[논문 리뷰] Automatic analysis of distance bounding protocols

Sreekanth Malladi, Bruhadeshwar Bezawada외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 03. 28.

Advanced Authentication Protocols Security참고 문헌 13인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 시간이 붙은 스트랜드 공간과 형식화된 보안 거리 유한성(Secure Distance Bounding, SDB) 성질을 갖춘 제약 조건 해결기를 확장하여 거리 유한성 프로토콜을 자동으로 분석하는 방법을 제시한다. 메시지 전송 지연을 시간 제약 조건으로 모델링하여 중간자 공격 및 근접 이웃 공격과 같은 공격을 탐지하며, 기존에 알려지지 않은 취약성을 드러내기 위해 공개된 프로토콜들에 대해 기술을 적용한다.

ABSTRACT

Distance bounding protocols are used by nodes in wireless networks to calculate upper bounds on their distances to other nodes. However, dishonest nodes in the network can turn the calculations both illegitimate and inaccurate when they participate in protocol executions. It is important to analyze protocols for the possibility of such violations. Past efforts to analyze distance bounding protocols have only been manual. However, automated approaches are important since they are quite likely to find flaws that manual approaches cannot, as witnessed in literature for analysis pertaining to key establishment protocols. In this paper, we use the constraint solver tool to automatically analyze distance bounding protocols. We first formulate a new trace property called Secure Distance Bounding (SDB) that protocol executions must satisfy. We then classify the scenarios in which these protocols can operate considering the (dis)honesty of nodes and location of the attacker in the network. Finally, we extend the constraint solver so that it can be used to test protocols for violations of SDB in these scenarios and illustrate our technique on some published protocols.

연구 동기 및 목표

• 거리 유한성 프로토콜에서 미묘한 결함을 탐지하는 데 있어 수동 분석의 한계를 해결하기 위해.
• 정확한 거리 추정의 핵심 요구사항을 반영하는 새로운 보안 성질인 보안 거리 유한성(Secure Distance Bounding, SDB)을 형식화하기 위해.
• 다양한 공격자 시나리오에서 SDB의 자동 검증을 가능하게 하기 위해 제약 조건 해결기를 시간 기반 프로토콜 모델링 기능으로 확장하기 위해.
• 체계적이고 자동화된 테스트를 통해 기존에 알려지지 않은 공격을 공개된 거리 유한성 프로토콜에 대해 탐지하기 위해.
• 거리 유한성 프로토콜의 보안성을 검증하기 위한 확장 가능하고 재사용 가능한 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 노드에서의 시계 시간을 나타내기 위해 스트랜드 공간 모델에 시간 필드를 추가하여 메시지 전송 지연을 모델링할 수 있도록 한다.
• 프로토콜 실행이 정확한 거리 추정을 보장하기 위해 만족해야 할 형식화된 요구사항으로 보안 거리 유한성(Secure Distance Bounding, SDB) 성질을 도입한다.
• 노드의 신뢰성과 공격자의 위치(예: 중간자 공격, 공모 공격자 등)를 기반으로 공격 시나리오를 분류하여 분석을 안내한다.
• 이러한 시나리오 하에서 시간이 붙은 프로토콜 트레이스를 생성하고 검증할 수 있도록 제약 조건 해결기를 강화하여 SDB 위반 여부를 점검한다.
• 메시지 흐름과 시간 제약 조건을 시뮬레이션하여 에코 기반 및 구트만 스타일 프로토콜을 포함한 여러 프로토콜을 테스트하기 위해 해결기를 사용한다.
• 메시지 구성과 시간 불일치를 분석하여 로우 스타일 중간자 공격 및 근접 이웃 공격과 같은 공격을 탐지하기 위해 방법을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수동 분석이 놓칠 수 있는 거리 유한성 프로토콜에서의 이전에 알려지지 않은 공격을 자동 제약 기반 분석이 탐지할 수 있는가?
• RQ2 시간이 붙은 프로토콜 실행에서 SDB 성질은 어떻게 형식적으로 정의하고 검증할 수 있는가?
• RQ3 중간자 공격 또는 공모 공격자와 같은 공격 시나리오는 거리 유한성 프로토콜에서 SDB 위반을 초래할 수 있는가?
• RQ4 기존의 제약 조건 해결기는 무선 프로토콜의 시간 및 거리 성질을 모델링하기 위해 어느 정도 확장될 수 있는가?
• RQ5 암호화 요소(예: 난수, 서명 등)의 포함이 시간 기반 공격에 대한 취약성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제약 조건 해결기가 확장된 에코 프로토콜(P1)에서 중간자 공격을 성공적으로 탐지했으며, 이 공격에서 공격자는 증명자(Prover)가 실제로 더 가까이 있는 것처럼 위장했다.
• 검증자(Verifier)가 교환의 초기 단계에서 증명자의 신원을 인증하지 않는 한 프로토콜 P2는 '근접 이웃' 공격에 취약하다.
• 프로토콜 P3의 메시지 4.2에서 난수를 제거함으로써 새로운 공격이 드러났으며, 이는 난수가 시간 기반 위장 공격을 방지하는 데 핵심적인 역할을 함을 보여준다.
• 구트만 등이 제안한 프로토콜(P4)은 검증자의 신원이 초기 메시지에 적절히 포함되지 않을 경우 로우 스타일 중간자 공격에 취약하다. 이 경우 공격자는 응답을 위조할 수 있다.
• 메시지 2에서 검증자의 신원이 누락되어 있음이 공격자가 거리 유한성과 인증을 모두 침해할 수 있도록 허용함을 방법이 성공적으로 밝혀냈다.
• 프레임워크는 유한 분석을 지원하도록 확장되었으며, 요청 및 응답 이벤트를 원자적 동작으로 모델링함으로써 ProVerif와 같은 도구를 사용해 무한 검증으로도 확장 가능하다.