[论文解读] Partial Order Reduction for Security Protocols

David Baelde, Stéphanie Delaune+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2015

Advanced Authentication Protocols Security参考文献 3被引用 14

一句话总结

本文提出了用于安全协议符号模型检测的偏序约简（POR）技术，通过消除符号执行中的冗余轨迹，显著提升了可扩展性。通过结合基于极性的压缩与数据感知的约简，该方法优化了匿名性与不可链接性等性质的轨迹等价性检查，实验验证表明在 Apte 工具中性能提升显著。

ABSTRACT

Security protocols are concurrent processes that communicate using cryptography with the aim of achieving various security properties. Recent work on their formal verification has brought procedures and tools for deciding trace equivalence properties (e.g., anonymity, unlinkability, vote secrecy) for a bounded number of sessions. However, these procedures are based on a naive symbolic exploration of all traces of the considered processes which, unsurprisingly, greatly limits the scalability and practical impact of the verification tools. In this paper, we overcome this difficulty by developing partial order reduction techniques for the verification of security protocols. We provide reduced transition systems that optimally eliminate redundant traces, and which are adequate for model-checking trace equivalence properties of protocols by means of symbolic execution. We have implemented our reductions in the tool Apte, and demonstrated that it achieves the expected speedup on various protocols.

研究动机与目标

• 为解决现有工具在验证安全协议中轨迹等价性性质时可扩展性差的问题。
• 减少符号执行中对所有并发交错进行朴素探索所导致的状态空间爆炸问题。
• 开发与符号执行兼容的 POR 技术，同时利用结构依赖与数据依赖。
• 在保留安全性质语义等价性的前提下，实现冗余轨迹的最优约简。
• 在 Apte 验证工具中实现并评估该方法，以实现实际影响。

提出的方法

• 引入基于极性的压缩语义，通过动作类型（输入/输出）限制轨迹交错，无需数据分析。
• 设计一种利用约束求解器推断的数据依赖关系的约简语义，进一步消除冗余轨迹。
• 定义一种新关系 ≈r+i，用于在动作确定性条件下比较配置，确保轨迹等价性得以保持。
• 通过将轨迹分解为有效块与无效块，来推理动作的独立性与可重排性。
• 通过扩展 Apte 工具中的约束求解过程来实现该约简，支持实际部署。
• 将该方法应用于带密码原原子的进程代数，通过复制支持无界会话，并通过带标签的转移建模环境知识。

实验结果

研究问题

• RQ1 偏序约简能否有效应用于安全协议的符号模型检测，以减少冗余轨迹的探索？
• RQ2 如何结合基于极性的压缩与数据感知的约简，以最优方式消除符号执行中的冗余轨迹？
• RQ3 POR 技术在多大程度上可无缝集成到现有符号验证工具（如 Apte）中，且不损害正确性？
• RQ4 所提出的约简是否能保持匿名性与不可链接性等安全性质的轨迹等价性？
• RQ5 在实际应用中，将 POR 应用于现实世界的安全协议时，可实现多大的性能提升？

主要发现

• 所提出的压缩与约简技术显著减少了符号执行过程中探索的冗余轨迹数量。
• 在 Apte 工具中的实现对多种安全协议实现了可测量的速度提升，证明了实际可扩展性的改进。
• 在动作确定性条件下，该约简可实现冗余轨迹的最优消除，确保无正确性损失。
• 该方法与符号执行兼容，并能与验证工具中使用的约束求解过程无缝集成。
• 实验结果证实，理论上的约简可有效转化为实际性能提升。
• 该方法实现了对匿名性与不可链接性等轨迹等价性性质的大规模验证，克服了先前工具的局限性。