Sound criteria for partial order reduction for probabilistic concurrent systems have been presented in the literature. Their realization relies on a depth-first search-based approach for generating the reduced model. The drawback of this dynamic approach is that it can hardly be combined with other techniques to tackle the state explosion problem, e.g., symbolic probabilistic model checking with multi-terminal variants of binary decision diagrams. Following the approach presented by Kurshan et al. for non-probabilistic systems, we study partial order reduction techniques for probabilistic concurrent systems that can be realized by a static analysis. The idea is to inject the reduction criteria into the control flow graphs of the processes of the system to be analyzed. We provide the theoretical foundations of static partial order reduction for probabilistic concurrent systems and present algorithms to realize them. Finally, we report on some experimental results.

Tato práce se zaměřuje na konečné automaty nad konečnými slovy a konečnými stromy, a použití těchto automatů při formální verifikaci nekonečně stavových systémů. Práce se nejdříve věnuje rozšíření existujícího přístupu pro verifikaci programů které manipulují s haldou (konkrétně programů s dynamickými datovými strukturami), jenž je založen na stromových automatech. V práci je navrženo několik rozšíření tohoto přístupu, jako například jeho plná automatizace či jeho rozšíření o podporu uspořádaných dat. V práci jsou popsány nové rozhodovací procedury pro dvě logiky, které jsou často používány ve formální verifikaci: pro separační logiku a pro slabou monadickou druhořádovou logiku s následníkem. Obě tyto rozhodovací procedury jsou založeny na převodu jejich problému do automatové domény a následné manipulaci v této cílové doméně. Posledním přínosem této práce je vývoj nových algoritmů k efektivní manipulaci se stromovými automaty, s důrazem na testování inkluze jazyků těchto automatů a manipulaci s automaty s velkými abecedami, a implementace těchto algoritmů v knihovně pro obecné použití. Tyto vyvinuté algoritmy jsou použity jako klíčová technologie, která umožňuje použití výše uvedených technik v praxi.

Formal verification of programs can be done with the aid of an interactive theorem prover. The program to be verified is represented in an intermediate language representation inside the interactive theorem prover, after which statements and their proofs can be constructed. This is a process that can be automated to a high degree. This thesis presents a proof procedure to efficiently generate a theorem stating the weakest precondition for a program to terminate successfully in a state upon which a certain postcondition is placed. Specifically, the Poly/ML implementation of the SML metalanguage is used to generate a theorem in the HOL4 interactive theorem prover regarding the properties of a program written in BIR, an abstract intermediate representation of machine code used in the PROSPER project. / Bevis av säkerhetsegenskaper hos program genom formell verifiering kan göras med hjälp av interaktiva teorembevisare. Det program som skall verifieras representeras i en mellanliggande språkrepresentation inuti den interaktiva teorembevisaren, varefter påståenden kan konstrueras, som sedan bevisas. Detta är en process som kan automatiseras i hög grad. Här presenterar vi en metod för att effektivt skapa och bevisa ett teorem som visar sundheten hos den svagaste förutsättningen för att ett program avslutas framgångsrikt under ett givet postvillkor. Specifikt använder vi Poly/ML-implementationen av SML för att generera ett teorem i den interaktiva teorembevisaren HOL4 som beskriver egenskaper hos ett program i BIR, en abstrakt mellanrepresentation av maskinkod som används i PROSPER-projektet.

