A Formal Framework and Evaluation Method for Network Deinal

8/13/2019 A Formal Framework and Evaluation Method for Network Deinal

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A F o r m a l F r a m e w o r k a n d E v a l u a t i o n M e t h o d f o r N e t w o r k D e n i a l o f

S e r v i c e

C a t h e r i n e M e a d o w s

C o d e 5 5 4 3

N a v a l R e s e a r c h L a b o r a t o r y

W a s h i n g t o n , D C 2 0 3 7 5

m e a d o w s @ i t d . n r l . n a v y . m i l

A b s t r a c t

D e n i a l o f s e r v i c e i s b e c o m i n g a g r o w i n g c o n c e r n . A s

o u r s y s t e m s c o m m u n i c a t e m o r e a n d m o r e w i t h o t h e r s

t h a t w e k n o w l e s s a n d l e s s , t h e y b e c o m e i n c r e a s i n g l y

v u l n e r a b l e t o h o s t i l e i n t r u d e r s w h o m a y t a k e a d v a n -

t a g e o f t h e v e r y p r o t o c o l s i n t e n d e d f o r t h e e s t a b l i s h m e n t

a n d a u t h e n t i c a t i o n o f c o m m u n i c a t i o n t o t i e u p o u r r e -

s o u r c e s a n d d i s a b l e o u r s e r v e r s . S i n c e t h e s e a t t a c k s

o c c u r b e f o r e p a r t i e s a r e a u t h e n t i c a t e d t o e a c h o t h e r , w e

c a n n o t r e l y u p o n e n f o r c e m e n t o f t h e a p p r o p r i a t e a c c e s s

c o n t r o l p o l i c y t o p r o t e c t u s ( a s i s r e c o m m e n d e d i n t h e

c l a s s i c w o r k o f G l i g o r a n d M i l l e n i n 5 , 1 8 , 1 9 ] ) . I n -

s t e a d w e m u s t b u i l d o u r d e f e n s e s , a s m u c h a s p o s s i b l e ,

i n t o t h e p r o t o c o l s t h e m s e l v e s . T h i s p a p e r s h o w s h o w

s o m e p r i n c i p l e s t h a t h a v e a l r e a d y b e e n u s e d t o m a k e

p r o t o c o l s m o r e r e s i s t a n t t o d e n i a l o f s e r v i c e c a n b e f o r -

m a l i z e d , a n d i n d i c a t e s t h e w a y s i n w h i c h e x i s t i n g c r y p -

t o g r a p h i c p r o t o c o l a n a l y s i s t o o l s c o u l d b e m o d i e d t o

o p e r a t e w i t h i n t h i s f o r m a l f r a m e w o r k .

1 I n t r o d u c t i o n

D e n i a l o f s e r v i c e i s b e c o m i n g a g r o w i n g c o n c e r n . A s

o u r s y s t e m s c o m m u n i c a t e m o r e a n d m o r e w i t h o t h e r s

t h a t w e k n o w l e s s a n d l e s s , t h e y b e c o m e i n c r e a s i n g l y

v u l n e r a b l e t o h o s t i l e i n t r u d e r s w h o m a y t a k e a d v a n t a g e

o f t h e v e r y p r o t o c o l s i n t e n d e d f o r t h e e s t a b l i s h m e n t

a n d a u t h e n t i c a t i o n o f c o m m u n i c a t i o n t o t i e u p o u r r e -

s o u r c e s a n d d i s a b l e o u r s e r v e r s . S i n c e t h e s e a t t a c k s

o c c u r b e f o r e p a r t i e s a r e a u t h e n t i c a t e d t o e a c h o t h e r ,

w e c a n n o t r e l y u p o n e n f o r c e m e n t o f t h e a p p r o p r i a t e

a c c e s s c o n t r o l p o l i c y t o p r o t e c t u s ( a s i s r e c o m m e n d e d

i n t h e c l a s s i c w o r k o f G l i g o r a n d M i l l e n i n 5 , 1 8 , 1 9 ] ) .

I n s t e a d w e m u s t b u i l d o u r d e f e n s e s , a s m u c h a s p o s s i -

b l e , i n t o t h e p r o t o c o l s t h e m s e l v e s .

T h e S Y N a t t a c k o n T C P ( s e e 2 4 ] f o r a m o r e c o m -

p l e t e d i s c u s s i o n ) i s a c l a s s i c e x a m p l e o f t h i s t y p e o f

a t t a c k . I n T C P , a s o u r c e h o s t i n i t i a t e s t h e p r o t o c o l

b y s e n d i n g a S Y N ( s y n c h r o n i z a t i o n / s t a r t ) m e s s a g e t o

i t s d e s t i n a t i o n . T h e d e s t i n a t i o n h o s t r e s p o n d s w i t h a

S Y N A C K , a n d w a i t s f o r a m A C K o f t h e S Y N A C K .

W h e n i t r e c e i v e s i t , t h e c o n n e c t i o n i s e s t a b l i s h e d . T h e

d e s t i n a t i o n h o s t k e e p s t r a c k o f u n a c k n o w l e d g e d S Y N

A C K s i n a c o n n e c t i o n q u e u e . W h e n a S Y N A C K i s

a c k n o w l e d g e d , i t i s r e m o v e d f r o m t h e q u e u e .

T h e S Y N a t t a c k i s s i m p l e . T h e a t t a c k e r s e n d s S Y N

m e s s a g e s w i t h f a k e s o u r c e a d d r e s s e s t o i t s v i c t i m , w h i c h

t h e n s e n d s b a c k S Y N A C K m e s s a g e s w h i c h a r e n e v e r

a c k n o w l e d g e d . A s a r e s u l t , t h e v i c t i m ' s c o n n e c t i o n

q u e u e l l s u p , a n d T C P s e r v i c e s a r e d e n i e d t o l e g i t -

i m a t e u s e r s .

A l t h o u g h t h e S Y N a t t a c k m a k e s u s e o f t h e f e a t u r e s

o f a p a r t i c u l a r p r o t o c o l , i t i s e a s y t o s e e h o w i t c o u l d

b e g e n e r a l i z e d . A n a t t a c k e r i n i t i a t e s a n a u t h e n t i c a t i o n

p r o t o c o l w i t h i t s i n t e n d e d v i c t i m , u s i n g a f a k e i d e n t i t y .

A t s o m e p o i n t i n t h e p r o t o c o l , t h e a t t a c k e r s i m p l y s t o p s

p a r t i c i p a t i n g . T h e v i c t i m i s l e f t w i t h a n u n m a n a g e a b l y

l a r g e n u m b e r o f u n c o m p l e t e d p r o t o c o l s o n i t s h a n d s ,

a n d s h u t s d o w n o p e r a t i o n s . T h e v i c t i m c a n n o t d e f e n d

a g a i n s t t h i s a t t a c k b y r e f u s i n g c o n n e c t i o n s f r o m t h e

a t t a c k e r , s i n c e t h e a t t a c k e r u s e s a f a k e i d e n t i t y , a n d

s o m e t i m e s a n u m b e r o f d i e r e n t f a k e i d e n t i t i e s .

A t t a c k s l i k e t h i s c a n b e f o i l e d b y t h e u s e o f g o o d a u -

t h e n t i c a t i o n p r o t o c o l s . B u t t w o t h i n g s n e e d t o b e k e p t

i n m i n d . F i r s t o f a l l , s u c h a p r o t o c o l m u s t p r o v i d e a u -

t h e n t i c a t i o n f r o m t h e v e r y b e g i n n i n g . I t i s n o t e n o u g h

t h a t t h e d e s t i n a t i o n h o s t s h o u l d b e a b l e t o v e r i f y t h e

o r i g i n o f t h e S Y N A C K A C K m e s s a g e . I t m u s t b e a b l e

t o v e r i f y t h e o r i g i n o f t h e S Y N m e s s a g e a s w e l l . T h i s

i s i n c o n t r a s t t o s u c h d e n i t i o n s o f p r o t o c o l s e c u r i t y

a s a r e f o u n d i n 3 ] , i n w h i c h c o r r e c t n e s s i s d e n e d i n

t e r m s o f t h e g u a r a n t e e s t h a t m u s t h o l d i f t h e e n t i r e p r o -


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t o c o l c o m p l e t e s . T h u s t h e r e q u i r e m e n t s f o r p r o t e c t i o n

a g a i n s t d e n i a l o f s e r v i c e a p p e a r t o b e m u c h s t r o n g e r

t h a n u s u a l a u t h e n t i c a t i o n r e q u i r e m e n t s .

O n t h e o t h e r h a n d , s t r o n g a u t h e n t i c a t i o n i t s e l f c a n

b e a h o o k f o r d e n i a l o f s e r v i c e a t t a c k s , s i n c e t h e m e c h -

a n i s m s u s e d t o p r o v i d e i t a r e c o m p u t a t i o n a l l y i n t e n s e .

F o r e x a m p l e , s u p p o s e t h a t t h e S Y N m e s s a g e w a s p r o -

t e c t e d b y a d i g i t a l s i g n a t u r e . A n a t t a c k e r c o u l d s e n d

a n u m b e r o f b o g u s S Y N m e s s a g e s w i t h i n c o r r e c t s i g -

n a t u r e s , a n d t h e v i c t i m w o u l d u s e u p i t s r e s o u r c e s i n

v e r i f y i n g t h e s i g n a t u r e s i n s t e a d o f i n s t o r i n g t h e S Y N

m e s s a g e s i n t h e c o n n e c t i o n q u e u e . T h e r e s u l t s , h o w -

e v e r , w o u l d b e s i m i l a r .

T h e a p p r o a c h t h a t h a s b e e n t a k e n t o r e s o l v e t h e s e

c o n i c t i n g r e q u i r e m e n t s h a s b e e n t o u s e w e a k a u t h e n -

t i c a t i o n w h e n t h e p r o t o c o l i s i n i t i a t e d , b u t s t r o n g e r

a u t h e n t i c a t i o n a s i t c o m p l e t e s . T h u s t h e p r o t o c o l p r o -

v i d e s p r o t e c t i o n a g a i n s t a w e a k a t t a c k e r i n i t s i n i -

t i a l s t a g e s w i t h o u t l e a v i n g i t s e l f v u l n e r a b l e t o d e n i a l

o f s e r v i c e a t t a c k s t h a t t a k e a d v a n t a g e o f s t r o n g a u -

t h e n t i c a t i o n , w h i l e s t i l l u l t i m a t e l y p r o t e c t i n g t h e p r o -

t o c o l a g a i n s t s p o o n g b y a s t r o n g a t t a c k e r . T h i s d o e s

n o t l e a v e t h e p r o t o c o l c o m p l e t e l y i n v u l n e r a b l e a g a i n s t

a d e n i a l o f s e r v i c e a t t a c k b y a s t r o n g o p p o n e n t , b u t

i t m e a n s t h a t t h a t o p p o n e n t w i l l h a v e t o w o r k m u c h

h a r d e r , h a v i n g r s t t o b r e a k t h e w e a k a u t h e n t i c a t i o n

m e c h a n i s m s .

