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theory SCMS
/* ENTITA' COINVOLTE
- EE (End Entity): è il nodo dispositivo che manda i messaggi broadcast
- DCM (Device Configuration Manager): *Assunzione 1 per ora si può omettere, verifica che il dispositivo sia
legittimo e possa ricevere l'enrollment certificate
- ECA (Enrollment CA): è la CA che registra un dispositivo e gli rilascia l'enrollment certificate. *2 se
utilizzata solo in fase di enrollment si può anche omettere
- ICA (Intermediate CA): *3 si possono tralasciare e considerare una sola Root CA
- LA (Linkage Authority): genera i pre-linkage values, usati per generare i linkage values e rendere efficace
la revoca. Ci sono due LA, LA1 e LA2, che operano in modo distribuito, per evitare che una sola LA riesca
a linkare i certificati che appartengono ad un particolare dispositivo
- LOP (Location Obscurer Proxy): impedisce che il dispositivo sia tracciabile attraverso i source address di
rete (es MAC oppure IP) *4 possiamo trascurarlo, nella verifica non consideriamo i protocolli di trasporto
dei messaggi
- MA (Misbehaviour Authority): entità che raccoglie i misbehavior reports, li analizza e decide se ci sono
dispositivi da revocare. In caso, inizializza il processo per collegare l'ID del certificato pseudonimo
all'enrollment certificate del dispositivo maligno. Genera le CRL e aggiunge i nodi maligni scoperti alla
balck list contenuta all'interno della RA
- PCA (Pseudonym CA): rilascia i certificati pseudonimi short-term
- RA (Registration Authority): riceve le richieste di pseudonimi dai dispositivi, le raccoglie, le mischia e
invia richieste individuali di certificato alla PCA. Al suo interno ha una Black list in cui sono signati i
dispositivi revocati a cui non consegnare nuovi certificati.
Fase di bootstrapping:
Divisa in initialization ed enrollment. Initialization: il dispositivo riceve i certificati delle varie CA (nel
nostro caso sono Root CA, PCA ed MA). Enrollment: il dispositivo riceve l'enrollment certificate
*6 In questa fase è coinvolto anche il DCM. DCM ha canale sicuro con ECA e comunica out-of-band con l'EE (secure
environment). L'enrollment certificate viene rilasciato al DCM, che a sua volta lo manda al nodo. La catena di
passaggi ECA-nodo è sicura, non serve implementare la comunicazione
*7 RootCA riceve le chiavi delle varie PCA, LA1, LA2 ecc out of band
Come lo abbiamo modellato: inizializzo la Root CA, PCA e MA (che ricevono proprio certificato e chiave pubblica della
Root CA). Inizializzo il dispositivo che si crea ID e coppia chiavi privata-pubblica. Il dispositivo fa out della sua
chiave pubblica affinchè questa venga presa e certificata dalla Root CA. La RootCA prende, firma la chiave pubblica,
crea il certificato e allega nel messaggio di risposta anche la PK della PCA e della MA (NOTA: queste due chiavi non
sono firmate, quindi potrebbero essere prese e sostituite dall'attaccante). Questa fase dovrebbe essere sicura per
l'assunzione *6 che abbiamo fatto. Quindi i due messaggi possono essere mandati su canale sicuro
Il dispositivo riceve il certificato, verifica che contenga la chiave pubblica per cui era stato richiesto e verifica
la firma fatta dalla Root CA.
Certificate provisioning:
STEP1: il device crea il butterfly key seed, poi genera la richiesta, firma la richiesta usando il suo enrollment certificate,
allega l'enrollment certificate e cifra tutto con la chiave pubblica della RA
NOTA: un dispositivo può ricevere un solo enrollment certificate ma multipli pseudonym certificates. è questo il motivo
per cui !St_Device_2($Device, ~id, ~ltkDevice, pkRootCA, pkPCA, certificate) è un persistent fact
STEP2: la RA decifra la richiesta, verifica l'enrollment certificate, verifica che il dispositivo non sia tra quelli revocati,
verifica la firma sulla richiesta. (Controlla che quella sia l'unica richiesta ricevuta da quel determinato dispositivo).
Continua la butterfly key expansion. Richiede due pre-linkage values dalle due LA e li associa al device.
