On Time-sensitive Control Dependencies

We present efficient algorithms for time-sensitive control dependencies (CDs). If statement y is time-sensitively control dependent on statement x, then x decides not only whether y is executed but also how many timesteps after x. If y is not standard control dependent on x, but time-sensitively control dependent, then y will always be executed after x, but the execution time between x and y varies. This allows us to discover, e.g., timing leaks in security-critical software. We systematically develop properties and algorithms for time-sensitive CDs, as well as for nontermination-sensitive CDs. These work not only for standard control flow graphs (CFGs) but also for CFGs lacking a unique exit node (e.g., reactive systems). We show that Cytron’s efficient algorithm for dominance frontiers [10] can be generalized to allow efficient computation not just of classical CDs but also of time-sensitive and nontermination-sensitive CDs. We then use time-sensitive CDs and time-sensitive slicing to discover cache timing leaks in an AES implementation. Performance measurements demonstrate scalability of the approach

CommCSL: Proving Information Flow Security for Concurrent Programs using Abstract Commutativity

Information flow security ensures that the secret data manipulated by a program does not influence its observable output. Proving information flow security is especially challenging for concurrent programs, where operations on secret data may influence the execution time of a thread and, thereby, the interleaving between different threads. Such internal timing channels may affect the observable outcome of a program even if an attacker does not observe execution times. Existing verification techniques for information flow security in concurrent programs attempt to prove that secret data does not influence the relative timing of threads. However, these techniques are often restrictive (for instance because they disallow branching on secret data) and make strong assumptions about the execution platform (ignoring caching, processor instructions with data-dependent runtime, and other common features that affect execution time). In this paper, we present a novel verification technique for secure information flow in concurrent programs that lifts these restrictions and does not make any assumptions about timing behavior. The key idea is to prove that all mutating operations performed on shared data commute, such that different thread interleavings do not influence its final value. Crucially, commutativity is required only for an abstraction of the shared data that contains the information that will be leaked to a public output. Abstract commutativity is satisfied by many more operations than standard commutativity, which makes our technique widely applicable. We formalize our technique in CommCSL, a relational concurrent separation logic with support for commutativity-based reasoning, and prove its soundness in Isabelle/HOL. We implemented CommCSL in HyperViper, an automated verifier based on the Viper verification infrastructure, and demonstrate its ability to verify challenging examples

Verbesserrung der Datenflussüberwachung für Datennutzungskontrollsysteme

This thesis provides a new, hybrid approach in the field of Distributed Data Usage Control (DUC), to track the flow of data inside applications. A combination between static information flow analysis and dynamic data flow tracking enables to track selectively only those program locations that are actually relevant for a flow of data. This ensures the portability of a monitored application with low performance overhead. Beyond that, DUC systems benefit from the present approach as it reduces overapproximation in data flow tracking, and thus, provides a more precise result to enforce data usage restrictions.Diese Thesis liefert einen neuartigen hybriden Ansatz auf dem Gebiet von Distributed Data Usage Control (DUC), um den Datenfluss innerhalb einer Anwendung zu überwachen. Eine Kombination aus statischer Informationsflussanalyse und dynamischer Datenflussüberwachung ermöglicht die selektive, modulare Überwachung derjenigen Programmstellen, welche tatsächlich relevant für einen Datenfluss sind. Dadurch wird die Portabilität einer zu überwachenden Anwendung, bei geringem Performance Overhead, sichergestellt. DUC Systeme profitieren vom vorliegenden Ansatz vor allem dadurch, dass Überapproximation bei der Datenflussüberwachung reduziert wird, und somit ein präziseres Ergebnis für die Durchsetzung von Datennutzungsrestriktionen vorliegt

Combining Static and Dynamic Program Analysis Techniques for Checking Relational Properties

