基于Hoare逻辑的密码软件形式化验证系统

卜　磊南京大学形式化验证：从混成系统到CPS关键词：形式化验证　混成系统　CPS混成系统是一种嵌入在物理环境下的实时系统，一般由离散组件和连续组件连接组成，组件之间的行为由计算模型控制。

经典混成系统一般分为离散层和连续层，其构成体现了计算机科学和控制理论的交叉。

在连续层，通过系统变量对时间的微分方程来描述系统的实际控制操作模型以及系统中参数的演变规律。

而在离散层，则通过状态机、佩特里网等高抽象层次模型来描述系统的逻辑控制转换过程。

在两层之间通过一定的接口和规则将连续层的信号与离散层的控制模式进行关联和转换。

大多数复杂实时控制系统，都包含连续变化的物理层与离散变化的决策控制层之间的交互过程，因此混成系统在工业控制和国防等领域大量存在，特别是安全系统，如交通运输、航空航天、医疗卫生、工业控制等。

随着在人们生活中的应用越来越广，重要性越来越高，人们对相应系统的质量特别是可信性的需求快速提升，系统失效所带来的灾难也越来越大。

在交通运输方面，车载导航系统的小小失误就可能造成交通事故，而飞机导航系统的失误则可能导致机毁人亡。

在国防领域，对软件系统的错误已经进入零容忍度阶段。

因此，如何对混成系统进行有效的可信性保障成为一个亟待解决的问题。

一般而言，测试、仿真[2,3]等技术是研究和保障软件质量的主要方法。

这些方法主要以运行系统为发现问题的主要手段。

由于人力无法穷尽地遍历系统所有可能的运行输入和场景，也就不足以保证检测的完备性，这可能会给系统后期运行留下安全隐患。

因此，在对系统错误零容忍的安全攸关的系统领域，采用可证明系统模型正确性的形式化验证理论和技术[4,5]来对系统模型进行安全性验证就显得极为重要，这也成为了相关领域近期的主要关注点。

混成系统形式化验证形式化方法形式化方法(formal method)混成系统实时嵌入式系统，特别是复杂的实时控制系统，广泛存在着这样一类子系统：它们行为中的离散化逻辑控制与连续性的时间行为相互依赖，相互影响，彼此互为依存，息息相关。

简单的可还原加密算法-回复简单的可还原加密算法是指一种基于当前的数学或逻辑模型的算法，它具有可逆的性质，即可以通过反向运算得到明文的原始信息。

这类算法在密码学中起着重要的作用，可以用于保护敏感信息的安全传输和存储。

本文将详细介绍可还原加密算法的原理、常见算法及其应用。

一、可还原加密算法的原理可还原加密算法的原理基于数学运算规则，通过特定的运算逻辑将明文转化为密文，并且可以通过逆向运算将密文还原为明文。

通常，可还原加密算法的关键在于密钥的选择和使用，合理的密钥能够保证加密的强度和安全性。

二、常见的可还原加密算法1. 凯撒密码（Caesar Cipher）凯撒密码是一种基于替换的简单可还原加密算法。

它通过将明文中的每个字母按照字母表的顺序向后偏移固定的位数来进行加密。

密钥即为位数的偏移量。

解密过程可以通过反向偏移来获得原始的明文。

2. 单表代换密码（Monoalphabetic Substitution Cipher）单表代换密码是一种基于字母替换的可还原加密算法。

它通过一个具有不同字母排列顺序的密钥表将明文中的字母替换为密文，以实现加密的目的。

解密过程则是利用相同的密钥表进行反向替换还原明文。

3. 维吉尼亚密码（Vigenère Cipher）维吉尼亚密码是一种基于多表代换的可还原加密算法。

它通过使用不同的字母表和密钥表进行多次的置换替代来加密明文。

解密过程是通过逆向的置换替代来还原原始的明文。

三、可还原加密算法的应用可还原加密算法在实际应用中广泛使用。

以下是几个常见的应用场景：1. 保护敏感数据的传输：通过可还原加密算法，可以确保在数据传输过程中的隐私和安全。

例如，在互联网上传输银行账单或个人身份信息时，可以使用可还原加密算法加密传输，以防止敏感信息被第三方窃取。

2. 数据存储安全：通过在数据库或存储设备中使用可还原加密算法，可以保护数据的安全性。

即使数据库或存储设备被盗或泄露，被加密的数据也无法被轻易窃取。

hmac是密码校验函数
hmac是一种基于哈希函数和密钥的密码校验函数。

它可以用来验证数据的完整性和真实性，以保证数据在传输和存储过程中不被篡改或伪造。

hmac的全称是“Hash-based Message Authentication Code”，它的核心思想是将数据和密钥混合起来进行哈希运算，从而生成一个固定长度的校验码。

