[논문 리뷰] Quantitative Analysis of Information Leakage in Probabilistic and Nondeterministic Systems

Miguel E. Andrés|arXiv (Cornell University)|2011. 11. 09.

Internet Traffic Analysis and Secure E-voting참고 문헌 2인용 수 32

한 줄 요약

이 학위논문은 확률적이고 비결정적인 시스템에서 조건부 확률을 특정하고 모델 체크하기 위한 시간 논리인 cpCTL을 소개한다. 이는 익명성 프로토콜에서의 정보 泄露에 대한 정량적 분석을 가능하게 한다. 학위논문은 완전히 확률적인 시스템에서 정보 이론적 泄露를 다항시간에 계산하기 위한 알고리즘을 제시하고, 전면 정보 스케줄링 문제를 해결하기 위해 적합한 스케줄러를 제안하며, 고 leakage 결함을 디버깅하기 위해 강하게 연결된 성분을 이용한 새로운 반례 분할 기법을 개발한다.

ABSTRACT

This thesis addresses the foundational aspects of formal methods for applications in security and in particular in anonymity. More concretely, we develop frameworks for the specification of anonymity properties and propose algorithms for their verification. Since in practice anonymity protocols always leak some information, we focus on quantitative properties, which capture the amount of information leaked by a protocol. The main contribution of this thesis is cpCTL, the first temporal logic that allows for the specification and verification of conditional probabilities (which are the key ingredient of most anonymity properties). In addition, we have considered several prominent definitions of information-leakage and developed the first algorithms allowing us to compute (and even approximate) the information leakage of anonymity protocols according to these definitions. We have also studied a well-known problem in the specification and analysis of distributed anonymity protocols, namely full-information scheduling. To overcome this problem, we have proposed an alternative notion of scheduling and adjusted accordingly several anonymity properties from the literature. Our last major contribution is a debugging technique that helps on the detection of flaws in security protocols.

연구 동기 및 목표

• 확률적이고 비결정적인 행동을 동시에 가지는 시스템에서 정량적 익명성 성질을 특정하고 검증하기 위한 형식적 프레임워크를 개발하는 것.
• 공개된 정보의 양을 정량화하여 익명성 프로토콜에서의 정보 泄露 문제를 해결하는 것.
• 기존 스케줄러의 한계를 극복하기 위해 부분 정보(적합한) 스케줄러를 도입함으로써 분산 프로토콜에서의 스케줄링 문제를 해결하는 것.
• 유의미하고 분할된 반례를 생성함으로써 보안 프로토콜의 실질적 디버깅을 가능하게 하는 것.
• 조건부 확률을 다룰 수 있도록 모델 체킹을 확장함으로써 정확한 익명성 분석에 필수적인 조건부 확률을 처리하는 것.

제안 방법

• cpCTL을 도입한다. 이는 시간 논리 CTL을 조건부 확률 연산자로 확장하여 정량적 익명성 성질를 표현할 수 있도록 한다.
• cpCTL 공식을 위한 모델 체킹 알고리즘을 개발하여 복잡한 시스템에서 조건부 확률을 검증할 수 있도록 한다.
• 채널 용량과 엔트로피 측정치를 사용하여 완전히 확률적인 상호작용 프로토콜에서 정보 이론적 泄露를 다항시간에 계산하기 위한 알고리즘을 제안한다.
• 사용 가능한 정보만 기반으로 결정을 내리는 적합한 스케줄러를 정의하여 전면 정보 스케줄링의 문제를 피한다.
• 강하게 연결된 성분(SCC) 분석을 적용하여 반례를 의미 있는 증거 집합으로 분할함으로써 디버깅에 활용한다.
• 도달 가능성 분석과 정량적 반례 생성을 결합하여 고 leakage를 유발하는 경로를 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 확률적이고 비결정적인 행동을 가진 시스템에서 조건부 확률을 어떻게 형식적으로 표현하고 검증할 수 있는가?
• RQ2 상호작용적이고 완전히 확률적인 프로토콜에서 정보 이론적 泄露를 계산하기 위한 효율적인 알고리즘이 존재하는가?
• RQ3 전면 정보 스케줄링 문제를 방지하고 현실적인 익명성 보장을 보장하기 위해 스케줄러를 어떻게 재정의할 수 있는가?
• RQ4 고 정보 泄露의 근본 원인을 드러내는 의미 있는, 분할된 반례를 생성하기 위해 어떤 기법을 사용할 수 있는가?
• RQ5 제안된 프레임워크는 피드백과 역사에 따라 달라지는 채널을 가진 동적이고 상호작용적인 시스템으로 얼마나 확장될 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 cpCTL 모델 체킹 알고리즘은 확률적과 비결정적 행동이 혼합된 시스템에서 조건부 확률 성질의 형식적 검증을 가능하게 한다.
• 완전히 확률적인 상호작용 프로토콜에서 정보 이론적 泄露를 다항시간에 계산하기 위한 알고리즘이 성공적으로 개발되었으며, 이는 이전까지 미해결 문제였다.
• 적합한 스케줄러의 사용은 분산 프로토콜에서 더 현실적이고 검증 가능한 익명성 정의를 가능하게 하여 전면 정보 스케줄러의 문제를 해결한다.
• SCC 기반 반례 분할 기법은 고 leakage를 유발하는 경로를 강조하는 구조적이고 정보적인 증거를 성공적으로 생성한다.
• DC 프로토콜은 적합한 스케줄러 하에서 익명성이 입증되었으나, 전면 정보 스케줄러 하에서는 성립하지 않아, 새로운 스케줄러 모델의 실질적 영향을 입증한다.
• 정량적 반례 생성과 정보 泄露 계산 간의 연결 고리가 확립되었으며, 이는 디버깅 도구가 프로토콜의 泄露를 추정하는 데에도 활용될 수 있음을 시사한다.