Die vorliegende Dissertation ist im Bereich der formalen Verifikation von Software angesiedelt. Sie behandelt die Überprüfung relationaler Eigenschaften von Computerprogrammen, d.h. solche Eigenschaften, die zwei oder mehr Programmausführungen betrachten. Die Dissertation konzentriert sich auf zwei spezifische relationale Eigenschaften: (1) Nichtinterferenz und (2) ob ein Programm ein Slice eines anderen Programms ist. Die Nichtinterferenz-Eigenschaft besagt, dass die Ausführung eines Programms mit den gleichen öffentlichen Eingaben die gleichen öffentlichen Ausgaben produziert und dies unabhängig von den geheimen Eingaben (z.B. eines Passworts) ist. Das bedeutet, dass die geheimen Eingaben die öffentlichen Ausgaben nicht beeinflussen. Programm-Slicing ist eine Technik zur Reduzierung eines Programms durch das Entfernen von Programmbefehlen, sodass ein spezifizierter Teil des Programmverhaltens erhalten bleibt, z.B. der Wert einer Variablen in einer Instruktion in dem Programm. Die Dissertation stellt Frameworks zur Verfügung, die es dem Nutzer ermöglichen, die obigen zwei Eigenschaften für ein gegebenes Programm zu analysieren. Die Dissertation erweitert den Stand der Technik in dem Bereich der Verifikation relationaler Eigenschaften, indem sie einerseits neue Ansätze zur Verfügung stellt und andererseits bereits existierende Ansätze miteinander kombiniert. Die Dissertation enthält jeweils einen Teil für die behandelten zwei relationalen Eigenschaften. $\textbf{Nichtinterferenz.}$ Das Framework zur Überprüfung der Nichtinterferenz stellt neue Ansätze für die automatische Testgenerierung und für das Debuggen des Programms zur Verfügung und kombiniert diese mit Ansätzen, die auf deduktiver Verifikation und Programmabhängigkeitsgraphen basieren. Der erste neue Ansatz ermöglicht die automatische Generierung von Nichtinterferenz-Tests. Er ermöglicht dem Nutzer, nach Verletzungen der Nichtinterferenz-Eigenschaft im Programm zu suchen und stellt zudem ein für relationale Eigenschaften passendes Abdeckungskriterium für die generierten Test-Suites zur Verfügung. Der zweite neue Ansatz ist ein relationaler Debugger zur Analyse von Nichtinterferenz-Gegenbeispielen. Er verwendet bekannte Konzepte des Programm-Debuggens und erweitert diese für die Analyse relationaler Eigenschaften. Um den Nutzer beim Beweisen der Nichtinterferenz-Eigenschaft zu unterstützen, kombiniert das Framework einen auf Programmabhängigkeitsgraphen basierenden Ansatz mit einem auf Logik basierenden Ansatz, der einen Theorembeweiser verwendet. Auf Programmabhängigkeitsgraphen basierende Ansätze berechnen die Abhängigkeiten zwischen den unterschiedlichen Programmteilen und überprüfen, ob die öffentliche Ausgabe von der geheimen Eingabe abhängt. Im Vergleich zu logik-basierten Ansätzen skalieren programmabhängigkeitsgraphen-basierte Ansätze besser. Allerdings, können sie Fehlalarme melden, da sie die Programmabhängigkeiten überapproximieren. Somit bestehen zwei weitere Beiträge des Frameworks in Kombinationen von programmabhängigkeitsgraphen- und logik basierten Ansätzen: (1) der programmabhängigkeitsgraphen basierte Ansatz vereinfacht das Programm, das danach vom logik basierten Ansatz überprüft wird und (2) der logik basierte Ansatz beweist, dass einige vom Programmabhängigkeitsgraphen-basierten Ansatz berechnete Abhängigkeiten Überapproximationen sind und aus der Analyse entfernt werden können. $\textbf{Programm-Slicing.}$ Der zweite Teil der Dissertation behandelt ein Framework für das automatische Programm-Slicing. Während die meisten zum Stand der Technik gehörenden Slicing-Ansätze nur eine syntaktische Programmanalyse durchführen, betrachtet dieses Framework auch die Programmsemantik und kann dadurch mehr Programmbefehle entfernen. Der erste Beitrag des Frameworks besteht aus einem Ansatz zur relationalen Verifikation, der erweitert wurde, um die Korrektheit eines Programm-Slice nachzuweisen, d.h. dass es das spezifizierte Verhalten des Originalprogramms bewahrt. Der Vorteil der Benutzung relationaler Verifikation ist, dass sie auf zwei ähnlichen Programmen automatisch läuft -- was bei einem Slice-Kandidaten und Originalprogramm der Fall ist. Somit, anders als bei den wenigen zum Stand der Technik gehörenden Ansätzen, die die Programmsemantik betrachten, ist dieser Ansatz automatisch. Der zweite Beitrag des Frameworks besteht aus einer neuen Strategie zur Generierung von Slice-Kandidaten durch durch die Verfeinerung von dynamischen Slices (für eine Eingabe gültigen Slices) mithilfe von der relationalen Verifikation gelieferte Gegenbeispiele