接收方根据相同的密钥和哈希函数计算校验码，然后将其与发送方的校验码进行比较，以验证数据的正确性。

hmac算法具有如下特点：
1. 密钥的长度可以不受限制，可以提供更高的安全性。

2. 哈希函数的选择可以根据需要进行调整，可以适应不同的安全需求。

3. hmac算法具有抗修改性，即如果数据被篡改，校验码会发生变化，接收方可以通过校验码的不匹配来检测数据的篡改。

4. hmac算法具有抗重放攻击性，即攻击者无法将之前的校验码重复使用来欺骗接收方。

使用hmac算法可以有效地保护数据的机密性、完整性和真实性，是网络安全领域中常用的一种密码校验函数。

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关于软件形式化方法软件形式化方法是指一种基于严格数学的软件开发方法，它使软件开发者能够使用严格的数学符号来解释、开发和验证基于计算机的系统。

形式方法模型的主要活动是生成计算机软件的形式数学规范。

形式化方法的本质是基于数学的方法来描述目标软件系统属性的一种技术。

不同的形式化方法的数学基础是不同的，有的以集合论和一阶谓词演算为基础（如z和vdm），有的则以时态逻辑为基础。

形式化方法需要形式化规约说明语言的支持。

根据说明目标软件系统的方式，形式化方法可以分为以下两类：面向模型的形式化方法。

面向模型的方法通过构建数学模型来解释系统的行为。

面向属性的形式化方法。

面向属性的方法通过描述目标软件系统的各种属性来间接定义系统行为。

而根据表达能力，形式化方法又可分为以下五类：1、基于模型的方法：通过明确定义状态和操作来建立一个系统模型（使系统从一个状态转换到另一个状态）。

用这种方法虽可以表示非功能性需求（诸如时间需求），但不能很好地表示并发性。

如：z语言，vdm，b方法等。

2、基于逻辑的方法：用逻辑描述系统预期的性能，包括底层规约、时序和可能性行为。

采用与所选逻辑相关的公理系统证明系统具有预期的性能。

用具体的编程构造扩充逻辑从而得到一种广谱形式化方法，通过保持正确性的细化步骤集来开发系统。

如：itl（区间时序逻辑），区段演算（ dc），hoare 逻辑，wp演算，模态逻辑，时序逻辑， tam（时序代理模型），rttl（实时时序逻辑）等。

3、代数方法：通过将未定义状态下不同的操作行为相联系，给出操作的显式定义。

与基于模型的方法相同的是，没有给出并发的显式表示。

如：obj， larch族代数规约语言等；4、过程代数方法：通过限制所有容许的可观察的过程间通信来表示系统行为。

此类方法允许并发过程的显式表示。

如：通信顺序过程（ csp），通信系统演算（ccs），通信过程代数（ acp），时序排序规约语言（lotos），计时csp(tcsp），通信系统计时可能性演算（tpccs）等。

