Formal verification of cryptographic software implementations

Tese de doutoramento em InformáticaSecurity is notoriously difficult to sell as a feature in software products. In addition to meeting a set of security requirements, cryptographic software has to be cheap, fast, and use little resources. The development of cryptographic software is an area with specific needs in terms of software development processes and tools. In this thesis we explore how formal techniques, namely deductive verification techniques, can be used to increase the guarantees that cryptographic software implementations indeed work as prescribed. This thesis is organized in two parts. The first part is focused on the identification of relevant security policies that may be at play in cryptographic systems, as well as the language-based mechanisms that can be used to enforce such policies in those systems. We propose methodologies based on deductive verification to formalise and verify relevant security policies in cryptographic software. We also show the applicability of those methodologies by presenting some case studies using a deductive verification tool integrated in the Frama-c framework. In the second part we propose a deductive verification tool (CAOVerif) for a domainspecific language for cryptographic implementations (CAO). Our aim is to apply the methodologies proposed in the first part of this thesis work to verify the cryptographic implementations written in CAO. The design of CAOVerif follows the same approach used in other scenarios for general-propose languages and it is build on top of a plug-in from the Frama-c framework. At the very end, we conclude the work of this thesis by reasoning about the soundness of our verification tool.O software criptográfico possui requisitos específicos para garantir a segurança da informação que manipula. Além disso, este tipo de software necessita de ser barato, rápido e utilizar um número reduzido de recursos. Garantir a segurança da informação que é manipulada por tais sistemas é um grande desafio, sendo por isso de grande objecto de estudo actualmente. Nesta tese exploramos como as técnicas formais, nomeadamente as técnicas de verificação dedutiva, podem ser utilizadas por forma a garantir que as implementações de software criptográfico funcionam, de facto, como prescrito. O trabalho desta tese está organizado em duas partes. A primeira parte foca-se essencialmente na identificação de políticas de segurança relevantes nos sistemas criptográficos, bem como nos mecanismos baseados em linguagens que podem ser aplicados para garantir tais políticas. Neste contexto, propomos metodologias baseadas em verificação dedutiva para formalizar e verificar políticas de segurança. Mostramos também como essas metodologias podem ser aplicadas na verificação de casos de estudo reais, utilizando a ferramenta de verificação dedutiva integrada na ferramenta Frama-c. Na segunda parte, propomos uma ferramenta de verificação dedutiva (CAOVerif) para uma linguagem de domínio específico para implementações criptográficas (CAO). O desenvolvimento de tal ferramenta tem como objectivo aplicar as metodologias desenvolvidas na primeira parte deste trabalho às implementações criptográficas definidas em CAO. O desenho desta ferramenta segue a mesma aproximação de outras ferramentas de verificação dedutiva já existentes para outras linguagens. Concluímos o trabalho desenvolvido dando um prova formal da correcção da ferramenta