The area of formal analysis of cryptographic protocols has been an active one since the mid 80’s. The idea is to verify communication protocols that use encryption to guarantee secrecy and that use authentication of data to ensure security. Formal methods are used in protocol analysis to provide formal proofs of security, and to uncover bugs and security flaws that in some cases had remained unknown long after the original protocol publication, such as the case of the well known Needham-Schroeder Public Key (NSPK) protocol. In this thesis we tackle problems regarding the three main pillars of protocol verification: modelling capabilities, verifiable properties, and efficiency. This thesis is devoted to investigate advanced features in the analysis of cryptographic protocols tailored to the Maude-NPA tool. This tool is a model-checker for cryptographic protocol analysis that allows for the incorporation of different equational theories and operates in the unbounded session model without the use of data or control abstraction. An important contribution of this thesis is relative to theoretical aspects of protocol verification in Maude-NPA. First, we define a forwards operational semantics, using rewriting logic as the theoretical framework and the Maude programming language as tool support. This is the first time that a forwards rewriting-based semantics is given for Maude-NPA. Second, we also study the problem that arises in cryptographic protocol analysis when it is necessary to guarantee that certain terms generated during a state exploration are in normal form with respect to the protocol equational theory. We also study techniques to extend Maude-NPA capabilities to support the verification of a wider class of protocols and security properties. First, we present a framework to specify and verify sequential protocol compositions in which one or more child protocols make use of information obtained from running a parent protocol. Second, we present a theoretical framework to specify and verify protocol indistinguishability in Maude-NPA. This kind of properties aim to verify that an attacker cannot distinguish between two versions of a protocol: for example, one using one secret and one using another, as it happens in electronic voting protocols. Finally, this thesis contributes to improve the efficiency of protocol verification in Maude-NPA. We define several techniques which drastically reduce the state space, and can often yield a finite state space, so that whether the desired security property holds or not can in fact be decided automatically, in spite of the general undecidability of such problems. / Santiago Pinazo, S. (2015). Advanced Features in Protocol Verification: Theory, Properties, and Efficiency in Maude-NPA [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/48527

Tesis por compendio / [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. / This thesis would not have been possible without the funding of a set of research projects. The main contributions and derivative works of this thesis have been made in the context of the following projects: - Ministry of Economy and Business of Spain : Project LoBaSS Effective Solutions Based on Logic, Scientific Research under award number TIN2015-69175-C4-1-R, this project was focused on using powerful logic-based technologies to analyze safety-critical systems. - Air Force Office of Scientific Research of United States of America : Project Advanced symbolic methods for the cryptographic protocol analyzer Maude-NPA Scientific Research under award number FA9550-17-1-0286 - State Investigation Agency of Spain : Project FREETech: Formal Reasoning for Enabling and Emerging Technologies Scientific I+D-i Research under award number RTI2018-094403-B-C32 / Aparicio Sánchez, D. (2022). Modeling and Analysis of Advanced Cryptographic Primitives and Security Protocols in Maude-NPA [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/190915 / Compendio

This thesis investigates the expressiveness of specification languages for stochastic safety-critical systems, addressing the need for expressiveness in describing system behaviour formally. Through a case study and specification language enhancements, the research explores the impact of different frameworks on a set of specifications. The results highlight the importance of continuous development in the specification languages to meet the complex behaviours of systems with probabilistic properties. The findings emphasise the need for extending the chosen specification languages more formally, to ensure that the languages can capture the complexity of the systems they describe.  The research contributes valuable insights into improving the expressiveness of specification languages for ensuring system safety and operational reliability.