NOTA: RA ha una blacklist con elenco delle chiavi pubbliche degli enrollment certificate revocati
STEP3: la RA manda richieste individuali per ciascun pseudonimo alla PCA. La richiesta contiene le chiavi per il butterfly key
expansion (sia quella pubblica pseudonimo sia quella che verrà usata per cifrare), i due pre-linkage value cifrati delle LA,
e l'hash della richiesta hashRA-to-PCA. La RA si salva la corrispondenza hashRA-to-PCA ed enrollment certificate del device
STEP4: PCA decifra i pre-linkage values e calcola il linkage value lv = plvLA1 OR plvLA2. Inserisce il linkage value nel certificato
e poi completa il butterfly key expansions. Firma il certificato, cifra certificato e c (reconstrucion value del butterfly)
usando la chiave pubblica di cifratura generata dal butterfly. NOTA: PCA si salva corrispondenza lv = plv1 + plv2 cifrati e
in più anche la corrispondenza linkage value - hashRA-to-PCA
STEP5: PCA firma il pacchetto cifrato generato nello step 4 (serve per dimostrare al device che è stato cifrato dalla PCA, ATTACCO).
Poi manda pacchetto e firma alla RA. La RA raccoglie tutti i pacchetti indirizzati allo stesso dispositivo in un batch che
poi pubblica per il download
Misbehavior report + investigation:
STEP1: la MA riceve dai veicoli i misbehavior report, che contengono all'interno i certificati pseudonimi dei nodi sospetti. All'interno
dei certificati ci sono i linkage values
STEP2: misbehavior detection algorithm per capire se quel nodo è da revocare
STEP3: MA richiede alla PCA di risolvere il linkage value nei precedenti pre-linkage vale messi in OR. La PCA ritorna gli encrypted pre
linkage value alla MA
STEP4: (la MA richiede alle LA di verificare se plv ricevuti in multipli report siano tutti associati allo stesso dispositivo). Se il
numero di plv associati allo stesso dispositivo supera un certo threshold, la LA risponde affermativo (il nodo è da revocare)
Revocation:
... primi STEP uguali a sopra ...
STEP3: MA richiede alla PCA di mappare il linkage value all'hashRA-to-PCA. Ottiene in risposta hashRA-to-PCA
STEP4: MA manda hashRA-to-PCA alla RA che è in grado di recuperare il corrispondente enrollment certificate del veicolo. La RA aggiunge
l'enrollment certificate alla blacklist
... continua ...
NOTA: per ora possiamo non considerare il misbehavior reporting + investigation e anche il meccanismo con cui le LA costruiscono la chain
TODO:
- verificare cosa l'attaccante riesce ad avere/riesce a fare
- parte relativa alle LA: è importante che siano due? Servono solo per la Misbehaviour detection oppure anche per la revoca?
- i prelinkage value che arrivano dalla LA devono essere firmati dalla LA?
- lo stesso di sopra vale anche per i messaggi mandati dalla RA alla PCA, devono essere anche firmati o basta solo che siano cifrati?
