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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:bsz:291-scidok-2966
URL: http://scidok.sulb.uni-saarland.de/volltexte/2004/296/


Cryptographically sound analysis of security protocols

Backes, Michael

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SWD-Schlagwörter: Sicherheitsprotokoll ; Verifikation ; Formale Methode ; Automatisches Beweisverfahren
Institut: Fachrichtung 6.2 - Informatik
DDC-Sachgruppe: Informatik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Prof. Dr. Birgit Pfitzmann
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 15.04.2002
Erstellungsjahr: 2002
Publikationsdatum: 12.07.2004
Kurzfassung auf Englisch: In this thesis, we show how formal methods can be used for the cryptographically sound verification of concrete implementations of security protocols in order to obtain trustworthy and meaningful proofs, and to eliminate human inaccuracies. First, we show how to derive secure concrete implementations of a given abstract specification. The security proofs are essentially based on the well-established approach of bisimulation which can be formally verified yielding rigorous proofs. As an example, we present both a specification and a secure implementation of secure message transmission with ordered channels. Moreover, the example comprises a general methodology how secure implementation of arbitrary specifications can be obtained. Thereafter, we concentrate on the actual goals the protocol should fulfill. Thus, we define integrity properties in our underlying model and we show that logic derivations among them carry over specification to the concrete implementation, which makes them accessible for tool-assisted verification. As an example, we formally verify one concrete protocol using the theorem prover PVS yielding the first machine-aided and sound proof of a cryptographic protocol. As additional properties of security protocols, we consider liveness and noninterference. The standard definition of these properties is not suited to cope with protocols involving real cryptographic primitives, so we introduce new definitions which are restricted to polynomial runs and include error probabilities. We show that both properties carry over from the specification to the concrete implementation, and we present two examples, one for each property, which we prove to fulfill our definitions.
Kurzfassung auf Deutsch: Diese Arbeit behandelt formale Verifikation von Sicherheitsprotokollen mit dem Ziel,maschinell verifizierte Beweise zu ermöglichen, die die kryptographische Semantik respektieren, d.h., deren Aussagen bzgl. der zugrundeliegenden Kryptographie und den kryptographischen Sicherheitsdefinitionen gültig sind (engl. cryptographically sound proofs).Als erstes zeigen wir, wie formale Methoden benutzt werden können, um sichere konkrete Implementationen anhand einer gegebenen abstrakten Spezifikation herzuleiten. Wir geben dafür eine allgemeingültige Methodologie an, die auf formal verifizierten Bisimulationen basiert, was uns rigorose und glaubhafte Sicherheitsbeweise liefert. Als
Beispiel geben wir eine Spezifikation und eine konkrete Implementation für sichere geordnete Nachrichtenübertragung an. Die im Sicherheitsbeispiel der Implementation auftretende Bisimulation verifizieren wir mit Hilfe des Theorembeweisers PVS. Als zweites konzentrieren wir uns auf die Ziele, die ein Sicherheitsprotokoll erfüllen soll. Wir definieren Integritätseigenschaften in unserem zugrundeliegenden Modell, und wir beweisen, dass sich logische Schlussfolgerungen bzgl. dieser Eigenschaften von der Spezifikation auf die Implementation übertragen, was eine essentielle Voraussetzung für maschinelle Verifikation darstellt. Als Beispiel verifizieren wir ein konkretes Protokoll mit Hilfe des Theorembeweisers PVS, was uns den ersten Beweis eines Sicherheitsprotokolls liefert, der sowohl maschinell verifiziert ist als auch
der kryptographischen Semantik "treu'; bleibt, d.h., der wirklich ein Beweis gegen die kryptographischen Primitive und deren kryptographische Sicherheitsdefinitionen ist. Als zusätzliche Eigenschaften von Sicherheitsprotokollen betrachten wir Lebendigkeit (engl. liveness) und Unbeeinflussbarkeit (engl. non-interference). Da sich die Standarddefinition dieser wichtigen Eigenschaften als ungeeignet für echte Kryptographie
herausstellt, führen wir allgemeinere Definitionen ein, die auf polynomielle Länge beschränkt sind und Fehlerwahrscheinlichkeiten berücksichtigen.Wir zeigen, dass sich diese Eigenschaften von der Spezifikation auf die Implementation übertragen,was wiederum den Bezug zu formalen Methoden herstellt. Wir präsentieren zwei Beispiele, je eines für jede Eigenschaft, von denen wir beweisen, dass sie die entsprechende Definition erfüllen.

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