Timing Sensitive Dependency Analysis and its Application to Software Security

Ich präsentiere neue Verfahren zur statischen Analyse von Ausführungszeit-sensitiver Informationsflusskontrolle in Softwaresystemen. Ich wende diese Verfahren an zur Analyse nebenläufiger Java Programme, sowie zur Analyse von Ausführungszeit-Seitenkanälen in Implementierungen kryptographischer Primitive. Methoden der Informationsflusskontrolle zielen darauf ab, Fluss von Informationen (z.B.: zwischen verschiedenen externen Schnittstellen einer Software-Komponente) anhand expliziter Richtlinien einzuschränken. Solche Methoden können daher zur Einhaltung sowohl von Vertraulichkeit als auch Integrität eingesetzt werden. Der Ziel korrekter statischer Programmanalysen in diesem Umfeld ist der Nachweis, dass in allen Ausführungen eines gegebenen Programms die zugehörigen Richtlinien eingehalten werden. Ein solcher Nachweis erfordert ein Sicherheitskriterium, welches formalisiert, unter welchen Bedingungen dies der Fall ist. Jedem formalen Sicherheitskriterium entspricht implizit ein Programm- und Angreifermodell. Einfachste Nichtinterferenz-Kriterien beschreiben beispielsweise nur nicht-interaktive Programme. Dies sind Programme die nur bei Beginn und Ende der Ausführung Ein- und Ausgaben erlauben. Im zugehörigen Angreifer-Modell kennt der Angreifer das Programm, aber beobachtet nur bestimmte (öffentliche) Aus- und Eingaben oder stellt diese bereit. Ein Programm ist nichtinterferent, wenn der Angreifer aus seinen Beobachtungen keinerlei Rückschlüsse auf geheime Aus- und Eingaben terminierender Ausführungen machen kann. Aus nicht-terminierenden Ausführungen hingegen sind dem Angreifer in diesem Modell Schlussfolgerungen auf geheime Eingaben erlaubt. Seitenkanäle entstehen, wenn einem Angreifer aus Beobachtungen realer Systeme Rückschlüsse auf vertrauliche Informationen ziehen kann, welche im formalen Modell unmöglich sind. Typische Seitenkanäle (also: in vielen formalen Sicherheitskriterien unmodelliert) sind neben Nichttermination beispielsweise auch Energieverbrauch und die Ausführungszeit von Programmen. Hängt diese von geheimen Eingaben ab, so kann ein Angreifer aus der beobachteten Ausführungszeit auf die Eingabe (z.B.: auf den Wert einzelner geheimer Parameter) schließen. In meiner Dissertation präsentiere ich neue Abhängigkeitsanalysen, die auch Nichtterminations- und Ausführungszeitkanäle berücksichtigen. In Hinblick auf Nichtterminationskanäle stelle ich neue Verfahren zur Berechnung von Programm-Abhängigkeiten vor. Hierzu entwickle ich ein vereinheitlichendes Rahmenwerk, in welchem sowohl Nichttermination-sensitive als auch Nichttermination-insensitive Abhängigkeiten aus zueinander dualen Postdominanz-Begriffen resultieren. Für Ausführungszeitkanäle entwickle ich neue Abhängigkeitsbegriffe und dazugehörige Verfahren zu deren Berechnung. In zwei Anwendungen untermauere ich die These: Ausführungszeit-sensitive Abhängigkeiten ermöglichen korrekte statische Informationsfluss-Analyse unter Berücksichtigung von Ausführungszeitkanälen. Basierend auf Ausführungszeit-sensitiven Abhängigkeiten entwerfe ich hierfür neue Analysen für nebenläufige Programme. Ausführungszeit-sensitive Abhängigkeiten sind dort selbst für Ausführungszeit-insensitive Angreifermodelle relevant, da dort interne Ausführungszeitkanäle zwischen unterschiedlichen Ausführungsfäden extern beobachtbar sein können. Meine Implementierung für nebenläufige Java Programme basiert auf auf dem Programmanalyse- System JOANA. Außerdem präsentiere ich neue Analysen für Ausführungszeitkanäle aufgrund mikro-architektureller Abhängigkeiten. Exemplarisch untersuche ich Implementierungen von AES256 Blockverschlüsselung. Bei einigen Implementierungen führen Daten-Caches dazu, dass die Ausführungszeit abhängt von Schlüssel und Geheimtext, wodurch diese aus der Ausführungszeit inferierbar sind. Für andere Implementierungen weist meine automatische statische Analyse (unter Annahme einer einfachen konkreten Cache-Mikroarchitektur) die Abwesenheit solcher Kanäle nach