A c l a s s i c e x a m p l e o f t h i s a p p r o a c h i s o e r e d b y P h o -

t u r i s 1 0 ] . A P h o t u r i s e x c h a n g e b e g i n s w i t h a n i n t e r -

c h a n g e o f c o o k i e s . A c o o k i e i s a u n i q u e n o n c e c o m p u t e d

f r o m t h e n a m e s o f t h e s e n d i n g a n d r e c e i v i n g p a r t i e s a n d

l o c a l s e c r e t i n f o r m a t i o n a v a i l a b l e o n l y t o t h e s e n d e r .

T h u s o n l y t h e s e n d e r c a n o r i g n i a t e a c o o k i e t h a t i t w i l l

a c c e p t , a n d o n l y t h e o r i g i n a t o r o f a c o o k i e c a n v e r i f y

t h a t i s g e n u i n e . A l s o , t h e c o o k i e g e n e r a t i o n a n d v e r i -

c a t i o n m e t h o d s a r e r e q u i r e d t o b e f a s t , t o m a k e t h e m

l e s s v u l n e r a b l e t o d e n i a l o f s e r v i c e a t t a c k s . A f t e r i n i t i a -

t o r a n d r e s p o n d e r e x c h a n g e c o o k i e s , b o t h c o o k i e s a r e

i n c l u d e d i n a l l f u r t h e r m e s s a g e s . W h e n e i t h e r p a r t y

r e c e i v e s a m e s s a g e , i t r s t v e r i e s t h e c o o k i e . W i t h

t h i s i t g e t s t h e a s s u r a n c e t h a t t h e m e s s a g e m u s t h a v e

b e e n s e n t a f t e r t h e c o o k i e w a s g e n e r a t e d , a n d b y s o m e -

o n e w h o w a s a b l e t o s e e t h e c o o k i e . T h u s t h e r e c e i v e r

k n o w s t h a t , i f n o i n t r u d e r w i t h t h e c a p a b i l i t y t o g e n -

e r a t e n e w m e s s a g e s o u t o f r e c e n t m e s s a g e s i s p r e s e n t ,

t h e n t h e m e s s a g e i s g e n u i n e . O n c e t h i s l e v e l o f a s s u r -

a n c e i s a t t a i n e d , t h e r e c e i v e r p e r f o r m s t h e r e s t o f t h e

v e r i c a t i o n t o a c h i e v e a h i g h e r d e g r e e o f a s s u r a n c e .

C o o k i e s p r o v i d e a n a d d - o n t h a t c a n b e u s e d t o m a k e

a n e x i s t i n g p r o t o c o l m o r e r e s i s t a n t t o d e n i a l o f s e r v i c e .

B u t i t i s a l s o p o s s i b l e t o u s e t h e s e s a m e p r i n c i p a l s a s

t h e b a s i s f o r t h e d e s i g n o f a n e n t i r e p r o t o c o l . T h i s i s

w h a t i s d o n e b y K e n t e t a l . i n 1 1 ] , i n w h i c h a p r o t o -

c o l i s d e v e l o p e d t h a t u s e s s i g n e d L a m p o r t h a s h c h a i n s

1 3 ] t o p l a y t h e r o l e o f c o o k i e s i n p r o v i d i n g t h e w e a k

a u t h e n t i c a t i o n , w h i l e d i g i t a l s i g n a t u r e s a r e u s e d t o p r o -

v i d e t h e s t r o n g a u t h e n t i c a t i o n . S i n c e t h e h a s h c h a i n s

a r e p r e c o m p u t e d a n d p r e - a u t h e n t i c a t e d , a m e m b e r o f

t h e c h a i n c a n b e i n s e r t e d i n a s i g n e d m e s s a g e w i t h o u t

h a v i n g t o i n c l u d e a n i n i t i a l c o o k i e e x c h a n g e i n t h e p r o -

t o c o l . T h u s t h e p a r t i c i p a n t s g a i n t h e w e a k a s s u r a n c e

w i t h o u t h a v i n g t o i n c l u d e a p a i r o f c o o k i e e x c h a n g e

m e s s a g e s i n e a c h i n s t a n c e o f t h e p r o t o c o l . T h e s t r o n g

a s s u r a n c e c a n t h e n b e g a i n e d w i t h i n t h e s a m e m e s s a g e

b y v e r i f y i n g t h e d i g i t a l s i g n a t u r e . A s e p a r a t e p r o t o c o l

i s n e e d e d t o s e t u p t h e h a s h c h a i n s , b u t t h i s n e e d s t o

e x e c u t e d m u c h l e s s o f t e n .

A s w e c a n s e e , t h e a s s u r a n c e o e r e d b y t h e s e p r o -

t o c o l s c a n i n c r e a s e i n t w o w a y s . F i r s t o f a l l , i t c a n

i n c r e a s e m o n o t o n i c a l l y a s e a c h m e s s a g e i s s e n t . I n t h e

c o o k i e e x c h a n g e , t h e r e c e i v e r o f a c o o k i e h a s n o w a y o f

v e r i f y i n g t h a t t h e c o o k i e i t r e c e i v e s i s g e n u i n e , s o n o a s -

s u r a n c e i s o e r e d a t t h i s s t a g e . A s t h e r e m a i n i n g m e s -

s a g e s a r e r e c e i v e d a n d v e r i e d , h o w e v e r , t h e a m o u n t o f

a s s u r a n c e i n c r e a s e s . T h e o t h e r w a y i n w h i c h t h e a s s u r -

a n c e c a n i n c r e a s e i s a s a m e s s a g e i s v e r i e d , a s i n 1 1 ] ,

i n w h i c h a l l m e s s a g e s a r e b o t h s i g n e d a n d i n c l u d e a

c h a i n e d h a s h . W h e n a p a r t y r e c e i v e s a m e s s a g e , i t c a n

v e r i f y t h e c h a i n e d h a s h t o d e t e r m i n e i t s f r e s h n e s s ; t h e n

i t c a n v e r i f y t h e d i g i t a l s i g n a t u r e t o d e t e r m i n e t h a t t h e

m e s s a g e i s n o t o n l y r e c e n t b u t a u t h e n t i c .

T h e l e v e l o f d i c u l t y o f t h e p r o t o c o l e x e c u t i o n a l s o

i n c r e a s e s w i t h t h e l e v e l o f a s s u r a n c e . T h e c o o k i e e x -

c h a n g e s i n P h o t u r i s p r o c e e d w i t h a v e r y l o w d e g r e e o f

a s s u r a n c e ; h o w e v e r , c o o k i e g e n e r a t i o n i s i n t e n d e d t o

b e c h e a p , s o t h e r i s k t o d e n i a l o f s e r v i c e i s l e s s e n e d .

B u t t h e p r o t e c t i o n a g a i n s t d e n i a l o f s e r v i c e p r o v i d e d

b y i n c l u d i n g c o o k i e s i n t h e l a t e r m e s s a g e s i s s o m e w h a t

h i g h e r , a n d i t g i v e s t h e r e c e i v e r s o f t h e m e s s a g e s t h e

c o n d e n c e n e c e s s a r y t o p r o c e e d t o t h e n e x t , m o r e e x -

p e n s i v e s t a g e o f t h e a u t h e n t i c a t i o n . L i k e w i s e f o r t h e

p r o t o c o l i n 1 1 ] , v e r i c a t i o n o f c h a i n e d h a s h e s i s c h e a p

c o m p a r e d t o s i g n a t u r e v e r i c a t i o n .

W e s e e t h a t t h e t y p e o f a s s u r a n c e w e m u s t a t t e m p t

t o g a i n h e r e i s s o m e w h a t d i e r e n t f r o m t h a t t h e t y p e

o f r e s u l t s t h a t w e a t t e m p t t o p r o v e t o s h o w t h a t a

p r o t o c o l s a t i s e s i t s a u t h e n t i c a t i o n g o a l s . F o r a n a u -

t h e n t i c a t i o n p r o t o c o l , w e g e n e r a l l y o n l y n e e d t o p r o v e

t h a t i t s r e q u i r e m e n t s a r e s a t i s e d w h e n t h e p r o t o c o l

c o m p l e t e s . M o r e o v e r , w e a t t e m p t t o p r o v e t h a t t h e

p r o t o c o l i s s o u n d a g a i n s t t h e a t t a c k s o f a u n i f o r m l y

s t r o n g i n t r u d e r . B u t i n o r d e r t o p r o v e t h a t a p r o t o -

c o l i s s e c u r e a g a i n s t d e n i a l o f s e r v i c e a t t a c k s , w e m u s t

s h o w t h a t i t s a t i s e s t h e n e c e s s a r y p r o p e r t i e s a t e a c h

s t e p o f t h e w a y . M o r e o v e r , t h e a s s u m p t i o n s a b o u t t h e

i n t r u d e r ' s s t r e n g t h s t h a t w e c o n s i d e r m a y v a r y a s t h e


3/11

p r o t o c o l p r o c e e d s .

T h u s t h e p r o c e s s o f a s s u r i n g t h a t a p r o t o c o l i s s e -

c u r e a g a i n s t d e n i a l o f s e r v i c e i s p o t e n t i a l l y m u c h m o r e

c o m p l e x t h a n t h e p r o b l e m o f a s s u r i n g t h a t a p r o t o -

c o l s a t i s e s i t s a u t h e n t i c a t i o n r e q u i r e m e n t s . H o w e v e r ,

t h e u n d e r l y i n g p r o c e s s , s h o w i n g t h a t c e r t a i n a u t h e n t i -

c a t i o n g o a l s a r e a c h i e v e d i n t h e f a c e o f a t t a c k b y a n

i n t r u d e r w h o p o s s e s s e s c e r t a i n c a p a b i l i t i e s , i s s i m i l a r

t o t h a t u s e d t o s h o w t h a t a p r o t o c o l s a t i s e s i t s a u -

t h e n t i c a t i o n r e q u i r e m e n t s . T h u s i t s h o u l d b e p o s s i b l e

t o a p p l y m a n y o f t h e t o o l s a n d t e c h n i q u e s t h a t h a v e

b e e n d e v e l o p e d f o r t h e v e r i c a t i o n o f a u t h e n t i c a t i o n

p r o p e r t i e s t o t h e a n a l y s i s o f d e n i a l o f s e r v i c e . I n t h i s

p a p e r w e p r o v i d e a f r a m e w o r k f o r e v a l u a t i n g a p r o t o c o l

f o r r e s i s t a n c e t o d e n i a l o f s e r v i c e a t t a c k s i n a w a y t h a t

i s i n t e n d e d t o a l l o w u s t o m a k e m a x i m a l u s e o f t h e s e

t o o l s .

