[論文レビュー] PrettyCat: Adaptive guarantee-controlled software partitioning of security protocols

Alexander Senier, Martín Beck+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2017

Security and Verification in Computing参考文献 10被引用数 4

ひとこと要約

PrettyCat は、SMT を用いた制約解析とパフォーマンスに配慮した最適化を用いて、必要なセキュリティ保証に基づき、セキュリティプロトコルを隔離されたソフトウェアコンポonentに自動的かつ整合的に分割する手法である。これは OTR の TCB を 53% 減少させ、機密性が重要なコードを 71% 減少させ、機密性の TCB を 29% にまで低減し、サンドボックスと同等のオーバーヘッドで実現している。

ABSTRACT

One single error can result in a total compromise of all security in today's large, monolithic software. Partitioning of software can help simplify code-review and verification, whereas isolated execution of software-components limits the impact of incorrect implementations. However, existing application partitioning techniques are too expensive, too imprecise, or involve unsafe manual steps. An automatic, yet safe, approach to dissect security protocols into component-based systems is not available. We present a method and toolset to automatically segregate security related software into an indefinite number of partitions, based on the security guarantees required by the deployed cryptographic building blocks. As partitioning imposes communication overhead, we offer a range of sound performance optimizations. Furthermore, by applying our approach to the secure messaging protocol OTR, we demonstrate its applicability and achieve a significant reduction of the trusted computing base. Compared to a monolithic implementation, only 29% of the partitioned protocol requires confidentiality guarantees with a process overhead comparable to common sandboxing techniques.

研究の動機と目的

• 信頼できるコンピューティングベース（TCB）を最小限に抑える、自動的で整合的かつ正確なセキュリティプロトコルのソフトウェア分割技術の欠如に対処すること。
• 手作業による誤りを伴う分析を避け、システム的かつ体系的にセキュリティが重要なコンポーネントとその必要な保証を同定すること。
• セキュリティ（TCB のサイズ）とパフォーマンス（プロセス間通信のオーバーヘッド）の間の調整可能なトレードオフを可能にすること。
• 最小限で重要なコンポーネントのみを分離することで、形式的検証とコードレビューを容易にすること。
• 非重要コンポーネントをセキュリティ保証から分離することで、セキュリティプロトコルの攻撃面を縮小すること。

提案手法

• セキュリティプロトコルを、安全保証（例：機密性、完全性）を付加したチャネルで接続されたプリミティブのグラフとしてモデル化する。
• 暗号的仮定に基づき、SMT を用いた制約データフロー解析を適用して、各プリミティブに整合的なセキュリティ保証を割り当てる。
• 互いに互換性のある保証を持つプリミティブをコンポーネントにグループ化し、TCB を最小限に抑えつつパフォーマンス最適化を図る。
• バッチ処理やインターフェース呼び出しの削減といったパフォーマンス最適化を導入し、コンポーネント間通信（IPC）のオーバーヘッドを最小限に抑える。
• 形式的モデルを用いてコンポーネント間の通信ポリシーを導出し、分割されたシステムの整合性と正しさを保証する。
• 将来的にはソースコードから直接モデルを抽出することを目標とした、自動化されたツールを用いたコンポーネントベースのシステム合成を支援する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 セキュリティプロトコルは、証明可能な整合的なセキュリティ保証を持つ隔離されたコンポーネントに自動的に分割可能か？
• RQ2 プロトコルのセキュリティ保証を保持しつつ、信頼できるコンピューティングベース（TCB）をどのように最小化できるか？
• RQ3 コンポーネント化によって生じるパフォーマンスオーバーヘッドはどの程度で、それが許容可能な水準にまで低減可能か？
• RQ4 機密性と完全性の保証を独立して扱うことで、TCB をさらに小さくできるか？
• RQ5 分割プロセスはどの程度自動化可能で、人的介入と誤りをどれほど低減できるか？

主な発見

• PrettyCat は、モノリシック実装における 10,957 行のソースコード（SLOC）の OTR プロトコルの TCB を、分割されたバージョンでは 5,800 SLOC にまで 53% 減少させた。
• 機密性の保証を要するコードの割合は、元のモノリシック実装の 29% にまで低下し、顕著な TCB の最小化を示している。
• 分割されたシステムのパフォーマンスオーバーヘッドは、一般的なサンドボックス技術と同等であり、実用的な実現可能性を示している。
• 機密性と完全性を独立して扱うことで、より小さく、焦点を絞ったコンポーネントを実現でき、検証が容易になった。
• このアプローチにより、最小限の重要なコンポーネントのみを形式的検証可能となり、非重要部分はセキュリティ保証なしに実装可能となった。
• 予備的な結果では、ソースコードからモデルを抽出すること（例：FlowDroid を用いて）が可能であることが示され、将来的なツールの完全自動化への道筋が示された。