し、実行意味論の正しさを保証する。
• Ethereumの状態およびストレージの正確なモデリングを可能にする再利用可能な形式的メモリフレームワークを提供する。
• アシスタントツールおよびライブラリを統合し、ホアスタイル論理的性質の検証を自動化し、標準的な脆弱性を検出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Coqで実装されたハイブリッド形式検証システムは、Ethereumスマートコントラクトの記号実行と高階論理定理証明の両方をサポートできるか？
• RQ2 実行-検証同型性は、スマートコントラクト検証における記号実行と形式的証明を効果的に統合するためにどのように適用可能か？
• RQ3 形式的に検証された中間言語（Lolisa）は、Solidityの意味論を正確にモデル化しつつ、自動検証を可能にする程度はどの程度か？
• RQ4 本システムは、既知の脆弱性を自動的に検出し、ERC20準拠のコントラクトのセキュリティおよび信頼性特性を検証できるか？
• RQ5 すべてのコンponentsがCoqで形式的に証明された再帰的修正可能で拡張可能な検証スタックを構築することは可能か？

主な発見

• FSPVM-Eは、Ethereumスマートコントラクトに対して、Solidityソースコードレベルで動作するCoqで実装された最初のハイブリッド形式検証システムである。
• FSPVM-Eのすべてのコンponents、すなわちメモリモデル、Lolisa言語、およびFEtherインタプリタは、すべてCoq内で正しさについて形式的に検証されている。
• 本システムは、Ethereumスマートコントラクトの記号実行を効果的にサポートし、リエントラント攻撃やオーバーフロー問題などの標準的脆弱性を検出できる。
• FSPVM-Eは、ホアスタイル論理を用いた信頼性およびセキュリティ特性の形式的検証を可能にし、証明はすべてCoq内で実施される。
• 本システムはERC20トークンコントラクトに対して検証が行われ、標準準拠の形式的証明を通じてその適合性を示している。
• 実行-検証同型性の使用により、記号実行と定理証明のシームレスな統合が実現され、自動化と妥当性の両方が向上している。