T h e r e m a i n d e r o f t h e p a p e r i s o r g a n i z e d a s f o l l o w s .

I n S e c t i o n 2 w e m o t i v a t e a n d p r e s e n t t h e f r a m e w o r k .

I n S e c t i o n 3 w e a p p l y t h e f r a m e w o r k t o a n e x a m p l e . I n

S e c t i o n 4 w e d i s c u s s t h e w a y s i n w h i c h e x i s t i n g s e c u r i t y

p r o t o c o l a n a l y s i s t o o l s a n d m e t h o d s c o u l d b e m o d i e d

t o v e r i f y p r o t o c o l s w i t h i n t h i s f r a m e w o r k .

2 T h e F r a m e w o r k

O u r c o n s t r u c t i o n o f t h e f r a m e w o r k b e g i n s w i t h t h e

o b s e r v a t i o n t h a t a n y p o i n t a t w h i c h d u r i n g a p r o t o c o l

e x e c u t i o n a t w h i c h a r e s p o n d e r m a y a c c e p t a b o g u s

m e s s a g e a s g e n u i n e c o u l d b e u s e d t o l a u n c h a d e n i a l

o f s e r v i c e a t t a c k . I f a b o g u s i n i t i a l m e s s a g e c o u l d b e

a c c e p t e d a s g e n u i n e , a n a t t a c k s u c h a s t h e S Y N a t t a c k

w o u l d b e p o s s i b l e , i n w h i c h t h e t a r g e t w a s t e s i t s r e -

s o u r c e s s t o r i n g a n d r e s p o n d i n g t o b o g u s m e s s a g e s . I f

a b o g u s i n t e r m e d i a t e m e s s a g e i s a c c e p t e d , t h i s c o u l d

c a u s e t h e t a r g e t t o w a s t e e v e n m o r e o f i t s r e s o u r c e s t o

g e t t o t h a t p o i n t i n t h e p r o t o c o l . F i n a l l y , i f a b o g u s

n a l m e s s a g e i s a c c e p t e d a s g e n u i n e , t h i s c o u l d g i v e

r i s e t o a p a r t i c u l a r l y i n s i d i o u s d e n i a l o f s e r v i c e a t t a c k

i n w h i c h a p r i n c i p a l b e l i e v e s t h a t i t h a s b e e n p r o v i d e d

a s e r v i c e ( e . g . a k e y s h a r e d w i t h a n o t h e r p a r t y ) w h e n

i n f a c t t h i s s e r v i c e w a s n o t p r o v i d e d . W e w i l l r e f e r t o

t h e s e t y p e s o f a t t a c k s a s s e r v i c e s p o o n g a t t a c k s . S i m i -

l a r c o n c e r n s e x i s t f o r t h e c a s e o f t h e i n i t i a t o r , a l t h o u g h

t h e s e a r e n o t a s s t r o n g h e r e , s i n c e a d e n i a l o f s e r v i c e

a t t a c k w o u l d i n m o s t c a s e s r e q u i r e t h e i n i t i a t o r t o i n i -

t i a t e a l a r g e n u m b e r o f p r o t o c o l s , w h i c h t h e a t t a c k e r

t h e n s u b v e r t s . T h i s i s n o t i m p o s s i b l e , b u t i t i s n o t c e r -

t a i n l y n o t a s l i k e l y a s t h e a t t a c k e r i n i t i a t i n g a l a r g e

n u m b e r o f p r o t o c o l s .

T h e f a c t t h a t a c e r t a i n d e g r e e o f g u a r a n t e e m u s t

b e a c h i e v e d a t e a c h s t e p o f t h e w a y n a t u r a l l y l e a d s u s

t o G o n g a n d S y v e r s o n ' s c o n c e p t o f f a i l - s t o p p r o t o c o l s

7 ] . B r i e y , a p r o t o c o l i s f a i l - s t o p i f a n y b o g u s m e s s a g e

( t h a t i s , a r e p l a y o r a m e s s a g e m a n u f a c t u r e d b y t h e

i n t r u d e r ) c a n b e d e t e c t e d , a n d t h e p r o t o c o l h a l t s u p o n

d e t e c t i o n .

F a i l - s t o p p r o t o c o l s h a v e s o m e o f t h e d e s i r a b l e f e a -

t u r e s o f a d e n i a l - o f - s e r v i c e - r e s i s t a n t p r o t o c o l . H o w -

e v e r , i n o r d e r t o a c h i e v e t h e f a i l - s t o p p r o p e r t y , t h e y

m u s t m a k e u s e o f s t r o n g a u t h e n t i c a t i o n r i g h t f r o m t h e

b e g i n n i n g . T h i s m a k e s f a i l - s t o p p r o t o c o l s p o t e n t i a l l y

v u l n e r a b l e t o d e n i a l o f s e r v i c e a t t a c k s i n w h i c h t h e t a r -

g e t i s f o r c e d t o u s e u p r e s o u r c e s v e r i f y i n g b o g u s m e s -

s a g e s . T h u s w e n e e d t o m o d i f y o u r c o n c e p t o f f a i l - s t o p

i n o r d e r t o m a k e i t a p p l i c a b l e t o o u r n e e d s . H o w e v e r ,

w e w i l l d o s o i n t h e m a n n e r w e s u g g e s t e d e a r l i e r i n

t h i s p a p e r , b y m o d i f y i n g o u r n o t i o n o f a n i n t r u d e r ' s

c a p a b i l i t y .

2.1 Alice-and-Bob Specifications and Causal Se-quencing

I n t h i s p a p e r w e w i l l b e m a k i n g u s e o f t h e p o p u -

l a r \ A l i c e - a n d - B o b " s p e c i c a t i o n s t y l e . T h i s h a s b e e n

c r i t i c i z e d a s c o n f u s i n g t h e d e s c r i p t i o n o f w h a t s h o u l d

h a p p e n w i t h w h a t a c t u a l l y d o e s h a p p e n 6 ] . B u t i n

t h i s c a s e , a d e s c r i p t i o n o f w h a t d o e s h a p p e n w h i c h c a n

b e m a d e t o c o r r e s p o n d t o a d e s c r i p t i o n o f w h a t s h o u l d

h a p p e n i s e x a c t l y w h a t w e w a n t , s o m u c h s o t h a t w e a r e

l e d t o a f o r m a l d e n i t i o n o f w h a t w e w i l l c a l l a n n o t a t e d

A l i c e - a n d - B o b s p e c i c a t i o n s .

D e n i t i o n 1 A n A l i c e - a n d - B o b s p e c i c a t i o n i s a s e -

q u e n c e o f s t a t e m e n t s o f t h e f o r m A ! B : M w h e r e

A a n d B a r e p r o c e s s e s a n d M i s a m e s s a g e .

S i n c e w e a r e i n t e r e s t e d i n h o w m e s s a g e s a r e p r o -

c e s s e d , a s w e l l a s w h a t m e s s a g e s a r e s e n t , w e n e e d t o

a n n o t a t e o u r A l i c e - a n d - B o b s p e c i c a t i o n s t o i n c l u d e

m e s s a g e p r o c e s s i n g s t e p s .

D e n i t i o n 2 A n a n n o t a t e d A l i c e - a n d - B o b s p e c i c a -

t i o n i s a s e q u e n c e o f s t a t e m e n t s o f t h e f o r m A ! B :

T

1

; : : : ; T

k

k M k O

1

; : : : ; O

n

w h e r e A a n d B a r e p r o -

c e s s e s , M i s a m e s s a g e , a n d T

1

; : : : ; T

k

a n d O

1

, . . . , O

n

a r e s e q u e n c e s o f o p e r a t i o n s p e r f o r m e d b y A a n d B , r e -

s p e c t i v e l y .

T h e s e q u e n c e T

1

; : : : ; T

k

p r e c e d i n g t h e m e s s a g e i n a n

a n n o t a t e d A l i c e - a n d - B o b s p e c i c a t i o n r e p r e s e n t s t h e

s e q u e n c e o f o p e r a t i o n s p e r f o r m e d b y A i n p r o d u c i n g

M , w h i l e t h e s e q u e n c e O

1

; : : : ; O

n

r e p r e s e n t s t h e s e -

q u e n c e o f o p e r a t i o n s p e r f o r m e d b y B i n p r o c e s s i n g a n d

v e r i f y i n g M . W e n o w l o o k a t t h e m a k e - u p o f a l i n e i n

a n A l i c e - a n d - B o b p r o t o c o l m o r e c l o s e l y .


4/11


5/11

r e a s o n a b l e w h e n w e a r e a t t e m p t i n g t o a v o i d d e n i a l o f

s e r v i c e a t t a c k s : a p r i n c i p a l s h o u l d n o t r i s k w a s t i n g r e -

s o u r c e s o n c r e a t i n g a m e s s a g e u n t i l i t h a s v e r i e d t h a t

t h e m e s s a g e s i t h a s r e c e i v e d a r e g e n u i n e .

2.2 Fail-Stop Protocols

A f a i l - s t o p p r o t o c o l i s o n e t h a t p r o v i d e s a c e r t a i n

d e g r e e o f s e c u r i t y a g a i n s t a t t a c k . T h u s , i n o r d e r t o d e -

n e a f a i l - s t o p p r o t o c o l , w e n e e d r s t t o s a y w h a t a n

a t t a c k i s . B u t a n a t t a c k d e s c r i b e s a b e h a v i o r o f t h e

i m p l e m e n t e d p r o t o c o l t h a t d e v i a t e s f r o m i t s r e q u i r e -

m e n t s . A n A l i c e - a n d - B o b s p e c i c a t i o n d e s c r i b e s t h e

d e s i r e d b e h a v i o r v e r y w e l l ; w h a t w e n e e d t o s u p p l y a s

w e l l t h e d e r i v a t i o n o f a n i m p l e m e n t a t i o n o f a p r o t o c o l

f r o m a n A l i c e - a n d - B o b s p e c i c a t i o n a s f o l l o w s . T h i s

w i l l a l l o w u s t o m a k e c l e a r t h e d i e r e n c e b e t w e e n a c -

t u a l a n d r e q u i r e d b e h a v i o r .

