[论文解读] Automatic Methods for Analyzing Non-Repudiation Protocols with an Active Intruder

Francis Klay, Judson Santos Santiago+1 more|ArXiv.org|Oct 17, 2007

Advanced Authentication Protocols Security参考文献 16被引用 4

一句话总结

本文提出了一种新颖的、基于注解的自动分析方法，用于在密码学协议中分析不可否认性与公平性，通过追踪协议参与方的信念知识实现。该方法在AVISPA工具中实现，检测到乐观Cederquist-Corin-Dashti（CCD）协议中此前未知的攻击，证明其因存在时序和攻击者引发的竞争条件而缺乏公平性，并展示了该方法在不修改底层分析引擎的前提下具有广泛的适用性。

ABSTRACT

Non-repudiation protocols have an important role in many areas where secured transactions with proofs of participation are necessary. Formal methods are clever and without error, therefore using them for verifying such protocols is crucial. In this purpose, we show how to partially represent non-repudiation as a combination of authentications on the Fair Zhou-Gollmann protocol. After discussing its limits, we define a new method based on the handling of the knowledge of protocol participants. This method is very general and is of natural use, as it consists in adding simple annotations, like for authentication problems. The method is very easy to implement in tools able to handle participants knowledge. We have implemented it in the AVISPA Tool and analyzed the optimistic Cederquist-Corin- Dashti protocol, discovering two unknown attacks. This extension of the AVISPA Tool for handling non-repudiation opens a highway to the specification of many other properties, without any more change in the tool itself.

研究动机与目标

• 为解决密码学协议中公平性与不可否认性验证缺乏自动化工具的问题。
• 克服将不可否认性建模为认证属性组合的局限性，因为该方法无法捕捉公平性与证据对称性。
• 开发一种通用且可扩展的方法，通过形式化验证工具中的简单注解来指定不可否认性与公平性属性。
• 实现对现实世界不可否认性协议中细微缺陷（如基于时序的攻击和攻击者利用）的检测。
• 在不修改其核心验证引擎的前提下，扩展AVISPA工具以支持不可否认性分析。

提出的方法

• 该方法使用逻辑断言（如\texttt{aknows}(A,s,M)）对协议参与方的信念知识进行建模，以表示每个代理在特定状态下的已知信息。
• 引入简单的注解（类似于用于认证的注解），以表达不可否认性与公平性要求。
• 该方法使用状态不变量机制，编码参与方必须同时拥有消息和收据证据才能证明其参与的条件。
• 扩展AVISPA工具以处理这些信念断言，并在协议执行轨迹中验证其正确性。
• 通过指定要求双方均获得完整证据的不变量，将该方法应用于CCD协议，并检查是否存在违反情况。
• 分析利用AVISPA现有的模型检测与符号执行能力，检测公平性失败的执行轨迹。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否仅通过信念断言即可在不修改底层验证引擎的前提下，对密码学协议中的不可否认性与公平性进行形式化验证？
• RQ2 为何将不可否认性建模为多个认证属性的组合，无法捕捉Fair Zhou-Gollmann协议中的公平性？
• RQ3 活跃攻击者是否能通过利用时序或消息延迟，在乐观不可否认性协议中破坏公平性？
• RQ4 Cederquist-Corin-Dashti（CCD）协议中是否存在此前未被发现、违反其公平性保证的缺陷？
• RQ5 所提出的基于注解的方法是否可在无需重新实现工具的前提下，复用于不同的不可否认性协议？

主要发现

• 该方法成功检测到Cederquist-Corin-Dashti（CCD）协议中两个此前未知的攻击，证明其不提供公平性。
• 第一种攻击发生在网络延迟导致一方中止而另一方完成时，尽管双方均为诚实方，但证据掌握出现不对称。
• 第二种攻击涉及恶意攻击者拦截第一条消息，并在诚实方中止前触发TTP的解决操作，使攻击者获得完整证据，而诚实方无法获得。
• 协议经修正后，所有后续在修订版本上的验证场景均未发现攻击，确认缺陷源于原始设计。
• 该方法具有通用性与可重用性：仅通过注解即可在任何协议中指定不可否认性与公平性，无需修改AVISPA核心引擎。
• 该方法在有界验证中效率较高，并为在相同框架中指定其他安全属性打开了大门。