Reducing hardware TCB in favor of certifiable virtual machine monitor

par François Serman

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Gilles Grimaud et de Michaël Hauspie.


  • Résumé

    Cette thèse a pour objet la conception d'un hyperviseur logiciel sécurisé, à vocation de certification. Les plus hauts niveaux de certification requièrent l'usage de méthodes formelles, permettant de démontrer la validité d'un produit par rapport à une spécification à l'aide de la logique mathématique. Le matériel prouvé n'existant pas, les mécanismes d'hypervision sont implémentés en logiciel. Cela contribue à réduire la base de confiance, et donc la quantité de modélisation et de preuve à produire. En outre, cela rend possible la virtualisation de systèmes sur des plateformes qui ne sont pas dotées d'instructions de virtualisation. Les principaux challenges sont l'analyse du jeu d'instruction qui, malgré l'existence de documentation, comporte des ambiguïtés, des particularités dépendantes de l'implémentation et des comportements non définis. Puis, l'identification des intensions d'un système invité étant donné un flot d'instructions discret afin de rester en interposition avec le matériel sous-jacent. Pour ce faire, le code machine de l'invité est analysé et les instructions menaçant l'intégrité ou la confidentialité du système sont remplacées par des trapes logicielles, provoquant une analyse du contexte afin d'autoriser ou non leur exécution. Reposant sur l'existence d'un CPU et d'une MMU prouvés, seul du code privilégié est susceptible d'outrepasser les droits d'accès configurés par l'hyperviseur. Il n'est donc pas nécessaire d'hyperviser le code non privilégié. Les micro-noyau, généralement choisis pour leur légèreté, ont donc un second avantage : ils réduisent au minimum le surcoût de l’hypervision.

  • Titre traduit

    Réduction des besoins de confiance matérielle pour le développement d'un hyperviseur certifié


  • Résumé

    This thesis presents the design of a secured, software based hypervisor for certification purposes. The highest levels of certification require formal methods, which demonstrate the correctness of a product with regard to its specification using mathematical logic. Proven hardware is not available off-the-shelf. In order to reduce the Trusted Computing Base (TCB) and hence, the amount of specification and proofs to produce, virtualization mechanism are software-made. In addition, this enables virtualization on platforms which do not have virtualization-enabled hardware. The challenge for achieving this goal is twofold. On one hand, despite an existing documentation, the instruction set to be analysed has tedious corner cases, implementation-dependant behaviour or even worse, undefined behaviour. On the other hand to infer the system behaviors has to be infered given a discrete instruction flow, in order to remain interposed between the guest and the underlying hardware. For achieving this, the guest's machine code is analysed, and sensitive instructions (which threaten confidentiality or integrity) are replaced by traps, which enable arbitration given the actual guest context. Relying on hypothetically proven processor and memory management unit, only privileged code may bypass the configuration setup by the hypervisor and access the hardware. Thus, analysing unprivileged code is worthless in this case. Micro-kernel design which tends to offload most of the code in userspace, are suitable here. Using that paradigm reduces the overhead induced by certified virtualization.


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