D e n i t i o n 6 A n i m p l e m e n t a t i o n o f a n A l i c e - a n d - B o b

s p e c i c a t i o n i s a s e t o f p r o g r a m s , o n e f o r e a c h p a r t i c -

i p a n t i n t h e p r o t o c o l . W e s a y t h a t t h e p r o g r a m c o r r e -

s p o n d i n g t o A i m p l e m e n t s A a n d r e f e r t o i t a t P r ( A ) .

M u l t i p l e c o p i e s o f t h i s p r o g r a m c a n e x i s t a n d c a n b e

r u n n i n g o n b e h a l f o f d i e r e n t p r i n c i p a l s . P r ( A ) h a s

t h e f o l l o w i n g p r o p e r t i e s :

1 . F o r e a c h i n s t a n c e o f A ! B : R

1

; : : : ; R

m

k M k

O

1

; : : : ; O

n

i n t h e p r o t o c o l t h e r e a r e c o r r e s p o n d i n g

p o r t i o n o f P r ( A ) d e s c r i b i n g A p e r f o r m i n g t h e o p -

e r a t i o n s R

1

; : : : ; R

m

a n d s e n d i n g t h e r e s u l t i n g m e s -

s a g e t o B . W h e n w e c a n a v o i d c o n f u s i o n , w e

w i l l r e f e r t o t h e s e a s P r ( A ) A ! B : M ] a n d

P r ( A ) R

i

] .

2 . F o r e a c h i n s t a n c e o f C ! A : R

1

; : : : ; R

m

k M k O

1

; : : : ; O

n

, t h e r e a r e c o r r e s p o n d i n g p o r -

t i o n s o f P r ( A ) d e s c r i b i n g A r e c e i v i n g a m e s s a g e .

p e r f o r m i n g t h e o p e r a t i o n s O

1

; : : : ; O

n

o n a r e c e i v e d

m e s s a g e , a n d h a l t i n g i f a n y o f t h e v e r i c a t i o n o p -

e r a t i o n s f a i l . W h e n w e c a n a v o i d c o n f u s i o n , w e

w i l l r e f e r t o t h e s e a s P r ( A ) B ! A : M ] a n d

P r ( A ) O

i

] .

3 . I f b o t h E

1

a n d E

2

o c c u r a t A , a n d E

1

d e s i r a b l y -

p r e c e d e s E

2

, t h e n P r ( A ) E

1

] a l w a y s e x e c u t e s b e -

f o r e P r ( A ) E

2

] .

W e d o n o t g o a n y f u r t h e r i n t o d e s c r i b i n g a p r o -

c e d u r e f o r d e r i v i n g i m p l e m e n t a t i o n s f r o m a n n o t a t e d

A l i c e - a n d - B o b s p e c i c a t i o n s , b u t w e n o t e t h a t a n u m -

b e r o f t o o l s , s u c h a s C a s p e r 1 6 ] a n d t h e C A P S L - t o -

N R L t r a n s l a t o r 1 ] a l r e a d y e x i s t t h a t p r o v i d e s u c h a

f u n c t i o n a l i t y b y t r a n s l a t i n g h i g h - l e v e l A l i c e - a n d - B o b -

s t y l e s p e c i c a t i o n s i n t o p r o c e s s a l g e b r a a n d s t a t e m a -

c h i n e s p e c i c a t i o n s .

D e n i t i o n 7 W e s a y t h a t t h e e v e n t B r e c e i v e s M

f r o m A i n a c r y p t o g r a p h i c p r o t o c o l h a s o c c u r r e d i f t h e

p r o g r a m f r a g m e n t P r ( B ) A ! B : M ] h a s e x e c u t e d

s u c c e s s f u l l y . W e s a y t h a t M h a s b e e n i n t e r f e r e d w i t h i f

t h e e v e n t B r e c e i v e s M f r o m A o c c u r s b u t s o m e e v e n t

d e s i r a b l y - p r e c e d i n g i t d i d n o t .

N o t e t h a t t h e f a c t t h a t B r e c e i v e s M f r o m A o c c u r s

d o e s n o t m e a n t h e B a c t u a l l y r e c e i v e d M f r o m A o r

a n y o n e e l s e . I t s i m p l y m e a n s t h a t B r e c e i v e d a m e s s a g e

a t t h e p o i n t a t w h i c h i t w a s e x p e c t i n g t h e m e s s a g e M ,

a n d i t i s r e a d y t o p e r f o r m a s e t o f t e s t s t o d e t e r m i n e

w h e t h e r t h e m e s s a g e w a s g e n u i n e l y M . T h u s a l t h o u g h

w e u s e t h e t e r m \ i n t e r f e r e d w i t h " t o b e c o n s i s t e n t w i t h

t h e l a n g u a g e i n 7 ] , w e n o t e t h a t i t c o v e r s n o t o n l y

m e s s a g e s t h a t w e r e t a m p e r e d w i t h , b u t f a k e m e s s a g e s

g e n e r a t e d b y a n i n t r u d e r .

W e a r e n o w r e a d y f o r t h e d e n i t i o n o f f a i l - s t o p f r o m

7 ] , m o d i e d s l i g h t l y t o t a k e i n t o a c c o u n t o u r s l i g h t l y

d i e r e n t d e n i t i o n o f a n e v e n t .

D e n i t i o n 8 A n A l i c e - a n d - B o b s p e c i c a t i o n o f a

c r y p t o g r a p h i c p r o t o c o l i s f a i l - s t o p i f , w h e n e v e r a m e s -

s a g e i s i n t e r f e r e d w i t h , t h e n n o a c c e p t e v e n t d e s i r a b l y -

a f t e r t h e r e c e i v i n g o f t h a t m e s s a g e w i l l o c c u r .

W e h a v e a s y e t s a i d n o t h i n g y e t a b o u t o u r a s s u m p -

t i o n s a b o u t a n i n t r u d e r ' s c a p a b i l i t i e s . I n m o s t o f t h e

l i t e r a t u r e o n c r y p t o g r a p h i c p r o t o c o l a n a l y s i s , t h e a s -

s u m p t i o n s t h a t a r e m a d e a b o u t w h a t a n i n t r u d e r c a n

d o a r e t h e s a m e . A n i n t r u d e r i s a s s u m e d t o b e a b l e t o

r e a d a l l t r a c , d e l e t e a n d m o d i f y t r a c , h a v e a c c e s s

t o s y s t e m o p e r a t i o n s s u c h a s t h e e n c r y p t i o n f u n c t i o n s

u s e d , t o b e i n c o l l u s i o n w i t h s o m e l e g i t i m a t e u s e r s o f

t h e s y s t e m , a n d p o s s i b l y h a v e a c c e s s t o c o m p r o m i s e d

s e s s i o n k e y s a n d o t h e r s e c r e t s f r o m p r e v i o u s e x e c u t i o n s

o f t h e p r o t o c o l . I n o u r c a s e , o f c o u r s e , w e a r e i n t e r e s t e d

i n i n t r u d e r s w i t h d i e r e n t c a p a b i l i t i e s :

D e n i t i o n 9 W e d e n e a n i n t r u d e r a c t i o n t o b e a n

e v e n t e n g a g e d i n b y a n i n t r u d e r t h a t a e c t s m e s s a g e s

r e c e i v e d b y l e g i t i m a t e p a r t i c i p a n t s i n a p r o t o c o l . W e d e -

n e a n i n t r u d e r c a p a b i l i t y t o b e a s e t o f a c t i o n s a v a i l -

a b l e t o a n i n t r u d e r , p a r t i a l l y o r d e r e d b y s e t i n c l u s i o n .

W e d o n o t l i s t t h e t y p e s o f c a p a b i l i t i e s a v a i l a b l e t o

t h e i n t r u d e r , s i n c e a t t h i s p o i n t w e d o n o t w a n t t o l i m i t

o u r s e l v e s . H o w e v e r , e x a m p l e s w o u l d i n c l u d e s u c h c a s e s

a s a n i n t r u d e r w h o c o u l d s e n d m e s s a g e s b u t n o t r e a d

m e s s a g e s t h a t w e r e n o t a d d r e s s e d t o i t , a n i n t r u d e r

w h o c o u l d s e n d a n d r e a d m e s s a g e s b u t n o t b l o c k m e s -

s a g e s , a n i n t r u d e r w h o c o u l d s e n d , r e a d , a n d b l o c k m e s -

s a g e s , b u t c o u l d n o t r e p l a c e t h e b l o c k e d m e s s a g e s w i t h

o t h e r m e s s a g e s i n r e a l t i m e , a n d s o f o r t h . W e m i g h t


6/11

a l s o w a n t t o i n c l u d e a c t i o n s o u t s i d e t h e u s u a l i n t r u d e r

m o d e l , s u c h a s t h e a b i l i t y t o b r e a k c e r t a i n c l a s s e s o f

c r y p t o s y s t e m s .

D e n i t i o n 1 0 L e t b e a f u n c t i o n f r o m t h e s e t o f

e v e n t s d e n e d b y a n a n n o t a t e d A l i c e - a n d - B o b s p e c i -

c a t i o n P t o a s e t o f i n t r u d e r c a p a b i l i t i e s . W e r e f e r t o

a s a n i n t r u d e r c a p a b i l i t y f u n c t i o n . W e s a y t h a t P

i s f a i l - s t o p w i t h r e s p e c t t o i f , f o r e a c h e v e n t E i n

t h e s y s t e m , i f a n i n t r u d e r o f c a p a b i l i t y ( E ) i n t e r f e r e s

w i t h a n y m e s s a g e d e s i r a b l y - c a u s a l l y - p r e c e d i n g E , t h e n

n e i t h e r E n o r a n y e v e n t s d e s i r a b l y - a f t e r E w i l l o c c u r .

T h e i d e a b e h i n d a n i n t r u d e r c a p a b i l i t y f u n c t i o n i s

t h a t , f o r e a c h a c c e p t e v e n t E , a n i n t r u d e r o f c a p a b i l i t y

( E ) s h o u l d n o t b e a b l e t o c a u s e E t o o c c u r b y u s i n g

i t s c a p a b i l i t i e s t o m a n i p u l a t e t h e s y s t e m .

