[論文レビュー] Formally Verified Hardware/Software Co-Design for Remote Attestation

Ivan De Oliveira Nunes, Karim Eldefrawy+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2018

Security and Verification in Computing参考文献 44被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、低価格の組み込みシステムにおけるリモート認証のための、形式的検証されたハードウェア/ソフトウェア共同設計であるVRASEDを提示する。形式的検証されたHMAC実装と、検証済みハードウェア設計を組み合わせることで、最小限のハードウェアオーバーヘッドでエンドツーエンドのセキュリティ特性を保証し、検証済み共同設計フレームワーク内で機械検証された証明によって正しさを達成する。

ABSTRACT

In this work, we take the first step towards formal verification of Remote Attestation (RA) by designing and verifying an architecture called VRASED: Verifiable Remote Attestation for Simple Embedded Devices. VRASED instantiates a hybrid (HW/SW) RA co-design aimed at low-end embedded systems, e.g., simple IoT devices. VRASED provides a level of security comparable to HW-based approaches, while relying on SW to minimize additional HW costs. Since security properties must be jointly guaranteed by HW and SW, verification is a challenging task, which has never been attempted before in the context of RA. We believe that VRASED is the first formally verified RA scheme. To the best of our knowledge, it is also the first formal verification of a HW/SW implementation of any security service. To demonstrate VRASED's practicality and low overhead, we instantiate and evaluate it on a commodity platform (TI MSP430). VRASED's publicly available implementation was deployed on the Basys3 FPGA.

研究の動機と目的

• リモート認証（RA）システム、特に低価格の組み込みデバイスにおいて形式的検証が不足しているという問題に対処すること。
• ハードウェアとソフトウェアの両方のコンponentを共同で検証する形式的検証済みハイブリッドRAアーキテクチャのギャップを埋めること。
• リソース制限のあるIoTデバイスに適した、最小限で効率的なRAシステムを設計し、形式的検証によるセキュリティ保証を提供すること。
• TI MSP430やBasys3 FPGAといった商用プラットフォーム上でVRASEDを実装・検証することで、実用性を示すこと。
• 将来的な研究の基準となるように、セキュリティサービスの形式的検証によるハードウェア/ソフトウェア共同設計のための手法を確立すること。

提案手法

• 形式的検証済みHMAC実装（HACL*）を活用したハイブリッドハードウェア/ソフトウェア共同設計としてのVRASEDの設計。
• Isabelle/HOL定理プローバーを用いた形式的仕様と検証により、低レベルのハードウェア動作からエンドツーエンドのRAセキュリティ特性まで、スタック全体を検証すること。
• ハードウェアとソフトウェアの相互作用について形式的推論を可能にするために、MSP430マイコンの動作を公理とLTL仕様でモデル化すること。
• 形式的手法を用いてVerilogでハードウェア設計を検証し、すべての実行パスで正しく動作することを保証すること。
• 検証済みソフトウェアとハードウェアコンポーネントを統合し、完全でエンドツーエンドの検証済みRAプロトコルを構築すること。
• TI MSP430およびBasys3 FPGAに検証済み実装をデプロイすることで、実用性と低オーバーヘッドを実証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハードウェアとソフトウェアコンポーネントを含め、リモート認証のハイブリッドハードウェア/ソフトウェア共同設計を、基礎から形式的検証できるか。
• RQ2 低価格の組み込みシステムにおいて、形式的検証されたリモート認証を実現するために、最小限のハードウェアおよびソフトウェアオーバーヘッドはどれほど必要か。
• RQ3 形式的検証技術をどのように適用することで、整合性や機密性などのセキュリティ特性が共同設計されたRAシステムで保持されるか。
• RQ4 形式的検証済みRAシステムを、MSP430のような商用低価格プラットフォームに実際にデプロイできるか。
• RQ5 形式的検証済みRAシステムは、非検証済みの同等物と比較して、性能とリソースのトレードオフはどのようになるか。

主な発見

• VRASEDは、ハードウェア、ソフトウェア、それらの組み合わせを含むすべての信頼されるコンポーネントが機械検証された証明によって検証された、最初の形式的検証済みリモート認証方式である。
• VRASEDのハードウェアオーバーヘッドは最小限であり、Basys3 FPGAでは追加で0.8%のLUTと0.5%のレジスタしか必要としない。
• 4KBのメモリに対する総認証時間は360万サイクルであり、SMART（920万サイクル）を上回り、SANCUS（130万サイクル）に近い性能を達成している。
• 検証済みソフトウェアコンポーネントはHACL*を採用しており、これは形式的検証済み暗号ライブラリであり、HMAC計算の正しさを保証している。
• 実装はMSP430およびBasys3 FPGAに正常にデプロイされ、実用性と低リソース消費量が実証された。
• 形式的検証により、従来の設計では未知の脆弱性が発見された。例えば、SMARTにおける割り込み無効化の非アトミック性が明らかになった。これは検証の価値を示している。