形式化验证方法浅析随着信息技术的不断发展，软件系统已经成为现代社会和经济的基础设施之一。

软件系统的正确性和可靠性越来越受到重视，因为软件错误会带来巨大的经济损失和安全隐患。

为了提高软件系统的质量和可靠性，形式化验证方法逐渐成为了重要的研究领域。

本文将对形式化验证方法进行一定的浅析，介绍其基本概念、原理和应用。

一、形式化验证方法的基本概念形式化验证是一种基于数学逻辑的方法，通过数学语言描述待验证系统的行为规范或性质，然后利用自动化或手工化的技术对系统进行验证。

形式化验证方法主要包括模型检测、定理证明和符号执行等技术，其中模型检测和定理证明是相对常见和成熟的技术。

模型检测是一种自动化验证技术，它通过穷举系统的所有可能状态来检测系统是否满足给定的性质。

模型检测的核心就是构建系统的状态转移模型，然后利用状态空间搜索算法进行验证。

常用的状态空间搜索算法包括符号模型检测、显式状态搜索和隐式状态搜索等。

模型检测方法的优点是自动化程度高，能够发现系统中的错误和性质违反情况，但是其缺点是状态空间爆炸问题，对于大规模的系统往往难以处理。

定理证明是一种手工化验证技术，它通过数学推理和演绎来证明系统是否满足给定的性质。

定理证明的核心是将系统的行为规范或性质转化为逻辑公式，然后利用数学推理规则和定理证明工具来验证系统。

定理证明方法的优点是能够处理复杂的性质和系统，但是其缺点是依赖于人工的推理和分析，效率较低并且受到形式化规约的限制。

1. 系统建模：形式化验证的第一步是对系统进行建模，将系统的行为规范或性质形式化描述。

系统建模可以采用多种形式化语言和工具，如时序逻辑、Petri网、状态机和模型检测工具等。

建模的目的是将系统的行为抽象化和形式化，为后续的验证工作奠定基础。

2. 性质描述：形式化验证的第二步是对系统的性质进行描述，通常包括功能性要求和安全性要求。

功能性要求是描述系统的期望行为，如正确性、完备性和一致性等；安全性要求是描述系统的禁止行为，如死锁、饥饿和冲突等。

基于Hoare逻辑的密码软件形式化验证系统郝耀辉;郭渊博;罗婷;燕菊维【期刊名称】《计算机工程》【年(卷),期】2012(038)003【摘要】Based on Hoare logic and ANSI/ISO C SpecificationLanguage(ACSL) specification, this paper presents a formal verification system for cryptographic software, which is composed of program specification, inference rules, reliability strategy and verification module. It takes the software realization of RC4 algorithm in OpenSSL as an example, the functional correctness, safety properties and information flow security are tested and verified. Results show that this system can reduce the complexity of formal verification method and has a high level of automation.%在Hoare逻辑理论和ACSL语法规范的基础上,设计一种针对密码软件的形式化验证系统,由程序规范、验证推理规则、可靠性策略、验证推理等模块组成.以OpenSSL中RC4算法的软件实现为例,对其功能正确性、保险性和信息流安全性进行验证,结果表明,该系统具有较高的自动化水平,可在一定程度上降低形式化验证方法的复杂度.【总页数】3页(P121-123)【作者】郝耀辉;郭渊博;罗婷;燕菊维【作者单位】解放军信息工程大学电子技术学院,郑州450004;解放军信息工程大学电子技术学院,郑州450004;解放军信息工程大学电子技术学院,郑州450004;解放军信息工程大学电子技术学院,郑州450004【正文语种】中文【中图分类】TP319【相关文献】1.密码协议形式化分析中的逻辑规则精简 [J], 潘进;王小明;谢青松2.基于Hoare逻辑的过程调用的形式化方法 [J], 雷富兴;张来顺3.基于时序逻辑软件构架形式化方法研究 [J], 任洪敏;朱承;钱乐秋4.密码协议形式化分析中的逻辑规则精简 [J], 潘进;王小明;谢青松;5.一种Hoare逻辑软件复用部件的匹配描述 [J], 胡和平;黄力芹因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

形式化验证seL4操作系统王俊超摘要：完全的形式化验证是确保系统不会出现编程和设计错误的唯一方法。

本文假设编译器，汇编代码和硬件层都是正确的，在此基础之上介绍了对seL4内核从抽象规约层到C语言实现层的形式化机器验证。

目前为止，seL4是第一个经过形式化验证并证明功能正确性的完整的通用的操作系统内核。

这里所指的功能性是说实现总是严格的满足上一抽象层内核行为的规约。

本文证明了seL4操作系统在任何情况下都不会崩溃以及执行不安全的操作，更重要的是，可以精确的推断出seL4在所有情况下的行为。

关键词：seL4；形式化验证；操作系统1.引言操作系统的可靠性和安全性几乎与计算机系统等价，因为内核可以在处理器的最高权限上工作，可以随意的访问硬件。

因此，操作系统内核实现出现的任何一个微小的错误都会导致整个计算机系统的崩溃。

为了保证操作系统的安全性，传统的一些做法有减少高权限的代码的数量，从而避免bug出现在较高的权限层内。

那么，如果代码的数量较少，便可以通过形式化的机器验证方法来证明内核的实现满足规约，并且在实现时不会有程序员由于编码引入的实现漏洞。

本文通过机器检验的形式化证明验证了seL4的功能正确性，目前，seL4所能达到的功能如下：能够在现实生活中使用，并且其性能与当前性能最好的微内核相当；其行为在抽象层进行了精确的规约；其形式化设计用来证明一些需要的属性比如中断等的安全性；其实现满足规约；访问控制机制能够保证高强度的安全性。

目前，seL4是第一个被完全形式化验证其功能正确性的操作系统内核，所以，它是一个前所未有的具有高度安全性和可靠性的底层系统级平台。

在本文所描述的功能正确性要比模型检验、静态分析以及采用类型安全编程语言实现的内核要强的多。

本文不仅对内核的规约层面进行了分析，同时也对于内核的精细的行为进行了规约和验证。

此外，本文还创立了一套融合了传统操作系统研发技术和形式化方法技术，用来快速实现内核设计与实现的方法学，经过实践证明，利用这套方法学开发出的操作系统不仅在安全性上有着充分的保障，在性能上也不会受到影响。

