Automated and foundational verification of low-level programs

Formal verification is a promising technique to ensure the reliability of low-level programs like operating systems and hypervisors, since it can show the absence of whole classes of bugs and prevent critical vulnerabilities. However, to realize the full potential of formal verification for real-world low-level programs one has to overcome several challenges, including: (1) dealing with the complexities of realistic models of real-world programming languages; (2) ensuring the trustworthiness of the verification, ideally by providing foundational proofs (i.e., proofs that can be checked by a general-purpose proof assistant); and (3) minimizing the manual effort required for verification by providing a high degree of automation. This dissertation presents multiple projects that advance formal verification along these three axes: RefinedC provides the first approach for verifying C code that combines foundational proofs with a high degree of automation via a novel refinement and ownership type system. Islaris shows how to scale verification of assembly code to realistic models of modern instruction set architectures-in particular, Armv8-A and RISC-V. DimSum develops a decentralized approach for reasoning about programs that consist of components written in multiple different languages (e.g., assembly and C), as is common for low-level programs. RefinedC and Islaris rest on Lithium, a novel proof engine for separation logic that combines automation with foundational proofs.Formale Verifikation ist eine vielversprechende Technik, um die Verlässlichkeit von grundlegenden Programmen wie Betriebssystemen sicherzustellen. Um das volle Potenzial formaler Verifikation zu realisieren, müssen jedoch mehrere Herausforderungen gemeistert werden: Erstens muss die Komplexität von realistischen Modellen von Programmiersprachen wie C oder Assembler gehandhabt werden. Zweitens muss die Vertrauenswürdigkeit der Verifikation sichergestellt werden, idealerweise durch maschinenüberprüfbare Beweise. Drittens muss die Verifikation automatisiert werden, um den manuellen Aufwand zu minimieren. Diese Dissertation präsentiert mehrere Projekte, die formale Verifikation entlang dieser Achsen weiterentwickeln: RefinedC ist der erste Ansatz für die Verifikation von C Code, der maschinenüberprüfbare Beweise mit einem hohen Grad an Automatisierung vereint. Islaris zeigt, wie die Verifikation von Assembler zu realistischen Modellen von modernen Befehlssatzarchitekturen wie Armv8-A oder RISC-V skaliert werden kann. DimSum entwickelt einen neuen Ansatz für die Verifizierung von Programmen, die aus Komponenten in mehreren Programmiersprachen bestehen (z.B., C und Assembler), wie es oft bei grundlegenden Programmen wie Betriebssystemen der Fall ist. RefinedC und Islaris basieren auf Lithium, eine neue Automatisierungstechnik für Separationslogik, die maschinenüberprüfbare Beweise und Automatisierung verbindet.This research was supported in part by a Google PhD Fellowship, in part by awards from Android Security's ASPIRE program and from Google Research, and in part by a European Research Council (ERC) Consolidator Grant for the project "RustBelt", funded under the European Union’s Horizon 2020 Framework Programme (grant agreement no. 683289)