I f w e s e t ( E ) t o b e t h e u s u a l i n t r u d e r c a p a b i l i t y

w h e n e v e r E i s a n a c c e p t e v e n t , a n d t h e n u l l c a p a b i l i t y

f o r a l l o t h e r e v e n t s , t h e n t h e r e a d e r c a n v e r i f y t h a t o u r

d e n i t i o n o f f a i l - s t o p i s e q u i v a l e n t t o G o n g a n d S y v e r -

s o n ' s . I n t h e c a s e o f d e n i a l o f s e r v i c e , t h o u g h , w e m a y

w a n t t o b e g r a d u a l l y i n c r e a s i n g w i t h r e s p e c t t o n a l

v e r i c a t i o n e v e n t s . F o r e x a m p l e , i n t h e P h o t u r i s p r o -

t o c o l , t h e i n t r u d e r c a p a b i l i t y a s s o c i a t e d w i t h t h e r s t

a c c e p t e v e n t s , w h i c h o n l y c o n c e r n t h e c o o k i e e x c h a n g e ,

w o u l d b e t h e a b i l i t y t o r e a d a n d b l o c k m e s s a g e s , b u t

n o t h i n g e l s e , w h i l e t h e i n t r u d e r c a p a b i l i t y a s s o c i a t e d

w i t h t h e l a t e r e v e n t s i s g r e a t e r . W e w o u l d a l s o w a n t

t o b e g r a d u a l l y i n c r e a s i n g w i t h r e s p e c t t o a n y s e q u e n c e

o f v e r i c a t i o n e v e n t s o n a s i n g l e l i n e o f a n a n n o t a t e d

A l i c e - a n d - B o b s p e c i c a t i o n , s i n c e t h e a m o u n t o f a s s u r -

a n c e g a i n e d a f t e r e a c h c h e c k d o n e o n a s i n g l e m e s s a g e

s h o u l d i n c r e a s e t h e c o n d e n c e i n t h a t m e s s a g e .

I n t r u d e r c a p a b i l i t y f u n c t i o n s t e l l u s o n l y h a l f t h e

s t o r y , h o w e v e r . W e a l s o n e e d a w a y o f c a l c u l a t i n g t h e

e x p e n s e o f e x e c u t i n g e a c h p r o t o c o l s t e p . I n o r d e r t o d o

t h i s , w e n e e d t o d e n e a c o s t f u n c t i o n .

D e n i t i o n 1 1 A c o s t s e t C i s a p a r t i a l l y o r d e r e d s e t

w i t h p a r t i a l o r d e r


7/11

i t . T h i s i s p r o t e c t e d a g a i n s t b y p e r f o r m i n g t h e r e l a -

t i v e l y c h e a p v e r i c a t i o n e v e n t s r s t u p o n r e c e i v i n g a

m e s s a g e , a n d s h o u l d b e r e e c t e d i n t h e m e s s a g e a c -

c e p t a n c e c o s t s . I n p a r t i c u l a r , w e w o u l d l i k e t h e c o s t s

t o s t a r t o u t c h e a p , a n d o n l y b e c o m e m o r e e x p e n s i v e

t o w a r d s t h e e n d o f t h e m e s s a g e . T h e o t h e r i s t o p e r -

s u a d e a p r i n c i p a l t o w a s t e r e s o u r c e s p a r t i c i p a t i n g i n a

b o g u s i n s t a n c e o f t h e p r o t o c o l ; t h i s c a n b e d e f e n d e d

a g a i n s t b y p e r f o r m i n g c h e a p v e r i c a t i o n a n d c o m p u -

t a t i o n e v e n t s e a r l y i n t h e p r o t o c o l , a n d s h o u l d b e r e -

e c t e d i n t h e p r o t o c o l e n g a g e m e n t c o s t s .

W e a r e n o w r e a d y t o r e l a t e c o s t a n d i n t r u d e r c a p a -

b i l i t y f u n c t i o n s .

D e n i t i o n 1 4 L e t C b e a c o s t s e t a n d G a n i n t r u d e r

c a p a b i l i t y s e t . W e d e n e a t o l e r a n c e r e l a t i o n d e n e d

b y a p r o t o c o l d e s i g n e r t o b e t h e s u b s e t o f C G c o n -

s i s t i n g o f a l l p a i r s ( c , g ) s u c h t h a t t h e p r o t o c o l d e s i g n e r

i s w i l l i n g t o t o l e r a t e a s i t u a t i o n i n w h i c h a n e o r t o f

c o s t c t h a t p r o v i d e s s e c u r i t y a g a i n s t a n i n t r u d e r o f c a -

p a b i l i t y g b u t n o g r e a t e r . W e s a y t h a t ( c

0

, g

0

) , i s w i t h i n

t h e t o l e r a n c e r e l a t i o n i f t h e r e i s a ( c , g ) i n t h e r e l a t i o n

s u c h t h a t c

0

c a n d g

0

g .

W e d o n o t p u t a n y c o n s t r a i n t s o n t h e t o l e r a n c e r e -

l a t i o n , s i n c e w e b e l i e v e i t m a y v a r y f r o m s i t u a t i o n t o

s i t u a t i o n .

W e c a n n o w d e s c r i b e t h e p r o c e d u r e f o r e v a l u a t i n g

w h e t h e r o r n o t a p r o t o c o l i s s e c u r e a g a i n s t d e n i a l o f

s e r v i c e u s i n g t h e f o l l o w i n g s t e p s :

1 . D e c i d e w h a t y o u r c o s t f u n c t i o n i s , a n d w h a t y o u

a s s u m e t h e v a r i o u s c a p a b i l i t i e s o f t h e i n t r u d e r c a n

b e .

2 . D e c i d e w h a t y o u r t o l e r a n c e r e l a t i o n i s : h o w m u c h

a r e y o u w i l l i n g t o s p e n d t o p r o v i d e a c e r t a i n l e v e l

o f s e c u r i t y , a n d h o w m u c h i n s e c u r i t y a r e y o u w i l l -

i n g t o p u t u p w i t h g i v e n a c e r t a i n a m o u n t o f c o s t ?

3 . C a l c u l a t e a n i n t r u d e r c a p a b i l i t y f u n c t i o n s u c h

t h a t :

a ) I f E

1

i s a n e v e n t i m m e d i a t e l y p r e c e d i n g a v e r -

i c a t i o n e v e n t E

2

, i n a l i n e o f a p r o t o c o l , t h e n

(

0

( E

2

) , ( E

1

) ) i s i n t h e t o l e r a n c e r e l a t i o n . T h i s

m e a n s , t h a t , i f M i s t h e m e s s a g e r e c e i v e d i n t h e

l i n e i n w h i c h E

1

a n d E

2

a p p e a r , t h e c o s t o f g e t t i n g

t o t h e p o i n t w h e r e E

2

s u c c e e d s o r f a i l s i s

0

( E

2

) ,

a n d n o i n t r u d e r o f c a p a b i l i t y ( E

1

) w i l l h a v e b e e n

a b l e t o s u c c e s s f u l l y i n t e r f e r e w i t h M a f t e r E

1

h a s

n i s h e d e x e c u t i n g .

b ) I f E i s a n a c c e p t e v e n t , t h e n ( ( E ) , ( E ) ) i s i n

t h e t o l e r a n c e r e l a t i o n .

4 . V e r i f y t h a t t h e p r o t o c o l i s f a i l - s t o p w i t h r e s p e c t t o

.

N o t e t h a t S t e p 3 a ) a l l o w s u s t o r e a s o n a b o u t t h e

a b i l i t y o f a p r o t o c o l t o p r e v e n t a n i n t r u d e r f r o m m o u n t -

i n g a d e n i a l - o f - s e r v i c e a t t a c k b y c a u s i n g a l e g i t i m a t e

p r i n c i p a l t o w a s t e r e s o u r c e s p r o c e s s i n g a m e s s a g e b e -

f o r e i t h a s b e e n a b l e t o v e r i f y t h a t i t c o u l d n o t h a v e

b e e n s p o o f e d b y a n i n t r u d e r o f a c e r t a i n c a p a b i l i t y .

S t e p 3 b ) a l l o w s u s t o r e a s o n a b o u t t h e a b i l i t y o f a p r o -

t o c o l t o p r e v e n t a n i n t r u d e r f r o m m o u n t i n g a d e n i a l - o f -

s e r v i c e a t t a c k b y c a u s i n g a l e g i t i m a t e p r i n c i p a l t o w a s t e

r e s o u r c e s p a r t i c i p a t i n g i n a p r o t o c o l u p t o r e c e i v i n g a

p a r t i c u l a r m e s s a g e a n d r e s p o n d i n g t o i t , b e f o r e i t h a s

b e e n a b l e t o v e r i f y t h a t t h a t m e s s a g e c o u l d n o t h a v e

b e e n s p o o f e d b y a n i n t r u d e r o f a c e r t a i n c a p a b i l i t y .

3 E x a m p l e : T h e S t a t i o n - t o - S t a t i o n

P r o t o c o l

I n t h i s s e c t i o n w e s h o w h o w w e c a n a p p l y o u r f r a m e -

w o r k t o t h e S t a t i o n t o S t a t i o n p r o t o c o l o f D i e , v a n

O o r s c h o t , a n d W i e n e r . T h i s p r o t o c o l w a s d e s i g n e d

w i t h m e s s a g e e c o n o m y r a t h e r t h a n d e n i a l o f s e r v i c e

i n m i n d , s o , n o t s u r p r i s i n g l y , i t t u r n s o u t n o t t o m e e t

t h e d e m a n d s o f o u r f r a m e w o r k . H o w e v e r , t h e f r a m e -

w o r k c a n h e l p u s i d e n t i f y a r e a s o f w e a k n e s s a n d s u g g e s t

p o s s i b l e i m p r o v e m e n t s f r o m t h e d e n i a l o f s e r v i c e p e r -

s p e c t i v e .