Information Flow Control with System Dependence Graphs - Improving Modularity, Scalability and Precision for Object Oriented Languages

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Gebiet der statischen Programmanalyse — insbesondere betrachten wir Analysen, deren Ziel es ist, bestimmte Sicherheitseigenschaften, wie etwa Integrität und Vertraulichkeit, für Programme zu garantieren. Hierfür verwenden wir sogenannte Abhängigkeitsgraphen, welche das potentielle Verhalten des Programms sowie den Informationsfluss zwischen einzelnen Programmpunkten abbilden. Mit Hilfe dieser Technik können wir sicherstellen, dass z.B. ein Programm keinerlei Information über ein geheimes Passwort preisgibt. Im Speziellen liegt der Fokus dieser Arbeit auf Techniken, die das Erstellen des Abhängigkeitsgraphen verbessern, da dieser die Grundlage für viele weiterführende Sicherheitsanalysen bildet. Die vorgestellten Algorithmen und Verbesserungen wurden in unser Analysetool Joana integriert und als Open-Source öffentlich verfügbar gemacht. Zahlreiche Kooperationen und Veröffentlichungen belegen, dass die Verbesserungen an Joana auch in der Forschungspraxis relevant sind. Diese Arbeit besteht im Wesentlichen aus drei Teilen. Teil 1 befasst sich mit Verbesserungen bei der Berechnung des Abhängigkeitsgraphen, Teil 2 stellt einen neuen Ansatz zur Analyse von unvollständigen Programmen vor und Teil 3 zeigt aktuelle Verwendungsmöglichkeiten von Joana an konkreten Beispielen. Im ersten Teil gehen wir detailliert auf die Algorithmen zum Erstellen eines Abhängigkeitsgraphen ein, dabei legen wir besonderes Augenmerk auf die Probleme und Herausforderung bei der Analyse von Objektorientierten Sprachen wie Java. So stellen wir z.B. eine Analyse vor, die den durch Exceptions ausgelösten Kontrollfluss präzise behandeln kann. Hauptsächlich befassen wir uns mit der Modellierung von Seiteneffekten, die bei der Kommunikation über Methodengrenzen hinweg entstehen können. Bei Abhängigkeitsgraphen werden Seiteneffekte, also Speicherstellen, die von einer Methode gelesen oder verändert werden, in Form von zusätzlichen Knoten dargestellt. Dabei zeigen wir, dass die Art und Weise der Darstellung, das sogenannte Parametermodel, enormen Einfluss sowohl auf die Präzision als auch auf die Laufzeit der gesamten Analyse hat. Wir erklären die Schwächen des alten Parametermodels, das auf Objektbäumen basiert, und präsentieren unsere Verbesserungen in Form eines neuen Modells mit Objektgraphen. Durch das gezielte Zusammenfassen von redundanten Informationen können wir die Anzahl der berechneten Parameterknoten deutlich reduzieren und zudem beschleunigen, ohne dabei die Präzision des resultierenden Abhängigkeitsgraphen zu verschlechtern. Bereits bei