一种基于哈希函数的数字审讯设备防篡改技术沈科登哈希（上海康纬斯电子技术有限公司上海2011080）（shenkd@ )摘要：数字审讯设备在检察院系统中的逐渐应用有效提高了检察院的信息化水平，促进了司法公正。

目前的基于光盘刻录的方法可提供一定的防篡改能力，但还存在较大的安全隐患。

本文提出一种基于哈希函数和数字签名的数字审讯防篡改技术，并根据不同安全性等级给出了进一步增强安全性的技术方案。

本技术已在实际设备中实现，取得明显的效果。

关键词：数字审讯哈希函数防篡改1.序言近年来，随着司法系统信息化建设的大力开展，检察院审讯系统数字化、信息化步伐不断深入，数字审讯设备在各级检察机关得到了广泛的应用。

为了预防司法工作中的违法、违纪现象的发生，在中央及地方各级政法委的总体指导思想下，最高人民检察院技术信息研究中心顺应司法工作的客观要求，制定下发了《人民检察院讯问职务犯罪嫌疑人实行全程同步录音录像技术规范》，依据此规范检察机关将对讯问职务犯罪嫌疑人实行全程同步录音录像。

同步录音录像设备的引入很大程度上促进了我国司法的公正性，但是，目前的数字审讯设备采用双光驱同步刻录的方式来保障审讯音视频信息的完整性，这种方式在技术上无法完全杜绝审讯的音视频信息的被篡改的可能性。

对于大案、要案或者敏感案件的审讯，采用这种技术方案是远远不够的。

针对这种情况，本文提出了一种基于哈希函数和数字签名技术的数字审讯设备中的防篡改技术，可以有效地从根本上解决审讯信息被恶意篡改的可能性。

2.哈希函数和数字签名哈希函数也叫单项散列函数，它可以接受一个任意长度的信息作为输入，并根据此信息计算出一个固定长度的位串，这个散列函数D通常叫做消息摘要，它有以下几个重要特点：a)给定消息P，很容易计算出D(P)b)根据D(P)，反推计算出P是现实中不可能完成的c)给定消息P，找出另一个消息P’，使得D(P)=D(P’)是不可能完成的目前哈希函数已经是非常成熟的一种技术，常用的哈希函数有MD5、SHA-1等。

应用形式化方法验证软件正确性研究在软件工程领域，软件的正确性一直是一个重要的问题。

因为一旦软件存在错误，可能会导致安全问题、质量问题以及用户体验问题。

因此，技术人员需要采用一些方法和工具来验证软件的正确性。

本文主要介绍应用形式化方法来验证软件的正确性的研究进展。

一、形式化方法介绍形式化方法是一种基于数学逻辑的方法，用于以严格的方式描述系统的行为。

它们通常被应用于验证硬件和软件系统的正确性。

形式化方法被广泛应用于不同的领域，如计算机科学、信息科学、通信系统和人工智能等。

其中，常用的方法包括定理证明、模型检测、抽象解释和程序分析等。

二、形式化方法在软件工程中的应用软件系统通常是复杂的，并且需要满足很多不同的要求。

因此，将形式化方法应用于软件工程中，有助于在设计和实现软件系统时减少错误和风险。

以下是一些常用的形式化方法和它们在软件工程中的应用：1. 公理化语义公理化语义是一种描述计算机程序的数学方法。

在公理化语义中，程序可以用公式表示。

这种方法被广泛应用于程序的正确性验证和程序设计的证明。

2. Hoare 逻辑Hoare 逻辑是一种用于推断程序正确性的形式化方法。

在 Hoare 逻辑中，程序的正确性可以用谓词逻辑刻画。

这种方法适用于证明一个程序是否满足其规范。

3. 模型检测模型检测是一种常用的形式化方法，它用于验证关于系统行为的性质。

在模型检测中，系统的行为可以被描述为一个状态转化图。

这种方法被广泛应用于验证硬件和软件系统的正确性。

4. 程序分析程序分析是一种形式化方法，用于自动检测程序中可能存在的错误。

程序分析可以检测出程序中的潜在问题，并产生报告，以指导开发人员进行改进。

以上方法都有其独特的优缺点，需要根据具体的应用场景选择最适合的方法。

三、形式化方法的优势和挑战形式化方法的主要优势是它可以提供证明系统正确性的严格方法。

与传统的测试和调试方法相比，形式化方法可以在设计和实现过程中尽早地发现错误，并减少调试的时间和精力。