Penso anche cifrati, TODO per ora sono solo cifrati
- l'attaccante deve poter ottenere un certificato pseudonimo valido (dovrebbe già riuscire a farlo)
- test ricevo messaggio firmato con un certificato pseudonimo e riesco a verificare che è valido
- posso ricevere più richieste per pseudonimi che hanno stessa chiave pubblica? (stessa Apub, Hpub, ecc)
*/
begin
builtins: hashing, asymmetric-encryption, signing
functions: epk/1, esign/2, everify/3, plus/3, etrue/0, eenc/3, edec/3, XOR/2
equations: everify(esign(m, plus(a,fk,c)), m, plus(epk(a, epk(fk)), epk(c))) = etrue,
edec(eenc(m, epk(a), epk(b)), a, b) = m
/*
quartetfst(quartet(a,b,c,d)) = a, quartetsnd(quartet(a,b,c,d)) = b, quartetthrd(quartet(a,b,c,d)) = c,
quartetfrth(quartet(a,b,c,d)) = d,
sextetfst(sextet(a,b,c,d,e,f)) = a, sextetsnd(sextet(a,b,c,d,e,f)) = b, sextetthrd(sextet(a,b,c,d,e,f)) = c,
sextetfrth(sextet(a,b,c,d,e,f)) = d, sextetffth(sextet(a,b,c,d,e,f)) = e, sextetsxth(sextet(a,b,c,d,e,f)) = f */
/* RESTRICTIONS */
restriction OnlyOnceRestriction:
"All name #i #j. OnlyOnce(name)@#i & OnlyOnce(name)@#j ==> #i = #j"
restriction Equality:
"All m n #i. Eq(m,n)@i ==> m = n"
restriction DeviceCanGetOnlyOneEnrollmentCertificate:
"All id #i #j. FirstRequestFromThisId(id)@#i & FirstRequestFromThisId(id)@#j ==> #i = #j"
/* Check that the event CertificateRevoked(certpk) has never been launched
restriction CertificateRevocation:
"All certpk #i. CheckCertificateIsNotRevoked(certpk)@i ==> not(Ex #j. CertificateRevoked(certpk)@j & j<i )"
*/
/* CREATE KEYS */
rule Register_pk:
[ Fr(~ltk) ]
--[]->
[ !Ltk($A, ~ltk), !Pk($A, pk(~ltk)), Out(pk(~ltk)) ]
/* SECURE CHANNEL RULES:
The attacker cannot read or modify messages exchanged over this channel. Furthermore, there is authentication of the
parts. '!Sec' is a persistent fact, meaning the attacker can reply messages
*/
rule ChanOut_S:
[ Out_S( $A, $B, x ) ]
--[ ChanOut_S( $A, $B, x ) ]->
[ !Sec( $A, $B, x ) ]
rule ChanIn_S:
[ !Sec( $A, $B, x ) ]
--[ ChanIn_S( $A, $B, x ) ]->
[ In_S( $A, $B, x ) ]
/** INIT **/
rule RootCA_init:
[ !Ltk($RootCA, ~ltkRootCA)
//In case, here we can add other keys/certificates,
]
--[ OnlyOnce('RootCA'), RootCA_Initialised($RootCA) ]->
[ St_RootCA_1($RootCA, ~ltkRootCA),
!RootCA_PK($RootCA, pk(~ltkRootCA)),
!RootCA_SK($RootCA, ~ltkRootCA)
]
rule PCA_init:
[ !Ltk($PCA, ~ltkPCA),
//In case, here we can add other keys/certificates
!RootCA_PK($RootCA, pkRootCA) //out of band
]
--[ OnlyOnce('PCA'), PCA_Initialised($PCA) ]->
[
St_PCA_1($PCA, ~ltkPCA, pkRootCA),
!PCA_PK($PCA, pk(~ltkPCA)),
!PCA_SK($PCA, ~ltkPCA)
]
rule MA_init:
[
!Ltk($MA, ~ltkMA),
!RootCA_PK($RootCA, pkRootCA)
]
--[ OnlyOnce('MA'), MA_Initialised($MA) ]->
[
St_MA_1($MA, ~ltkMA, pkRootCA),
!MA_PK($MA, pk(~ltkMA))
]
rule RA_init:
[
!Ltk($RA, ~ltkRA),
!RootCA_PK($RootCA, pkRootCA)
]
--[ OnlyOnce('RA'), RA_Initialised($RA) ]->
[
St_RA_1($RA, ~ltkRA, pkRootCA),
!RA_PK($RA, pk(~ltkRA)),
!RA_SK($RA, ~ltkRA)
]
