[論文レビュー] Proving Security Goals With Shape Analysis Sentences

John D. Ramsdell|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2014

User Authentication and Security Systems参考文献 12被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、暗号プロトコルの形状解析ツール（cpsa）から得られる形状解析文を、PVS証明支援系へインポートする手法を提示する。これにより、ストランド空間理論の意味的に豊かな浅い埋め込み理論を用いて、形式的検証によるセキュリティ目標の検証が可能になる。PVSの高階論理と組み込みの推論支援機能を活用することで、認証および機密性の目標についてきめ細やかな証明が可能となり、目標が失敗した場合には反例の生成も可能となる。同時に、自己同型写像や置換の明示的取り扱いを回避できる。

ABSTRACT

The paper that introduced shape analysis sentences presented a method for extracting a sentence in first-order logic that completely characterizes a run of CPSA. Logical deduction can then be used to determine if a security goal is satisfied. This paper presents a method for importing shape analysis sentences into a proof assistant on top of a detailed theory of strand spaces. The result is a semantically rich environment in which the validity of a security goal can be determined using shape analysis sentences and the foundation on which they are based.

研究の動機と目的

• 証明支援系を用いて、暗号プロトコルのセキュリティ目標を形式的かつ機械的に検証すること。
• Prover9のような従来のツールでは、メッセージの先行関係の推移性といった構造的性質を扱えないという制限を克服すること。
• セキュリティ目標が証明可能または反証可能である、意味的に正確な環境を提供すること。
• 証明支援系内での自己同型写像、置換、スケルトンの手動エンコードの必要性をなくし、形状解析文を輸送メカニズムとして用いること。
• 高さインスタンス述語を用いて役割の意味を形式的に捉えることで、従来のアプローチが役割の起源仮定を無視していた点を改善すること。

提案手法

• cpsaが生成する形状解析文を、ストランド空間理論の浅い埋め込みを用いてPVS証明支援系へインポートする。
• プロトコル実行を初期代数上のバンドルとして表現し、以前のモデルで用いられた自由代数の代わりに、推論を簡素化する。
• 高さインスタンス述語（htin）を定義し、実行トレースにおける役割固有のメッセージ出現とその順序を捉える。
• PVSの高階論理を用いて形状解析文を表現することで、先行関係の推移性といった基礎的補題へのアクセスを可能にする。
• PVSの型システムと形式論理を活用し、自己同型写像や置換を明示的にモデル化することなく、セキュリティ目標の検証を実現する。
• セキュリティ目標が失敗した場合には、中間者攻撃をモデル化するための攻撃者ストランドを用いて、反例をPVS内で構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 cpsaの形状解析文を証明支援系に効果的にインポートし、セキュリティ目標の形式的検証を可能にするか。
• RQ2 PVSにおけるストランド空間理論の浅い埋め込みは、Prover9のような一階論理ツールと比較して、セキュリティ証明の表現力と信頼性を向上させるか。
• RQ3 証明不能なセキュリティ目標に対して反例を生成することで、このフレームワークが中間者攻撃のような欠陥を検出できるか。
• RQ4 初期代数上のバンドルの使用は、自由代数上のスケルトンと比較して、PVSにおける形式的推論をどのように支援するか。
• RQ5 高さインスタンス述語による役割の意味の捉え方により、セキュリティ目標検証の正確性がどの程度向上するか。

主な発見

• 本手法により、PVSにおける形状解析文の使用が可能となり、基盤となるストランド空間理論への完全なアクセスが実現された。
• セキュリティ目標が偽である場合には、反例生成が可能であり、中間者攻撃が認証目標を破壊する例として実際に構築された。
• PVSにおける高階論理の使用により、先行関係の推移性といった構造的性質の推論が可能となり、Prover9のような一階論理ツールでは得られない。
• 初期代数上のバンドルによる浅い埋め込みにより、PVS内での自己同型写像や置換の明示的表現の必要性が排除された。
• 高さインスタンス述語（htin）は、役割固有のメッセージ出現を正しくモデル化し、プロトコル実行トレースに関する正確な推論を可能にした。
• 本手法は、役割の起源を形式的に捉え、従来のアプローチが曇らせてきた意味的正しさの欠如を解消することで、先行研究を改善した。