Timing Sensitive Dependency Analysis and its Application to Software Security
Creators: name: Hecker, Martin
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2020
Subjects: noninterference
postdominance
control dependence
program analysis
software security
information flow control
timing channel
timing attack

description: 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.