kleineren Programmen im Bereich von wenigen tausend Codezeilen erreichen wir eine im Schnitt 8-fach bessere Laufzeit — während die Präzision des Ergebnisses in der Regel verbessert wird. Bei größeren Programmen ist der Unterschied sogar noch deutlicher, was dazu führt, dass einige unserer Testfälle und alle von uns getesteten Programme ab einer Größe von 20000 Codezeilen nur noch mit Objektgraphen berechenbar sind. Dank dieser Verbesserungen kann Joana mit erhöhter Präzision und bei wesentlich größeren Programmen eingesetzt werden. Im zweiten Teil befassen wir uns mit dem Problem, dass bisherige, auf Abhängigkeitsgraphen basierende Sicherheitsanalysen nur vollständige Programme analysieren konnten. So war es z.B. unmöglich, Bibliothekscode ohne Kenntnis aller Verwendungsstellen zu betrachten oder vorzuverarbeiten. Wir entdeckten bei der bestehenden Analyse eine Monotonie-Eigenschaft, welche es uns erlaubt, Analyseergebnisse von Programmteilen auf beliebige Verwendungsstellen zu übertragen. So lassen sich zum einen Programmteile vorverarbeiten und zum anderen auch generelle Aussagen über die Sicherheitseigenschaften von Programmteilen treffen, ohne deren konkrete Verwendungsstellen zu kennen. Wir definieren die Monotonie-Eigenschaft im Detail und skizzieren einen Beweis für deren Korrektheit. Darauf aufbauend entwickeln wir eine Methode zur Vorverarbeitung von Programmteilen, die es uns ermöglicht, modulare Abhängigkeitsgraphen zu erstellen. Diese Graphen können zu einem späteren Zeitpunkt der jeweiligen Verwendungsstelle angepasst werden. Da die präzise Erstellung eines modularen Abhängigkeitsgraphen sehr aufwendig werden kann, entwickeln wir einen Algorithmus basierend auf sogenannten Zugriffspfaden, der die Skalierbarkeit verbessert. Zuletzt skizzieren wir einen Beweis, der zeigt, dass dieser Algorithmus tatsächlich immer eine konservative Approximation des modularen Graphen berechnet und deshalb die Ergebnisse darauf aufbauender Sicherheitsanalysen weiterhin gültig sind. Im dritten Teil präsentieren wir einige erfolgreiche Anwendungen von Joana, die im Rahmen einer Kooperation mit Ralf Küsters von der Universität Trier entstanden sind. Hier erklären wir zum einen, wie man unser Sicherheitswerkzeug Joana generell verwenden kann. Zum anderen zeigen wir, wie in Kombination mit weiteren Werkzeugen und Techniken kryptographische Sicherheit für ein Programm garantiert werden kann - eine Aufgabe, die bisher für auf Informationsfluss basierende Analysen nicht möglich war. In diesen Anwendungen wird insbesondere deutlich, wie die im Rahmen dieser Arbeit vereinfachte Bedienung die Verwendung von Joana erleichtert und unsere Verbesserungen der Präzision des Ergebnisses die erfolgreiche Analyse erst ermöglichen