rule LA1_init:
[
!Ltk($LA1, ~ltkLA1),
!RootCA_PK($RootCA, pkRootCA)
]
--[ OnlyOnce('LA1'), LA1_Initialised($LA1) ]->
[
!LA1_PK($LA1, pk(~ltkLA1)),
!LA1_SK($LA1, ~ltkLA1)
]
rule LA2_init:
[
!Ltk($LA2, ~ltkLA2),
!RootCA_PK($RootCA, pkRootCA)
]
--[ OnlyOnce('LA2'), LA2_Initialised($LA2) ]->
[
!LA2_PK($LA2, pk(~ltkLA2)),
!LA2_SK($LA2, ~ltkLA2)
]
/** BOOTSTRAPPING PHASE **/
/* NOTE: only valid devices can receive the enrollment certificate (assured by DCM) */
rule Device_init:
[ Fr(~id), //device id
!Ltk($Device, ~ltkDevice)
]
--[ Device_initialized($Device, ~id, ~ltkDevice),
AskForEnrollmentCertificate(~id, pk(~ltkDevice))
]->
[ St_Device_1($Device, ~id, ~ltkDevice),
Out_S($Device, $RootCA, <pk(~ltkDevice), ~id>)
]
rule RootCA_bootstrap_device:
let certificate = <pkDevice, sign(pkDevice, ~ltkRootCA)>
in
[ In_S($Device, $RootCA, <pkDevice, ~id>),
!RootCA_SK($RootCA, ~ltkRootCA),
!PCA_PK($PCA, pkPCA), //out of band
!MA_PK($MA, pkMA), //out of band
!RA_PK($RA, pkRA) //out of band
]
--[ FirstRequestFromThisId(~id),
EnrollmentCertificateReleased(~id, pkDevice, certificate)
]->
[ Out_S($RootCA, $Device, <pk(~ltkRootCA), pkPCA, pkMA, pkRA, certificate, ~id>), //enrollment certificate
ENROLL(~id, pkDevice)
]
rule Device_bootstrap:
let certificate = <pkdev, signature>
in
[ In_S($RootCA, $Device, <pkRootCA, pkPCA, pkMA, pkRA, certificate, ~idr>),
St_Device_1($Device, ~id, ~ltkDevice)
]
--[ Eq(~idr, ~id), //check if certificate is for me
//check pkdev == pk(~ltkDevice) && signature corretta usando pkRootCA
Eq(pkdev, pk(~ltkDevice)),
Eq(verify(signature, pkdev, pkRootCA), true),
GotEnrollmentCertificate(~id, pk(~ltkDevice), certificate)
]->
[ !St_Device_2($Device, ~id, ~ltkDevice, pkRootCA, pkPCA, pkMA, pkRA, certificate) ]
/* ADVERSARY GETS A VALID ENROLLMENT CERTIFICATE */
rule Adversary_enrollment_certificate:
let cert = <pkAttacker, sign(pkAttacker, ~ltkRootCA)>
in
[ In(<attackerid, pkAttacker>),
!RootCA_SK($RootCA, ~ltkRootCA)
]
--[ FirstRequestFromThisId(attackerid),
EnrollmentCertificateReleasedForAttacker(pkAttacker, cert)
]->
[ Out(cert),
ENROLL(attackerid, pkAttacker)
]
/** PSEUDONYM CERTIFICATE PROVISIONING PHASE **/
rule Device_cert_provisioning:
let Apub = epk(~a)
Hpub = epk(~h)
req = <Apub, ~fk, Hpub, ~fe>
signreq = sign(req, ~ltkDevice)
mex = <req, signreq, certificate>
encmex = aenc(mex, pkRA)
in
[ !St_Device_2($Device, ~id, ~ltkDevice, pkRootCA, pkPCA, pkMA, pkRA, certificate),
Fr(~a),
Fr(~fk),
Fr(~h),
Fr(~fe),
Fr(~reqid)
]
--[ AskForPseudonymCertificate(~id, ~reqid, Apub, Hpub),
OUT_Device_cert_provisioning(mex)
]->
[ Out(encmex),
St_Device_3($Device, ~id, ~ltkDevice, pkRootCA, pkPCA, pkMA, pkRA, certificate, ~reqid, ~a, ~fk, ~h, ~fe)
]
rule LA1_send_prelinkage_value:
let encsignplv = aenc(<~plv, sign(~plv, ~ltkLA1)>, pkPCA)
in
[ Fr(~plv),
!PCA_PK($PCA, pkPCA),
!LA1_SK($LA1, ~ltkLA1)
]
--[ LA1PrelinkageValueSent(encsignplv) ]->
[ Out(encsignplv) ]
rule LA2_send_prelinkage_value:
