Modeling and Analysis of Advanced Cryptographic Primitives and Security Protocols in Maude-NPA

Abstract

[ES] La herramienta criptográfica Maude-NPA es un verificador de modelos especializado para protocolos de seguridad criptográficos que tienen en cuenta las propiedades algebraicas de un sistema criptográfico. En la literatura, las propiedades criptográficas adicionales han descubierto debilidades de los protocolos de seguridad y, en otros casos, son parte de los supuestos de seguridad del protocolo para funcionar correctamente. Maude-NPA tiene una base teórica en la rewriting logic, la unificación ecuacional y el narrowing para realizar una búsqueda hacia atrás desde un patrón de estado inseguro para determinar si es alcanzable o no. Maude-NPA se puede utilizar para razonar sobre una amplia gama de propiedades criptográficas, incluida la cancelación del cifrado y descifrado, la exponenciación de Diffie-Hellman, el exclusive-or y algunas aproximaciones del cifrado homomórfico. En esta tesis consideramos nuevas propiedades criptográficas, ya sea como parte de protocolos de seguridad o para descubrir nuevos ataques. También hemos modelado diferentes familias de protocolos de seguridad, incluidos los Distance Bounding Protocols or Multi-party key agreement protocolos. Y hemos desarrollado nuevas técnicas de modelado para reducir el coste del análisis en protocolos con tiempo y espacio. Esta tesis contribuye de varias maneras al área de análisis de protocolos criptográficos y muchas de las contribuciones de esta tesis pueden ser útiles para otras herramientas de análisis criptográfico.

[CA] L'eina criptografica Maude-NPA es un verificador de models especialitzats per a protocols de seguretat criptogràfics que tenen en compte les propietats algebraiques d'un sistema criptogràfic. A la literatura, les propietats criptogràfiques addicionals han descobert debilitats dels protocols de seguretat i, en altres casos, formen part dels supòsits de seguretat del protocol per funcionar correctament. Maude-NPA te' una base teòrica a la rewriting lògic, la unificació' equacional i narrowing per realitzar una cerca cap enrere des d'un patró' d'estat insegur per determinar si es accessible o no. Maude-NPA es pot utilitzar per raonar sobre una amplia gamma de propietats criptogràfiques, inclosa la cancel·lació' del xifratge i desxifrat, l'exponenciacio' de Diffie-Hellman, el exclusive-or i algunes aproximacions del xifratge homomòrfic. En aquesta tesi, considerem noves propietats criptogràfiques, ja sigui com a part de protocols de seguretat o per descobrir nous atacs. Tambe' hem modelat diferents famílies de protocols de seguretat, inclosos els Distance Bounding Protocols o Multi-party key agreement protocols. I hem desenvolupat noves tècniques de modelització' de protocols per reduir el cost de l'analisi en protocols amb temps i espai. Aquesta tesi contribueix de diverses maneres a l’àrea de l’anàlisi de protocols criptogràfics i moltes de les contribucions d’aquesta tesi poden ser útils per a altres eines d’anàlisi criptogràfic.

[EN] The Maude-NPA crypto tool is a specialized model checker for cryptographic security protocols that take into account the algebraic properties of the cryptosystem. In the literature, additional crypto properties have uncovered weaknesses of security protocols and, in other cases, they are part of the protocol security assumptions in order to function properly. Maude-NPA has a theoretical basis on rewriting logic, equational unification, and narrowing to perform a backwards search from an insecure state pattern to determine whether or not it is reachable. Maude-NPA can be used to reason about a wide range of cryptographic properties, including cancellation of encryption and decryption, Diffie-Hellman exponentiation, exclusive-or, and some approximations of homomorphic encryption. In this thesis, we consider new cryptographic properties, either as part of security protocols or to discover new attacks. We have also modeled different families of security protocols, including Distance Bounding Protocols or Multi-party key agreement protocols. And we have developed new protocol modeling techniques to reduce the time and space analysis effort. This thesis contributes in several ways to the area of cryptographic protocol analysis and many of the contributions of this thesis can be useful for other crypto analysis tools.