Systematic Approaches to Advanced Information Flow Analysis – and Applications to Software Security

In dieser Arbeit berichte ich über Anwendungen von Slicing und Programmabhängigkeitsgraphen (PAG) in der Softwaresicherheit. Außerdem schlage ich ein Analyse-Rahmenwerk vor, welches Datenflussanalyse auf Kontrollflussgraphen und Slicing auf Programmabhängigkeitsgraphen verallgemeinert. Mit einem solchen Rahmenwerk lassen sich neue PAG-basierte Analysen systematisch ableiten, die über Slicing hinausgehen. Die Hauptthesen meiner Arbeit lauten wie folgt: (1) PAG-basierte Informationsflusskontrolle ist nützlich, praktisch anwendbar und relevant. (2) Datenflussanalyse kann systematisch auf Programmabhängigkeitsgraphen angewendet werden. (3) Datenflussanalyse auf Programmabhängigkeitsgraphen ist praktisch durchführbar

Principles of Security and Trust: 7th International Conference, POST 2018, Held as Part of the European Joint Conferences on Theory and Practice of Software, ETAPS 2018, Thessaloniki, Greece, April 14-20, 2018, Proceedings

authentication; computer science; computer software selection and evaluation; cryptography; data privacy; formal logic; formal methods; formal specification; internet; privacy; program compilers; programming languages; security analysis; security systems; semantics; separation logic; software engineering; specifications; verification; world wide we

Implementation-level analysis of cryptographic protocols and their applications to e-voting systems

Formal verification of security properties of both cryptographic operations, such as encryption, and protocols based on them, such as TLS, has been the goal of a substantial research effort in the last three decades. One fundamental limitation in the verification of these security properties is that analyses are typically carried out at the design level and hence they do not provide reliable guarantees on the implementations of these operations/protocols. To overcome this limitation, in this thesis we aim at establishing formally justified cryptographic guarantees directly at the implementation level for systems that are coded in Java and use cryptography. Our approach is based on a general framework for the cryptographic verification of Java programs (the CVJ framework) which formally links cryptographic indistinguishability properties and noninterference properties. In this way, it enables existing tools that can check standard noninterference properties, but a priori cannot deal with cryptography, to also establish cryptographic privacy properties for Java systems. The CVJ framework is stated and proven for a Java-like formal language which however does not cover all the data types and features commonly used in Java programs. Moreover, the framework originally supports only one cryptographic operation, namely public-key encryption. The first contribution of this thesis is hence to extend and to instantiate the CVJ framework in order to make it more widely applicable. We extend the underlying formal language with some features of Java which have not been captured yet, such as concurrency, and we restate and prove all the results of the framework to carry them over into this extended language. We then further instantiate the framework with additional cryptographic operations: digital signatures and public-key encryption, both now also including a public-key infrastructure, (private) symmetric encryption, and nonce generation. The methods and techniques developed within the CVJ framework are relevant and applicable independently of any specific tool employed. However, to illustrate the usefulness of this approach, we apply the framework along with two verification tools for Java programs, namely the fully automated static checker Joana and the interactive theorem prover KeY, to establish strong cryptographic privacy properties for systems which use cryptography, such as client-server applications and e-voting systems. In this context, the second major contribution of this thesis is the design, the implementation, and the deployment of a novel remote voting system called sElect (secure/simple elections). sElect is designed to be particularly simple and lightweight in terms of its structure, the cryptography it uses, and the user experience. One of its unique features is a fully automated procedure which does not require any user interaction and it is triggered as soon as voters look at the election result, allowing them to verify that their vote has been properly counted. The component of sElect which provides vote privacy is implemented in Java such that we can establish cryptographic guarantees directly on its implementation: by combining the techniques of the CVJ framework with a hybrid approach for proving noninterference, we are able to show that the Java implementation ensures strong cryptographic privacy of the votes cast with our proposed voting system. sElect is therefore the first full-fledged e-voting system with strong cryptographic security guarantees not only at the design level, but also on its implementation