[論文レビュー] Report on the NSF Workshop on Formal Methods for Security

Stephen Chong, Joshua D. Guttman+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2016

Cryptography and Data Security参考文献 90被引用数 24

ひとこと要約

この論文は、サイバーセキュリティ分野における形式的手法の体系的導入を提唱し、システムが一連の攻撃クラスに対して安全であることを数学的に根拠に基づいた証明で保証する。システムと攻撃者を形式的にモデル化することで、ハードウェア、オペレーティングシステム、分散システム、プライバシー機構のすべての層にわたり、セキュリティ特性の検証が可能となり、一時的な防御戦略を凌駕する科学的基盤を提供する。

ABSTRACT

Report on the NSF Workshop on Formal Methods for Security, held 19-20 November 2015.

研究の動機と目的

• 攻撃者が1回の成功したエクスプロイトで十分であるのに対し、防御者はすべての可能な攻撃を防がなければならないという、サイバー戦争における継続的な非対称性に対処する。
• ヒューリスティック的で段階的な修正に依存する現在のセキュリティ慣行の限界を克服し、包括的で証明可能な保証を提供する。
• 機械化された証明にとどまらない形式的手法の使用を促進する。具体的には、モデリング、合成、統計的分析を含め、より広範なセキュリティとプライバシーの保証を実現する。
• 将来の検証負荷を軽減し、システムの信頼性を向上させる、再利用可能な形式的に認証されたコンponentsを用いた安全なシステム開発を可能にする。
• ハードウェア、OS、分散システム、プライバシー分野を横断する協働を促進し、レイヤー間の統合的課題やモデルの不一致に対処する。

提案手法

• システムと攻撃者を論理的・数学的にモデル化し、望ましいセキュリティ特性を形式的に定式化する。
• モデルチェックイング、ボーデッド・モデル・チェックイング、定理証明などの形式的検証技術を用いて、敵対的相互作用下でのシステム動作を分析する。
• ハードウェア、OS、ネットワーク、アプリケーションなどのシステムレイヤー全体にわたり、形式的手法を統合し、仮定の満たされ方と相互運用性の検証を保証する。
• 抽象化と合成的推論を用いて複雑性を管理し、大規模な検証を可能にする。
• 統計的・因果的分析を組み込むことで、プライバシー分野における形式的手法を拡張し、データ利用と漏洩の保証を実現する。
• 実世界のシステム開発における形式的手法の実用的導入を支援するツールチェーンと再利用可能なインfrastrucureを構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 形式的手法をハードウェアからアプリケーションまで、スタック全体に体系的に適用することで、エンド・ツー・エンドのセキュリティ保証をどのように達成できるか？
• RQ2 異なる抽象化レイヤーにわたり、攻撃者の行動とシステムコンponentの仮定を最も適切に捉える形式的モデリングアプローチは何か？
• RQ3 データの有用性と漏洩リスクのトレードオフを伴うプライバシー目標を満たすために、形式的手法はどのように適合可能か？
• RQ4 産業界および政府レベルのシステムに形式的手法をスケーリングするには、技術的および教育的課題をどのように克服する必要があるか？
• RQ5 包括的システム検証、ツール統合、形式的手法の実用的展開を促進するための、大規模なチャレンジ課題とは何か？

主な発見

• 形式的手法は、モデルの仮定が成立する限り、システムが一連の攻撃クラスに対して安全であることを証明する唯一の信頼できる方法である。
• 最近の形式的手法の進展により、かつては非現実的とされた規模での検証が可能になり、実世界のシステムへの広範な導入が可能になった。
• 形式的手法の使用は、改善されたツールがより良いセキュリティを生み出し、それがさらに形式的手法およびシステム品質の向上への投資を促進するという好循環を生み出す。
• 形式的手法は機械化された証明にとどまらない。合成、統計的モデリング、因果的分析を含み、とりわけプライバシーや複雑なシステムにおいて重要である。
• レイヤー間の不一致（下位レイヤーの動作が上位レイヤーの仮定を破る）は、脆弱性の主要因であり、形式的手法を用いることで体系的に検出・防止できる。
• 本レポートは、ツール統合、抽象化の選択、実用的な開発手法の開発といった、主な研究課題を特定し、それらを体系的に解決するためのグランド・チャレンジを提案している。