[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出 VRASED，这是首个针对低端嵌入式系统中远程认证的软硬件协同设计形式化验证方案。通过结合形式化验证的 HMAC 实现与经过验证的硬件设计，VRASED 在极低硬件开销下确保端到端的安全属性，其正确性通过在已验证的协同设计框架中进行机器可检查的证明来实现。

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.

研究动机与目标

• 为解决远程认证（RA）系统中缺乏形式化验证的问题，特别是针对低端嵌入式设备的问题。
• 填补在联合验证硬件与软件组件的已形式化验证混合 RA 架构方面的空白。
• 设计一种最小化、高效的 RA 系统，适用于资源受限的物联网设备，并提供可证明的安全保证。
• 通过在如 MSP430 和 Basys3 FPGA 等通用平台实现并验证 VRASED，证明其可行性。
• 建立一种形式化验证安全服务软硬件协同设计的方法论，为未来工作树立先例。

提出的方法

• 将 VRASED 设计为一种混合软硬件协同设计，利用形式化验证的 HMAC 实现（HACL*）以保障加密完整性。
• 使用 Isabelle/HOL 定理证明器进行形式化规格说明与验证，覆盖从底层硬件行为到端到端 RA 安全属性的整个栈。
• 使用公理和 LTL 规范建模 MSP430 微控制器的行为，以支持对硬件-软件交互的形式化推理。
• 使用形式化方法验证 Verilog 中的硬件设计，确保所有执行路径下行为正确。
• 将经过验证的软件与硬件组件集成，形成完整、端到端验证的 RA 协议。
• 在 TI MSP430 和 Basys3 FPGA 上部署经验证的实现，以证明其可行性与低开销。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否从底层开始对远程认证的混合软硬件协同设计进行形式化验证，包括硬件与软件组件？
• RQ2 在低端嵌入式系统中实现形式化验证的远程认证，所需的最小硬件与软件开销是多少？
• RQ3 如何应用形式化验证技术，以确保在协同设计的 RA 系统中，完整性与机密性等安全属性得以保持？
• RQ4 形式化验证的 RA 系统能否实际部署在如 MSP430 等通用低端平台？
• RQ5 与非验证的同类系统相比，形式化验证 RA 系统在性能与资源使用方面存在哪些权衡？

主要发现

• VRASED 是首个形式化验证的远程认证方案，其所有可信组件——包括硬件、软件及其组合——均通过机器可检查的证明进行了验证。
• VRASED 的硬件开销极低，在 Basys3 FPGA 上仅增加 0.8% 的 LUT 和 0.5% 的寄存器。
• 对 4KB 内存的总认证时间仅为 360 万个 CPU 周期，优于 SMART（920 万个周期），并接近 SANCUS（130 万个周期）。
• 经验证的软件组件使用 HACL*，一个形式化验证的密码学库，确保 HMAC 计算的正确性。
• 该实现已成功部署于 MSP430 和 Basys3 FPGA 上，证明了其可行性与低资源消耗。
• 形式化验证揭示了先前设计中未知的漏洞，例如 SMART 中中断禁用的非原子性，凸显了形式化验证的价值。