T h e p r o t o c o l u s e s D i e - H e l l m a n f o r k e y g e n e r a -

t i o n a n d d i g i t a l s i g n a t u r e s f o r a u t h e n t i c a t i o n . I t i n -

v o l v e s a n u m b e r o f d i e r e n t o p e r a t i o n s , t o w h i c h w e

a s s i g n c o s t s a s f o l l o w s : e x p o n e n t i a t i o n o v e r a n i t e

e l d d u r i n g t h e p r o t o c o l e x e c u t i o n ( e x p e n s i v e ) , r e p r e -

s e n t e d b y e x p , e x p o n e n t i a t i o n o v e r a n i t e e l d w h i c h

c a n b e p r e c o m p u t e d ( m e d i u m ) , r e p r e s e n t e d b y p r e e x p ,

c o m p u t a t i o n a n d v e r i c a t i o n o f d i g i t a l s i g n a t u r e s ( e x -

p e n s i v e ) , r e p r e s e n t e d b y s i g n a n d c h e c k s i g , s i n g l e

k e y e n c r y p t i o n a n d d e c r y p t i o n ( m e d i u m ) , r e p r e s e n t e d

b y e n c r y p t a n d d e c r y p t , c h e c k i n g f o r t h e p r e s e n c e o f

n a m e s a n d r e t r i e v i n g n o n c e s ( c h e a p ) , r e p r e s e n t e d b y

c h e c k n a m e a n d r e t r i e v e n o n c e , a n d s t o r i n g o f n a m e s

a n d n o n c e s ( m e d i u m ) , r e p r e s e n t e d b y s t o r e n a m e a n d

s t o r e n o n c e . W e d e n e a + o p e r a t i o n o n c o s t s b y X + Y

= m a x ( X ; Y ) , w h e r e e x p e n s i v e > m e d i u m > c h e a p >

0 .

N e x t , l e t Z

P

b e t h e i n t e g e r s m o d u l o P f o r s o m e

P , l e t b e a g e n e r a t o r o f t h e m u l t i p l i c a t i v e g r o u p o f

Z

P

, l e t

x

d e n o t e r a i s e d t o t h e x ' t h p o w e r m o d P ,

l e t K =

X

B

X

A

=

X

A

X

B

, l e t E

K

r e p r e s e n t s i n g l e

k e y e n c r y p t i o n w i t h k e y K , a n d S

B

d e n o t e a d i g i t a l

s i g n a t u r e o b t a i n e d u s i n g B ' s p r i v a t e k e y . W e c a n n o w

u s e o u r n o t a t i o n t o d e s c r i b e t h e p r o t o c o l a s f o l l o w s :


8/11

1 . A ! B : p r e e x p

1

k

X

A

k

s t o r e n o n c e

1

; s t o r e n a m e

1

; a c c e p t

1

:

2 . B ! A :

p r e e x p

1

; s i g n

1

; e x p

1

; e n c r y p t

1

k

X

B

; E

K

( S

B

(

X

B

;

X

A

) ) k

c h e c k n a m e

1

; r e t r i e v e n o n c e

1

; e x p

2

; d e c r y p t

1

;

c h e c k s i g

1

; a c c e p t

2

:

3 . A ! B :

r e t r i e v e n o n c e

2

; s i g n

2

; e n c r y p t

2

k

E

K

( S

A

(

X

A

;

X

B

) ) k

c h e c k n a m e

2

; r e t r i e v e n o n c e

2

; d e c r y p t

2

;

c h e c k s i g

2

; a c c e p t

4

:

S i n c e w e a r e d e a l i n g w i t h a p r o t o c o l t h a t h a s a l -

r e a d y b e e n d e v e l o p e d , r a t h e r t h a n d e s i g n i n g o n e f r o m

s c r a t c h , w e w i l l p r o c e e d i n a n o r d e r s o m e w h a t d i e r e n t

t h a n t h a t r e c o m m e n d e d i n t h e l a s t s e c t i o n . F i r s t , w e

w i l l d e t e r m i n e t h e v a l u e s o f t h e c o s t f u n c t i o n s . S e c -

o n d l y , w e d e t e r m i n e t h e i n t r u d e r c a p a b i l i t y f u n c t i o n

w i t h r e s p e c t t o w h i c h t h e p r o t o c o l i s f a i l - s t o p . W e w i l l

u s e t h i s t o d e t e r m i n e a l i k e l y s e t o f t o l e r a n c e r e l a t i o n s ,

a n d d i s c u s s t h e i r s i g n i c a n c e t o t h e p r o t o c o l .

W e r s t n o t e t h a t p r o t o c o l e n g a g e m e n t c o s t f u n c t i o n

i s e x p e n s i v e f o r a l l a c c e p t e v e n t s . F o r t h e r s t , t h e r e -

s p o n d e r B m u s t c o m p u t e t h e D i e - H e l l m a n k e y a n d

s i g n a m e s s a g e . F o r t h e s e c o n d , t h e i n i t i a t o r A m u s t

c h e c k a s i g n a t u r e , c o m p u t e a D i e - H e l l m a n k e y a n d

s i g n a m e s s a g e . F o r t h e t h i r d , B m u s t c h e c k a s i g n a -

t u r e . F o r t h e m e s s a g e a c c e p t a n c e c o s t f u n c t i o n s , n o n e

i s d e n e d f o r t h e r s t m e s s a g e , s i n c e i t c o n t a i n s n o v e r -

i c a t i o n e v e n t s . F o r t h e s e c o n d t h e c o s t o f B ' s c h e c k i n g

t h e n a m e i s c h e a p , w h i l e t h e c o s t o f B ' s p e r f o r m i n g t h e

s i g n a t u r e i s e x p e n s i v e . L i k e w i s e f o r t h e t h i r d m e s s a g e :

t h e c o s t o f A ' s c h e c k i n g a n a m e i s c h e a p , w h i l e t h e c o s t

o f i t s c h e c k i n g a s i g n a t u r e i s e x p e n s i v e .

H o w d o e s t h e i n t r u d e r c a p a b i l i t y f u n c t i o n f a r e f o r

t h e a c c e p t e v e n t s ? C l e a r l y , s i n c e t h e r s t m e s s a g e i s

n o t a u t h e n t i c a t e d a t a l l , i t p r o t e c t s o n l y a g a i n s t a v e r y

w e a k i n t r u d e r , s o b e s t w e c a n t a k e ( a c c e p t

1

) t o b e i s

t h e i n t r u d e r w i t h t h e p o w e r s o f a n o n - m a l i c i o u s n e t -

w o r k , o r a n i n t r u d e r w i t h t h e c a p a b i l i t y o f s e n d i n g a

m e s s a g e . A n y i n t r u d e r w h o c o u l d c r e a t e a n a c c e p t a b l e -

l o o k i n g r e t u r n a d d r e s s s h o u l d b e a b l e t o d e f e a t t h e

p r o t o c o l a t t h i s p o i n t . W e c a n t a k e ( a c c e p t

3

) t o t h e

i n t r u d e r w i t h f u l l p o w e r s ( w e h a v e v e r i e d t h i s u s i n g

t h e N R L P r o t o c o l A n a l y z e r ) . W h a t i s s u r p r i s i n g , h o w -

e v e r , i s ( a c c e p t

2

) . W e w o u l d e x p e c t t h i s t o a l s o b e

a n i n t r u d e r w i t h f u l l p o w e r s , b u t a s a m a t t e r o f f a c t

i t i s s o m e w h a t w e a k e r . A s w a s s h o w n b y L o w e i n 1 5 ] ,

t h e e v e n t a c c e p t

2

i s v u l n e r a b l e a g a i n s t t h e f o l l o w i n g

a t t a c k , w h e r e I i s t h e i n t r u d e r , a n d I

Z

i s t h e i n t r u d e r

i m p e r s o n a t i n g Z :

1 . A ! I

B

:

X

A

2 . I

C

! B :

X

A

3 . B ! I

C

:

X

B

; E

K

( S

B

(

X

B

;

X

A

) )

4 . I

B

! A :

X

B

; E

K

( S

B

(

X

B

;

X

A

) )

5 . A ! I

B

: K ( S

A

(

X

A

;

X

B

) )

A t t h i s p o i n t A i s c o n v i n c e d t h a t i t i s s h a r i n g a

k e y w i t h B , a l t h o u g h B k n o w s n o t h i n g a b o u t t h i s ; i f

B r e c e i v e d A ' s n a l m e s s a g e i t w o u l d r e j e c t i t , s i n c e

i t i s e x p e c t i n g a r e s p o n s e f r o m C . N o t e t h a t a l l t h i s

a t t a c k r e q u i r e s i s a n i n t r u d e r w i t h t h e a b i l i t y t o i n t e r -

c e p t m e s s a g e s i n t e n d e d f o r B , a n d t o f o r w a r d t h e m t o

B a s m e s s a g e s f r o m C . I t d o e s n o t n e e d t o b e c a p a -

b l e o f p e r f o r m i n g a n y c r y p t o g r a p h i c o p e r a t i o n s s u c h a s

e x p o n e n t i a t i o n o r t h e c h e c k i n g o f a d i g i t a l s i g n a t u r e .

S i n c e t h i s i s a n a t t a c k a g a i n s t t h e i n i t i a t o r , n o t t h e

r e s p o n d e r , i t i s p o t e n t i a l l y l e s s u s e f u l f o r t y i n g u p r e -

s o u r c e s ; t h e v i c t i m m u s t d e c i d e t o i n i t i a t e a n i n s t a n c e

o f t h e p r o t o c o l b e f o r e t h e a t t a c k c a n b e m o u n t e d .

( N o t e t h a t a s u c c e s s f u l d e n i a l - o f - s e r v i c e a t t a c k u s i n g

t h i s v u l n e r a b i l i t y w o u l d r e q u i r e t h e i n i t i a t o r t o s t a r t

t h e p r o t o c o l n o t o n c e , b u t m a n y t i m e s . ) O n t h e o t h e r

h a n d , i t c a n b e t h o u g h t o f a s a s e r v i c e s p o o n g a t t a c k ,

s i n c e A t h i n k s i t s h a r e s a k e y w i t h B , w h e n i n f a c t i t

d o e s n o t .

W e n o w d i s c u s s w h a t t h e v a l u e s o f f o r t h e v e r i c a -

t i o n e v e n t s . T h e r s t v e r i c a t i o n e v e n t i s c h e c k n a m e

1

.