In der formalen Verifikation digitaler Schaltkreise hat sich die Methodik der vollständigen Verifikation anhand spezieller Operationseigenschaften bewährt. Operationseigenschaften beschreiben das Verhalten einer Schaltung in einem festen Zeitintervall und können sequentiell miteinander verknüpft werden, um so das Gesamtverhalten zu spezifizieren. Zusätzlich beweist eine formale Vollständigkeitsprüfung, dass die Menge der Eigenschaften für jede Folge von Eingangssignalwerten die Ausgänge der zu verifizierenden Schaltung eindeutig und lückenlos determiniert. In dieser Arbeit wird untersucht, wie aus Operationseigenschaften, deren Vollständigkeit erfolgreich bewiesen wurde, automatisiert eine Schaltungsbeschreibung abgeleitet werden kann. Gegenüber der traditionellen Entwurfsmethodik auf Register-Transfer-Ebene (RTL) bietet dieses Verfahren zwei Vorteile. Zum einen vermeidet der Vollständigkeitsbeweis viele Arten von Entwurfsfehlern, zum anderen ähnelt eine Beschreibung mit Hilfe von Operationseigenschaften den in Spezifikationen häufig genutzten Zeitdiagrammen, sodass die Entwurfsebene der Spezifikationsebene angenähert wird und Fehler durch manuelle Verfeinerungsschritte vermieden werden. Das Entwurfswerkzeug vhisyn führt die High-Level-Synthese (HLS) einer vollständigen Menge von Operationseigenschaften zu einer Beschreibung auf RTL durch. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl die verwendeten Synthesealgorithmen, als auch die erzeugten Schaltungen effizient sind und somit die Realisierung größerer Beispiele zulassen. Anhand zweier Fallstudien kann dies praktisch nachgewiesen werden. / The complete verification approach using special operation properties is an accepted methodology for the formal verification of digital circuits. Operation properties describe the behavior of a circuit during a certain time interval. They can be sequentially concatenated in order to specify the overall behavior. Additionally, a formal completeness check proves that the sequence of properties consistently determines the exact value of the output signals for every valid sequence of input signal values. This work examines how a circuit description can be automatically derived from a set of operation properties whose completeness has been proven. In contrast to the traditional design flow at register-transfer level (RTL), this method offers two advantages. First, the prove of completeness helps to avoid many design errors. Second, the design of operation properties resembles the design of timing diagrams often used in textual specifications. Therefore, the design level is closer to the specification level and errors caused by refinement steps are avoided. The design tool vhisyn performs the high-level synthesis from a complete set of operation properties to a description at RTL. The results show that both the synthesis algorithms and the generated circuit descriptions are efficient and allow the design of larger applications. This is demonstrated by means of two case studies.

Tato práce se věnuje vylepšení současného stavu formalní analýzy a verifikace založené na automatech a zaměřené na systémy s nekonečnými stavovými prostory. V první části se práce zabývá dvěma rozhodovacími procedurami pro logiku WS1S, které jsou založené na korespondenci mezi formulemi logiky WS1S a konečnými automaty. První metoda je založena na tzv. antiřetězcích, ale, je limitována pouze na formule v prenexním normálním tvaru. Následně je tento přístup zobecněn na libovolné formule, jsou zavedeny tzv. jazykové termy a na jejich základě je navržena nová procedura, která pracuje za běhu a zpracovává tyto termy "líným" způsobem. Abychom získali efektivní rozhodovací proceduru, je dále navržena sada optimalizací (přičemž některé nejsou limitovány pouze pro naše přístupy). Obě metody jsou srovnány s ostatními nástroji implementujícími různé známé rozhodovací procedury. Získané výsledky jsou povzbuzující a ukazují, že použitelnost logiky WS1S je možno rozšířit na širší třídu formulí. V druhé části se práce zabývá analýzou mezí zdrojů programů manipulujících s haldou. Je zde navržena nová třída tzv. tvarových norem založených na délkách cest mezi význačnými místy na haldě, které jsou automaticky odvozovány z analyzovaného programu. Na základě této třídy norem je dále navržen kalkul, který je schopen přesně odvodit změny odvozených normů a použít je k vygenerování odpovídající celočíselné reprezentace vstupního programu, která je následně využita pro následovanou dedikovanou analýzou mezí zdrojů. Tato metoda byla implementována nad analýzou tvaru založenou na tzv. lesních automatech, implementovanou v nástroji Forester, a dále byl použit dobře zavedený analyzátor mezí zdrojů, implementovaný v nástroji Loopus. V experimentální evaluaci bylo ukázáno, že je opravdu takto získán silný analyzátor, který je schopen odvodit meze programů, které ještě nikdy plně automatizovaně odvozené nebyly.