On the security of authentication protocols on the web

par Antoine Delignat-Lavaud

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Karthikeyan Bhargavan.

  • Titre traduit

    La sécurité des protocoles d’authentification sur leWeb


  • Résumé

    Est-il possible de démontrer un théorème prouvant que l’accès aux données confidentielles d’un utilisateur d’un service Web (tel que GMail) nécessite la connaissance de son mot de passe, en supposant certaines hypothèses sur ce qu’un attaquant est incapable de faire (par exemple, casser des primitives cryptographiques ou accéder directement aux bases de données de Google), sans toutefois le restreindre au point d’exclure des attaques possibles en pratique?Il existe plusieurs facteurs spécifiques aux protocoles du Web qui rendent impossible une application directe des méthodes et outils existants issus du domaine de l’analyse des protocoles cryptographiques.Tout d’abord, les capacités d’un attaquant sur le Web vont largement au-delà de la simple manipulation des messages échangés entre le client et le serveur sur le réseau. Par exemple, il est tout à fait possible (et même fréquent en pratique) que l’utilisateur ait dans son navigateur un onglet contenant un site contrôlé par l’adversaire pendant qu’il se connecte à sa messagerie (par exemple, via une bannière publicitaire) ; cet onglet est, comme n’importe quel autre site, capable de provoquer l’envoi de requêtes arbitraires vers le serveur de GMail, bien que la politique d’isolation des pages du navigateur empêche la lecture directe de la réponse à ces requêtes. De plus, la procédure pour se connecter à GMail implique un empilement complexe de protocoles : tout d’abord, un canal chiffré, et dont le serveur est authentifié, est établi avec le protocole TLS ; puis, une session HTTP est créée en utilisant un cookie ; enfin, le navigateur exécute le code JavaScript retourné par le client, qui se charge de demander son mot de passe à l’utilisateur.Enfin, même en imaginant que la conception de ce système soit sûre, il suffit d’une erreur minime de programmation (par exemple, une simple instruction goto mal placée) pour que la sécurité de l’ensemble de l’édifice s’effondre.Le but de cette thèse est de bâtir un ensemble d’outils et de librairies permettant de programmer et d’analyser formellement de manière compositionelle la sécurité d’applicationsWeb confrontées à un modère plausible des capacités actuelles d’un attaquant sur le Web. Dans cette optique, nous étudions la conception des divers protocoles utilisés à chaque niveau de l’infrastructure du Web (TLS, X.509, HTTP, HTML, JavaScript) et évaluons leurs compositions respectives. Nous nous intéressons aussi aux implémentations existantes et en créons de nouvelles que nous prouvons correctes afin de servir de référence lors de comparaisons. Nos travaux mettent au jour un grand nombre de vulnérabilités aussi bien dans les protocoles que dans leurs implémentations, ainsi que dans les navigateurs, serveurs, et sites internet ; plusieurs de ces failles ont été reconnues d’importance critiques. Enfin, ces découvertes ont eu une influence sur les versions actuelles et futures du protocole TLS.


  • Résumé

    As ever more private user data gets stored on the Web, ensuring proper protection of this data (in particular when it transits through untrusted networks, or when it is accessed by the user from her browser) becomes increasingly critical. However, in order to formally prove that, for instance, email from GMail can only be accessed by knowing the user’s password, assuming some reasonable set of assumptions about what an attacker cannot do (e.g. he cannot break AES encryption), one must precisely understand the security properties of many complex protocols and standards (including DNS, TLS, X.509, HTTP, HTML,JavaScript), and more importantly, the composite security goals of the complete Web stack.In addition to this compositional security challenge, onemust account for the powerful additional attacker capabilities that are specific to the Web, besides the usual tampering of network messages. For instance, a user may browse a malicious pages while keeping an active GMail session in a tab; this page is allowed to trigger arbitrary, implicitly authenticated requests to GMail using JavaScript (even though the isolation policy of the browser may prevent it from reading the response). An attacker may also inject himself into honest page (for instance, as a malicious advertising script, or exploiting a data sanitization flaw), get the user to click bad links, or try to impersonate other pages.Besides the attacker, the protocols and applications are themselves a lot more complex than typical examples from the protocol analysis literature. Logging into GMail already requires multiple TLS sessions and HTTP requests between (at least) three principals, representing dozens of atomic messages. Hence, ad hoc models and hand written proofs do not scale to the complexity of Web protocols, mandating the use of advanced verification automation and modeling tools.Lastly, even assuming that the design of GMail is indeed secure against such an attacker, any single programming bug may completely undermine the security of the whole system. Therefore, in addition to modeling protocols based on their specification, it is necessary to evaluate implementations in order to achieve practical security.The goal of this thesis is to develop new tools and methods that can serve as the foundation towards an extensive compositional Web security analysis framework that could be used to implement and formally verify applications against a reasonably extensive model of attacker capabilities on the Web. To this end, we investigate the design of Web protocols at various levels (TLS, HTTP, HTML, JavaScript) and evaluate their composition using a broad range of formal methods, including symbolic protocol models, type systems, model extraction, and type-based program verification. We also analyze current implementations and develop some new verified versions to run tests against. We uncover a broad range of vulnerabilities in protocols and their implementations, and propose countermeasures that we formally verify, some of which have been implemented in browsers and by various websites. For instance, the Triple Handshake attack we discovered required a protocol fix (RFC 7627), and influenced the design of the new version 1.3 of the TLS protocol.


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