S i n c e n o v e r i c a t i o n i s d o n e b e f o r e t h e n a m e i s c h e c k e d ,

t h e a s s o c i a t e d i s t h e i n t r u d e r w i t h t h e p o w e r s o f a

n o n - m a l i c i o u s n e t w o r k . H o w e v e r , s i n c e n o e v e n t e x c e p t

t h e r e c e p t i o n o f t h e m e s s a g e p r e c e d e s c h e c k n a m e

1

a t

t h a t l i n e , a n d t h e c o s t o f c h e c k n a m e

1

i t s e l f i s q u i t e

l o w , t h e p a i r ( c , g ) c o m p u t e d s h o u l d b e w e l l w i t h i n

a n y t o l e r a n c e r e l a t i o n . T h e n e x t v e r i c a t i o n e v e n t i s

c h e c k s i g

1

. T h e m e s s a g e a c c e p t a n c e c o s t o f c h e c k s i g

1

i s

e x p e n s i v e ; h o w e v e r ( d e c r y p t

1

) , t h e i m m e d i a t e l y p r e -

c e d i n g e v e n t , i s a n i n t r u d e r w h o i s n o t a b l e t o f o r g e

B ' s r e t u r n a d d r e s s a n d p r e v e n t m e s s a g e s f r o m r e a c h -

i n g t h e i r d e s t i n a t i o n s , i n o t h e r w o r d s a r e l a t i v e l y w e a k

i n t r u d e r . T h i s p a i r w o u l d p r o b a b l y n o t b e w i t h i n

m o s t t o l e r a n c e r e l a t i o n s . T h e n e x t v e r i c a t i o n e v e n t

i s c h e c k n a m e

2

. A g a i n , t h e m e s s a g e a c c e p t a n c e c o s t

o f c h e c k n a m e

2

i s c h e a p , w h i l e t h e a s s u r a n c e p r o v i d e d

b e f o r e c h e c k n a m e

2

i s e x e c u t e d i s a g a i n s t a n i n t r u d e r

w i t h t h e p o w e r s o f a n o n - m a l i c i o u s n e t w o r k . A g a i n ,

t h e a s s o c i a t e d p a i r ( c , g ) s h o u l d b e w e l l w i t h i n a n y

t o l e r a n c e r e l a t i o n . F i n a l l y , t h e l a s t v e r i c a t i o n e v e n t

i s c h e c k s i g

2

. A g a i n , t h e m e s s a g e a c c e p t a n c e c o s t o f


9/11

c h e c k s i g

2

i s e x p e n s i v e , b u t t h e a s s u r a n c e p r o v i d e d u n -

t i l c h e c k s i g

2

h a s b e e n e x e c u t e d s u c c e s s f u l l y i s r e l a t i v e l y

w e a k : i t i s o n l y s t r o n g a g a i n s t a n i n t r u d e r w h o c a n n o t

f o r g e A ' s a d d r e s s a n d p r e v e n t m e s s a g e s f r o m r e a c h i n g

t h e i r d e s t i n a t i o n s .

T h u s t h e S t a t i o n - t o - S t a t i o n p r o t o c o l , a s i t s t a n d s , i s

v u l n e r a b l e t o d e n i a l o f s e r v i c e a t t a c k s i n s e v e r a l p l a c e s .

I n t h e r s t m e s s a g e , a n i n t r u d e r w h o i s c a p a b l e o f d o -

i n g n o t h i n g m o r e t h a n s e n d i n g m e s s a g e s c o u l d s e n d

a b o g u s m e s s a g e a n d c a u s e t h e r e s p o n d e r t o w a s t e r e -

s o u r c e s r e s p o n d i n g t o i t . L i k e w i s e , s i n c e t h e o n l y c h e a p

i n t e r i m c h e c k s o n t h e l a s t t w o m e s s a g e s a r e w e a k , a n

i n t r u d e r w h o i s c a p a b l e o f f a k i n g r e t u r n a d d r e s s e s c o u l d

c a u s e e i t h e r i n i t i a t o r o r r e s p o n d e r t o w a s t e r e s o u r c e s i n

p r o c e s s i n g a b o g u s m e s s a g e . F i n a l l y , t h o u g h l e s s s e r i -

o u s l y , a s o m e w h a t m o r e c a p a b l e i n t r u d e r c o u l d m o u n t

L o w e ' s a t t a c k a n d c o n v i n c e a n i n i t i a t o r t h a t i t i s s h a r -

i n g a k e y w i t h a r e s p o n d e r w h e n i t d o e s n o t , a n d w h e n

t h e r e s p o n d e r i s n o t e v e n e x p e c t i n g a m e s s a g e f r o m t h e

i n i t i a t o r .

T h e r e a r e a n u m b e r o f w a y s i n w h i c h t h i s p r o t o -

c o l c o u l d b e s t r e n g t h e n e d a g a i n s t d e n i a l o f s e r v i c e a t -

t a c k s . F i r s t , a c o o k i e e x c h a n g e c o u l d b e d o n e i n i t i a l l y ,

t o i n t r o d u c e s o m e w e a k a u t h e n t i c a t i o n b e f o r e t h e m a -

j o r m e s s a g e e x c h a n g e s t a r t s , a s i s d o n e i n t h e I K E p r o -

t o c o l 8 ] , w h i c h u s e s a p r o t o c o l b a s e d o n t h e s t a t i o n -

t o - s t a t i o n p r o t o c o l . S e c o n d l y , i f c o o k i e s a r e i n c l u d e d i n

s e c o n d a n d t h i r d m e s s a g e s , c h e c k i n g t h e m c o u l d p r o -

v i d e w e a k a u t h e n t i c a t i o n f o r t h e s e a s w e l l ( a s i s a l s o

d o n e b y I K E ) . W e a k a u t h e n t i c a t i o n c o u l d a l s o b e p r o -

v i d e d b y i n c l u d i n g b o t h

X

A

a n d

X

B

i n t h e s e c o n d

a n d t h i r d m e s s a g e s , s o t h a t e i t h e r p a r t y Y c o u l d c h e c k

f o r t h e p r e s e n c e o f

X

Y

b e f o r e p r o c e e d i n g w i t h t h e

m o r e e x p e n s i v e v e r i c a t i o n s t e p s . F i n a l l y , L o w e ' s a t -

t a c k c o u l d b e p r e v e n t e d b y i n c l u d i n g t h e i d e n t i t y o f t h e

i n t e n d e d r e c e i v e r i n t h e s i g n e d p a r t o f t h e m e s s a g e , a s

i s r e c o m m e n d e d i n 1 5 ] .

4 A p p l i c a b i l i t y o f E x i s t i n g T o o l s a n d

M o d e l s

I n t h i s s e c t i o n , w e c o n s i d e r h o w s o m e o f t h e e x i s t i n g

t o o l s a n d m e t h o d s c o u l d b e a p p l i e d w i t h i n o u r f r a m e -

w o r k .

W e b e g i n w i t h b e l i e f l o g i c s . T o l o o k a t t h e m , w e

w o u l d n o t e x p e c t b e l i e f l o g i c s s u c h a s B A N 2 ] t o b e

v e r y u s e f u l w i t h i n o u r f r a m e w o r k . T h e y u s e a n i m p l i c i t

m o d e l o f t h e i n t r u d e r , a n d g u a r a n t e e p r o p e r t i e s s u c h

a s f r e s h n e s s a n d a u t h e n t i c a t i o n , n o t i m m u n i t y a g a i n s t

i n t r u d e r s o f v a r i o u s s t r e n g t h s . H o w e v e r , l i k e o u r f r a m e -

w o r k , B A N a n d s i m i l a r l o g i c s a r e u s e d t o a n a l y z e p r o -

t o c o l s i n c r e m e n t a l l y ; o n e s e e s w h a t d e g r e e o f s e c u r i t y

i s p r o v i d e d b y e a c h m e s s a g e a s i t i s p r o c e s s e d . A n d ,

a l t h o u g h t h e p r o p e r t i e s g u a r a n t e e d b y t h e s e l o g i c s a r e

c u r r e n t l y c a s t i n t e r m s o f b e l i e f s i n t h e p r o p e r t i e s o f

k e y s a n d m e s s a g e s , n o t p r o p e r t i e s o f t h e i n t r u d e r , t h e r e

d o e s n o t s e e m t o b e a n y i n h e r e n t r e a s o n w h y t h e y c o u l d

n o t b e r e c a s t a s s t a t e m e n t s a b o u t w h a t c a p a b i l i t i e s t h e

i n t r u d e r i s s u p p o s e d t o h a v e . F o r e x a m p l e , c o n s i d e r a

m e s s a g e t h a t c o n t a i n s a f r e s h s u b - e l e m e n t , s u c h a s a

c o o k i e . T h a t m e s s a g e i s a u t h e n t i c i f w e a s s u m e t h e t h e

i n t r u d e r i s n o t a b l e t o r e a d a n d m o d i f y m e s s a g e s i n r e a l

t i m e . O n t h e o t h e r h a n d , a s i g n e d m e s s a g e c o n t a i n i n g

a f r e s h s u b - e l e m e n t i s a u t h e n t i c a t e d i n t h e f a c e o f a

s t r o n g e r i n t r u d e r .

W e n e x t c o n s i d e r t o o l s t h a t m a k e u s e o f s t a t e e x p l o -

r a t i o n t e c h n i q u e s i n s o m e f o r m o r t h e o t h e r . T h e s e i n -

c l u d e m o d e l c h e c k e r s s u c h a s F D R / C a s p e r 1 6 ] o r M u r

2 2 ] , s p e c i a l i z e d t o o l s s u c h a s t h e I n t e r r o g a t o r 2 0 ] t h a t

p r o v i d e m u c h o f t h e s a m e c a p a b i l i t y b u t a r e n e - t u n e d

f o r c r y p t o g r a p h i c p r o t o c o l a n a l y s i s , a n d t o o l s s u c h a s

t h e N R L P r o t o c o l A n a l y z e r 1 7 ] t h a t c o m b i n e s t a t e

e x p l o r a t i o n w i t h a l i m i t e d t h e o r e m - p r o v i n g c a p a b i l -

i t y . W h a t a l l o f t h e s e t o o l s h a v e i n c o m m o n i s t h a t

a t s o m e p o i n t t h e i r d e s i g n e r s i m p l e m e n t e d t h e s t a n -

d a r d i n t r u d e r m o d e l a s p a r t o f t h e t o o l . T h u s , i n o r d e r

t o m a k e u s e o f o u r f r a m e w o r k , i t w o u l d b e n e c e s s a r y t o

h a v e t h e o p t i o n t o r e p l a c e t h e s t a n d a r d i n t r u d e r w i t h

i n t r u d e r s o f d i e r e n t s t r e n g t h s . T h i s s h o u l d n o t b e

t o o d i c u l t , s i n c e a l l t h e s e t o o l s m o d e l t h e i n t r u d e r

a s a n i n d e p e n d e n t s t a t e m a c h i n e ; a l l t h a t i s n e e d e d i s

t o r e p l a c e t h i s s t a t e m a c h i n e w i t h a n o t h e r . S i m i l a r l y ,

m o s t u s e s o f t h e o r e m p r o v e r s t o a n a l y z e c r y p t o g r a p h i c

p r o t o c o l s ( e . g . P a u l s o n 2 3 ] ) , i n c l u d e a n i n d e p e n d e n t

s p e c i c a t i o n o f a n i n t r u d e r ; t h u s i t s h o u l d b e s t r a i g h t -

f o r w a r d t o d e a l w i t h i n t r u d e r s o f v a r i o u s s t r e n g t h s f o r

t h e o r e m p r o v e r s a s w e l l a s s t a t e e x p l o r a t i o n t o o l s .