let encsignplv = aenc(<~plv, sign(~plv, ~ltkLA2)>, pkPCA)
in
[ Fr(~plv),
!PCA_PK($PCA, pkPCA),
!LA2_SK($LA2, ~ltkLA2)
]
--[ LA2PrelinkageValueSent(encsignplv) ]->
[ Out(encsignplv) ]
rule RA_receive_pseudonym_cert_request:
let mex = adec(encmex, ~ltkRA) //equivalent to <req, signreq, certificate> = <req, <signreq, certificate>>
req = fst(mex) //equivalent to <Apub, ~fk, Hpub, ~fe> = <Apub, <~fk, <Hpub, ~fe>>>
signreq = fst(snd(mex))
cert = snd(snd(mex))
pkdev = fst(cert)
rootSignature = snd(cert)
Apub = fst(req)
fk = fst(snd(req))
Hpub = fst(snd(snd(req)))
fe = snd(snd(snd(req)))
Bpub = epk(fk)
Jpub = epk(fe)
outreq = <Apub, Bpub, Hpub, Jpub, encsignplv1, encsignplv2>
houtreq = h(outreq)
outmex = <outreq, houtreq>
encoutmex = aenc(outmex, pkPCA)
in
[ !RA_SK($RA, ~ltkRA),
!RootCA_PK($RootCA, pkRootCA),
!PCA_PK($PCA, pkPCA),
In(encmex),
In(encsignplv1),
In(encsignplv2)
]
--[ Eq(verify(rootSignature, pkdev, pkRootCA), true), //verifico che il certificato sia valido
CheckCertificateIsNotRevoked(pkdev), //verifico che il dispositivo non sia tra quelli revocati
Eq(verify(signreq, req, pkdev), true), //verifico la firma sulla richiesta
RAPseudonymCertificateRequest(Apub, Bpub, Hpub, Jpub, houtreq, encsignplv1, encsignplv2),
IN_RA_receive_pseudonym_cert_request_Device(mex),
OUT_RA_receive_pseudonym_cert_request(outmex)
]->
[ Out(encoutmex),
RA_DEVICE_PRELINKAGE(pkdev, encsignplv1, encsignplv2),
RA_DEVICE_HASH(pkdev, houtreq)
]
rule PCA_receive_pseudonym_cert_request:
let mex = adec(encmex, ~ltkPCA) //equivalent to <req, hreq>
req = fst(mex) //equivalent to <Apub, Bpub, Hpub, Jpub, encplv1, encplv2> = <Apub, <Bpub, <Hpub, <Jpub, <encplv1, encplv2>>>>>
hreq = snd(mex)
Apub = fst(req)
Bpub = fst(snd(req))
Hpub = fst(snd(snd(req)))
Jpub = fst(snd(snd(snd(req))))
encsignplv1 = fst(snd(snd(snd(snd(req)))))
encsignplv2 = snd(snd(snd(snd(snd(req)))))
signplv1 = adec(encsignplv1, ~ltkPCA)
plv1 = fst(signplv1)
sign1 = snd(signplv1)
signplv2 = adec(encsignplv2, ~ltkPCA)
plv2 = fst(signplv2)
sign2 = snd(signplv2)
lv = XOR(plv1, plv2)
Cpub = epk(~c)
PKsign = plus(Apub, Bpub, Cpub)
pseudocert = <PKsign, lv>
signature = sign(pseudocert, ~ltkPCA)
outmex = <pseudocert, signature, ~c>
encoutmex = eenc(outmex, Hpub, Jpub)
signencoutmex = sign(encoutmex, ~ltkPCA)
in
[ !PCA_SK($PCA, ~ltkPCA),
!LA1_PK($LA1, pkLA1),
!LA2_PK($LA2, pkLA2),
In(encmex),
Fr(~c) //reconstruction value
]
--[ Eq(verify(sign1, plv1, pkLA1), true), //verifico firma sul pre-linkage value (che siano stati generati dalla LA1)
Eq(verify(sign2, plv2, pkLA2), true), //verifico firma sul pre-linkage value (che siano stati generati dalla LA2)
PseudonymCertificateReleased(hreq, PKsign, ~c, pseudocert),
IN_PCA_receive_pseudonym_cert_request_RA(mex),
OUT_PCA_receive_pseudonym_cert_request(outmex)
]->
[ Out(<encoutmex, signencoutmex>),
PCA_LV_HASH(lv, hreq),
PCA_LV_PLVS(lv, encsignplv1, encsignplv2)
]
rule Device_receive_pseudonym_cert:
