Foundations for analyzing security APIs in the symbolic and computational model

par Robert Künnemann

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Graham Steel.

Le jury était composé de Hubert Comon-Lundh, Joshua Guttman, Thomas Jensen, David Pointcheval, Steve Kremer.

Les rapporteurs étaient Ralf Küsters, Matteo Maffei.

  • Titre traduit

    Fondations d'analyse de APIs de sécurité dans le modèle symbolique et calculatoire


  • Résumé

    Dans une infrastructure logicielle, les systèmes critiques ont souvent besoin de garder des clés cryptographiques sur des HSM ou des serveurs consacrés à la gestion de clés. Ils ont pour but de séparer les opérations cryptographiques, très critiques, du reste du réseau, qui est plus vulnérable. L'accès aux clés est fourni au travers des APIs de sécurité, comme par exemple le standard PKCS#11 de RSA, CCA d'IBM, ou encore l'API du TPM, qui ne permettent qu'un accès indirect aux clés. Cette thèse est composée de deux parties. La première introduit des méthodes formelles qui ont pour but l'identification des configurations dans lesquelles les APIs de sécurité peuvent améliorer le niveau de sûreté des protocoles existants, par exemple en cas de compromission d'un participant. Un paradigme prometteur considère les APIs de sécurité comme des participants d'un protocole afin d'étendre l'emploi des méthodes traditionnelles d'analyse de protocole à ces interfaces. À l'opposé des protocoles réseau, les APIs de sécurité utilisent souvent une base de données interne. Ces outils traditionnels d'analyse ne sont adaptés que pour le cas où le nombre des clés est borné a priori. Nous exposons également des arguments pour l'utilisation de la réécriture de multi-ensembles (MSR), lors de la vérification. De plus, nous proposons un langage dérivant du pi-calcul appliqué possédant des opérateurs qui permettent la manipulation d'un état explicite. Ce langage se traduit en règles MSR en préservant des propriétés de sécurité qui s'expriment dans une logique de premier ordre. La traduction a été implémentée sous forme d'un prototype produisant des règles spécifiquement adapté au prouveur tamarin. Plusieurs études de cas, dont un fragment de PKCS#11, le jeton d'authentification Yubikey, et un protocole de signature de contrat optimiste ont été effectuées. Le deuxième partie de la présente thèse a pour but l'identification des propriétés de sécurité qui a) peuvent être établies indépendamment du protocole b) permettent de trouver des failles au niveau de la cryptographie b) facilitent l'analyse des protocoles utilisant cette API de sécurité. Nous adoptons ici l'approche plus générale de Kremer et al. dans un cadre qui permet la composition universelle, à travers une fonctionnalité de gestion de clés. La nouveauté de ce genre de définition est qu'elle dépend des opérations mises à disposition par l'API. Ceci est seulement possible grâce à la composition universelle. Une API de sécurité n'est sûre que si elle réalise correctement la gestion des clés (selon la fonctionnalité présentée dans ce travail) et les opérations utilisant les clés (selon les fonctionalités qui les définissent). Pour finir, nous présentons aussi une implémentation de gestion de clés définie par rapport à des opérations arbitraires utilisant des clés non concernées par la gestion des clés. Cette réalisation représente ainsi un modèle générique pour le design des APIs de sécurité.


  • Résumé

    Security critical applications often store keys on dedicated HSM or key-management servers to separate highly sensitive cryptographic operations from more vulnerable parts of the network. Access to such devices is given to protocol parties by the means of Security APIs, e.g., the RSA PKCS#11 standard, IBM's CCA and the TPM API, all of which protect keys by providing an API that allows to address keys only indirectly. This thesis has two parts. The first part deals with formal methods that allow for the identification of secure configurations in which Security APIs improve the security of existing protocols, e.g., in scenarios where parties can be corrupted. A promising paradigm is to regard the Security API as a participant in a protocol and then use traditional protocol analysis techniques. But, in contrast to network protocols, Security APIs often rely on the state of an internal database. When it comes to an analysis of an unbounded number of keys, this is the reason why current tools for protocol analysis do not work well. We make a case for the use of MSR as the back-end for verification and propose a new process calculus, which is a variant of the applied pi calculus with constructs for manipulation of a global state. We show that this language can be translated to MSR rules while preserving all security properties expressible in a dedicated first-order logic for security properties. The translation has been implemented in a prototype tool which uses the tamarin prover as a back-end. We apply the tool to several case studies among which a simplified fragment of PKCS#11, the Yubikey security token, and a contract signing protocol. The second part of this thesis aims at identifying security properties that a) can be established independent of the protocol, b) allow to catch flaws on the cryptographic level, and c) facilitate the analysis of protocols using the Security API. We adapt the more general approach to API security of Kremer et.al. to a framework that allows for composition in form of a universally composable key-management functionality. The novelty, compared to other definitions, is that this functionality is parametric in the operations the Security API allows, which is only possible due to universal composability. A Security API is secure if it implements correctly both key-management (according to our functionality) and all operations that depend on keys (with respect to the functionalities defining those operations). We present an implementation which is defined with respect to arbitrary functionalities (for the operations that are not concerned with key-management), and hence represents a general design pattern for Security APIs.


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