[论文解读] Wys*: A Verified Language Extension for Secure Multi-party Computations

Aseem Rastogi, Nikhil Swamy+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2015

Security and Verification in Computing被引用 4

一句话总结

WYS* 是一种针对安全多方计算（MPC）的经过形式化验证的领域特定语言扩展，以 F* 为嵌入式 DSL 实现。它通过深度嵌入和机制化元理论，实现了对 MPC 程序的形式化验证，并提取出一个正确性保证的解释器。这是首个同时提供源程序形式化验证和经过验证的实现的 MPC DSL。

ABSTRACT

Secure multi-party computation (MPC) enables a set of mutually distrusting parties to cooperatively compute, using a cryptographic protocol, a function over their private data. This paper presents WYS*, a new domain-specific language (DSL) implementation for writing MPCs. WYS* is a Verified, Domain-Specific Integrated Language Extension (VDSILE), a new kind of embedded DSL hosted in F*, a full-featured, verification-oriented programming language. WYS* source programs are essentially F* programs written against an MPC library, meaning that programmers can use F*'s logic to verify the correctness and security properties of their programs. To reason about the distributed semantics of these programs, we formalize a deep embedding of WYS*, also in F*. We mechanize the necessary metatheory to prove that the properties verified for the WYS* source programs carry over to the distributed, multi-party semantics. Finally, we use F*'s extraction mechanism to extract an interpreter that we have proved matches this semantics, yielding a verified implementation. WYS* is the first DSL to enable formal verification of source MPC programs, and also the first MPC DSL to provide a verified implementation. With WYS* we have implemented several MPC protocols, including private set intersection, joint median, and an MPC-based card dealing application, and have verified their security and correctness.

研究动机与目标

• 解决现有领域特定语言在 MPC 程序中缺乏形式化验证支持的问题。
• 使开发人员能够使用高级、经过验证的编程语言，编写并验证 MPC 协议，以获得强大的安全性和正确性保证。
• 弥合 MPC 中高层程序验证与分布式多参与方执行语义之间的差距。
• 通过从 F* 中的深度嵌入提取出一个正确性保证的解释器，实现 MPC 协议的经过验证的实现。
• 通过实现并验证真实世界 MPC 协议（如私有集合交集和发牌协议）来证明该方法的实用性。

提出的方法

• WYS* 作为嵌入在 F* 中的领域特定语言实现，利用 F* 的依赖类型和验证能力。
• 在 F* 中形式化定义了 WYS* 的深度嵌入，以机器可检查的方式表示该语言的语法和语义。
• 在 F* 中机制化了元理论，以证明在源程序级别验证的性质在分布式执行语义下仍然保持不变。
• 利用深度嵌入定义了 WYS* 程序的语义，以捕捉其多参与方、分布式的行为特征。
• 使用 F* 的提取机制从深度嵌入中提取出一个解释器，并附带一个证明，表明其与形式化语义一致。
• 整个端到端流程——从源程序到经过验证的实现——均使用 F* 的验证框架进行了形式化验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能够对 MPC 的领域特定语言在源码级别进行形式化验证，同时在分布式执行环境下保持安全性和正确性？
• RQ2 是否可能对 MPC DSL 的元理论进行机制化，以确保在源码级别验证的性质在分布式环境中依然成立？
• RQ3 是否能够从验证导向语言中深度嵌入的 DSL 自动提取出一个经过验证的、正确性保证的 MPC DSL 实现？
• RQ4 如何利用高级、经过验证的编程语言（如 F*）来构建并验证端到端的 MPC 协议？
• RQ5 所提出的方法是否能够实际应用于实现并验证真实世界的 MPC 协议，如私有集合交集和联合中位数计算？

主要发现

• WYS* 是首个提供源程序形式化验证的 MPC DSL，通过 F* 的验证逻辑确保正确性和安全性。
• 在 F* 中对 WYS* 的深度嵌入支持对分布式语义的精确推理，其元理论保证了语义的合理性。
• 提取出的解释器被形式化证明与深度嵌入的语义一致，从而确保了实现的正确性。
• 该方法已成功应用于验证多个 MPC 协议，包括私有集合交集、联合中位数和发牌协议。
• F* 的集成使开发人员能够对 MPC 程序使用完整的验证技术，显著降低了实现错误的风险。
• 该工作表明，从高层规格到经过验证的实现，对 MPC 系统进行端到端验证是可行且实用的。