let mex = edec(encmex, ~h, ~fe) //equivalent to <pseudocert, <signature, ~c>>
pseudocert = fst(mex) //equivalent to <PKsign, lv>
signaturepseudocert = fst(snd(mex))
c = snd(snd(mex))
SK = plus(~a, ~fk, c)
PKpseudo = fst(pseudocert)
in
[ In(<encmex, signencmex>),
St_Device_3($Device, ~id, ~ltkDevice, pkRootCA, pkPCA, pkMA, pkRA, enrollcertificate, ~reqid, ~a, ~fk, ~h, ~fe)
]
--[ Eq(verify(signencmex, encmex, pkPCA), true), //verifico firma sul messaggio ricevuto (integrità e autenticazione PCA)
Eq(verify(signaturepseudocert, pseudocert, pkPCA), true), //verifico firma sul certificato pseudonimo
GotPseudonymCertificate(~id, ~reqid, PKpseudo, pseudocert, c),
IN_Device_receive_pseudonym_cert_PCA(mex)
]->
[ !St_Device_4($Device, ~id, ~ltkDevice, pkRootCA, pkPCA, pkMA, pkRA, enrollcertificate, SK, pseudocert, signaturepseudocert)
]
//TEST ENROLLMENT CERTIFICATE
/*
rule Device_sent_secret:
let signature = sign(~secret, ~ltkDevice)
in
[ !St_Device_2($Device, ~id, ~ltkDevice, pkRootCA, pkPCA, pkMA, pkRA, certificate),
Fr(~secret)
]
--[
Send($Device, signature, certificate),
Honest($Device)
]->
[ Out(<~secret, signature, certificate>)
]
rule receive_secret:
let certificate = <pkDevice, rootSignature>
in
[
!Ltk(Entity, ltkEntity),
In(<secret, signature, certificate>),
!RootCA_PK($RootCA, pkRootCA) ]
--[
Eq(verify(signature, secret, pkDevice), true), //verifica che firma del dispositivo sia corretta
Eq(verify(rootSignature, pkDevice, pkRootCA), true), //verifico la signature della RootCA all'interno del certificato
Recv(Entity, signature, certificate)
]->
[]
lemma test_enrollment_certificate:
exists-trace
"Ex #i Entity signature certificate.
Recv(Entity, signature, certificate) @i
"
*/
/* SOURCE LEMMAS */
lemma types [sources]:
" (All m #i.
IN_RA_receive_pseudonym_cert_request_Device(m)@i
==>
( (Ex #j. KU(m) @ j & j < i)
| (Ex #j. OUT_Device_cert_provisioning(m) @ j)
)
)
&
(All m2 #i2.
IN_PCA_receive_pseudonym_cert_request_RA(m2)@i2
==>
( (Ex #j2. KU(m2) @ j2 & j2 < i2)
| (Ex #j2. OUT_RA_receive_pseudonym_cert_request(m2) @ j2)
)
)
&
(All m3 #i3.
IN_Device_receive_pseudonym_cert_PCA(m3)@i3
==>
( (Ex #j3. KU(m3) @ j3 & j3 < i3)
| (Ex #j3. OUT_PCA_receive_pseudonym_cert_request(m3) @ j3)
)
)
"
/* LEMMAS */
lemma sanity_check_Bootstrapping:
exists-trace
"Ex #i #i2 #i3 id pk cert.
AskForEnrollmentCertificate(id, pk) @i &
EnrollmentCertificateReleased(id, pk, cert) @i2 &
GotEnrollmentCertificate(id, pk, cert) @i3 &
i < i2 &
i2 < i3
"
lemma sanity_check_Certificate_Provisioning:
exists-trace
"Ex #i #i2 #i3 #i4 #i5 #i6 id reqid A H B J hreq PK c cert encsignplv1 encsignplv2.
AskForPseudonymCertificate(id, reqid, A, H)@i &
LA1PrelinkageValueSent(encsignplv1)@i2 &
LA2PrelinkageValueSent(encsignplv2)@i3 &
RAPseudonymCertificateRequest(A, B, H, J, hreq, encsignplv1, encsignplv2)@i4 &
PseudonymCertificateReleased(hreq, PK, c, cert)@i5 &
GotPseudonymCertificate(id, reqid, PK, cert, c)@i6 &
i < i2 &
i2 < i3 &
i3 < i4 &
i4 < i5 &
i5 < i6
"
end