A n o t h e r i s s u e r e m a i n s t o b e c o n s i d e r e d , h o w e v e r .

U s u a l l y , w h e n w e a t t e m p t t o p r o v e s e c u r i t y o f c r y p t o -

g r a p h i c p r o t o c o l s , w e e x a m i n e o n l y a h a n d f u l o r p r o p -

e r t i e s , e . g . , t h a t t w o p a r t i e s a l w a y s a g r e e o n a k e y , t h a t

t h e k e y i s n o t a r e p l a y , t h a t t h e k e y r e m a i n s s e c r e t ,

a n d s o f o r t h . I n t h e c a s e o f d e n i a l o f s e r v i c e , w e a r e

a t t e m p t i n g t o p r o v e a t l e a s t o n e g o a l f o r e a c h a c c e p t

e v e n t ( a n d t h u s f o r e a c h m e s s a g e s e n t ) , a s w e l l a s o n e

g o a l f o r e a c h v e r i c a t i o n e v e n t . T h u s t h e w o r k i n v o l v e d

c o u l d b e m u l t i p l i e d s e v e r a l t i m e s . T h e m o d e l c h e c k e r s

h a v e a n a d v a n t a g e h e r e ; s i n c e m o d e l c h e c k e r s v e r i f y

w h e t h e r o r n o t a p r o g r a m s a t i s e s i t s s p e c i c a t i o n , a l l

t h e u s e r h a s t o d o i s w r i t e a s p e c i c a t i o n i n t e r m s o f

a l l t h e s e c u r i t y g o a l s t h a t a r e r e l e v a n t t o a p a r t i c u l a r

i n t r u d e r s t r e n g t h , a n d r u n t h e p r o t o c o l t o g e t h e r w i t h

t h a t i n t r u d e r . T h u s i t m a y b e p o s s i b l e t o p r o c e e d s o

t h a t t h e a m o u n t o f w o r k r e a l l y o n l y i n c r e a s e s b y a f a c -

t o r e q u a l t o t h e n u m b e r o f i n t r u d e r s t r e n g t h s i n v o l v e d .

I n t h e c a s e o f t o o l s s u c h a s t h e o r e m p r o v e r s a n d t h e


10/11

N R L P r o t o c o l A n a l y z e r , i n w h i c h g o a l s a r e v e r i e d s e p -

a r a t e l y , t h e p r o b l e m i s a l i t t l e m o r e d i c u l t . I n t h i s

c a s e i t w o u l d p r o b a b l y b e n e c e s s a r y t o d e v e l o p s o m e

s t a n d a r d l e m m a s i n v o l v i n g d i e r e n t g o a l s a n d i n t r u d -

e r s o f d i e r e n t s t r e n g t h s t o a l l o w u s t o u s e t h e w e a k e r

r e s u l t s t h a t w e n d t o a i d u s i n p r o v i n g t h e s t r o n g e r

o n e s . T h i s i s a n o p e n a r e a o f r e s e a r c h .

F i n a l l y , w e c o n s i d e r t h e a p p l i c a b i l i t y o f h i g h - l e v e l

p r o t o c o l d e s c r i p t i o n l a n g u a g e s , s u c h a s C A P S L 2 1 ]

a n d C a s p e r 1 6 ] . T h e s e l a n g u a g e s a r e b a s e d o n t h e

p o p u l a r A l i c e - a n d - B o b n o t a t i o n , s o t h e m o s t s t r a i g h t -

f o r w a r d t h i n g w o u l d a p p e a r t o b e t o i n c l u d e t h e a n -

n o t a t i o n s t h a t w e h a v e u s e d i n b u i l d i n g o u r f r a m e -

w o r k . B u t , a s a m a t t e r o f f a c t , t h i s m a y n o t b e n e c e s -

s a r y . T r a n s l a t o r s f o r t h e s e l a n g u a g e s c o m m o n l y i n f e r

t h e n e c e s s a r y o p e r a t i o n s d i r e c t l y f r o m t h e s p e c i c a -

t i o n ; t h e r e i s n o r e a s o n t h a t t h e y s h o u l d n o t a l s o b e

a b l e t o d e r i v e a s e q u e n c e o f s u c h o p e r a t i o n s t h a t i s

o p t i m a l w i t h r e s p e c t t o i n c r e a s i n g c o s t , a s s u m i n g t h a t

t h e y a r e g i v e n t h e c o s t o f e a c h t y p e o f o p e r a t i o n . T h u s ,

a l l t h a t w o u l d b e n e e d e d t o b e a d d e d t o t h e h i g h - l e v e l

s p e c i c a t i o n w o u l d b e a n e s t i m a t e o f t h e c o s t o f e a c h

t y p e o f o p e r a t i o n ; t h e s e c o u l d e v e n b e b u i l t i n t o t h e

t r a n s l a t o r s w h e n t h e y a r e w e l l u n d e r s t o o d .

5 C o n c l u s i o n

W e h a v e d e v e l o p e d a f r a m e w o r k f o r r e a s o n i n g a b o u t

n e t w o r k d e n i a l o f s e r v i c e , a n d i n d i c a t e d h o w e x i s t i n g

t o o l s a n d m e t h o d s c o u l d b e m o d i e d f o r r e a s o n i n g

w i t h i n t h i s f r a m e w o r k . B u t t h e r e i s s t i l l m u c h w o r k

t h a t r e m a i n s t o b e d o n e . D e n i a l o f s e r v i c e , u n l i k e

a u t h e n t i c a t i o n , i s a m a t t e r o f d e g r e e . N o p r o t o c o l i s

c o m p l e t e l y i m m u n e a g a i n s t d e n i a l o f s e r v i c e a t t a c k s .

M o r e o v e r c e r t a i n t y p e s o f m e c h a n i s m s , s u c h a s s t r o n g

a u t h e n t i c a t i o n , m a y m a k e a p r o t o c o l m o r e r e s i s t a n t t o

o n e k i n d o f a t t a c k b u t m o r e v u l n e r a b l e t o o t h e r k i n d s .

T h i n g s a r e m a d e e v e n m o r e c o m p l i c a t e d b y t h e f a c t

t h a t c e r t a i n t y p e s o f d e n i a l o f s e r v i c e a t t a c k s m a y t a k e

a d v a n t a g e o f o t h e r , p r e v i o u s , d e n i a l o f s e r v i c e a t t a c k s .

F o r e x a m p l e , a n a t t a c k t h a t r e q u i r e s a n i n t r u d e r t o

i m p e r s o n a t e a n o t h e r p r i n c i p a l m a y b e e a s i e r t o i m p l e -

m e n t i f t h a t p r i n c i p a l w a s d i s a b l e d b y a d e n i a l o f s e r -

v i c e a t t a c k . T h i s m a y i n c l u d e e x t e n d i n g o u r m o d e l t o

c a s e s i n w h i c h i n t r u d e r s t r e n g t h s m a y v a r y f o r d i e r e n t

e x e c u t i o n s o f a p r o t o c o l . T h u s , w e n e e d w a y s o f m e a -

s u r i n g t h e d e g r e e t o w h i c h a p r o t o c o l i s v u l n e r a b l e t o

d e n i a l o f s e r v i c e , a n d w a y s o f u s i n g o u r m e a s u r e m e n t s

t o r e a s o n a b o u t t h e d i e r e n t w a y s d e n i a l o f s e r v i c e r e -

q u i r e m e n t s c a n i n t e r a c t .

A n o t h e r i s s u e a r i s e s f r o m t h e p o s s i b l e i n t e r a c t i o n o f

o u r f r a m e w o r k w i t h o t h e r c l a s s e s o f d e f e n s e s a g a i n s t d e -

n i a l o f s e r v i c e . F o r e x a m p l e , t h e S Y N a t t a c k d e p e n d s

u p o n t h e n e c e s s a r y f a c t t h a t p r i n c i p a l s m u s t s t o r e s t a t e

i n f o r m a t i o n w h e n t h e y p a r t i c i p a t e i n a p r o t o c o l . T h e r e

i s n o w a y t o m a k e t h i s r e q u i r e m e n t g o a w a y , b u t i t i s

p o s s i b l e t o m i t i g a t e t h e b a d e e c t s b y p a y i n g c a r e f u l

a t t e n t i o n t o s u c h m a t t e r s a s h o w m u c h s t a t e i n f o r m a -

t i o n i s h e l d , a n d f o r h o w l o n g . W e h a v e n o t a d d r e s s e d

t h i s p r o b l e m h e r e , b u t o t h e r s h a v e b e g u n a p p l y i n g f o r -

m a l t e c h n i q u e s t o i t s a n a l y s i s 1 4 ] . I t m a y t u r n o u t t o

b e u s e f u l t o p u r s u e t h i s m a t t e r f u r t h e r a n d s e e i f o u r

f r a m e w o r k c a n b e a d a p t e d a n d / o r e x p a n d e d t o t a k e

i n t o a c c o u n t c o u n t e r m e a s u r e s s u c h a s t h e s e . A n o t h e r

p o s s i b i l i t y f o r f u r t h e r i n v e s t i g a t i o n i s t h e u s e o f c r y p t o -

g r a p h i c \ p u z z l e s " t o i n c r e a s e t h e d i c u l t y o f a c l i e n t s '

m a k i n g a n y c o n n e c t i o n w h e t h e r g e n u i n e o r f a k e , t h u s

m a k i n g i t m o r e d i c u l t f o r a m a l i c i o u s c l i e n t t o o o d

a s e r v e r 9 ] . H e r e , t h e c o n c e p t o f i n c r e a s i n g t h e c l i e n t ' s

w o r k i s s t i l l u s e d , b u t t h e c r y p t o g r a p h i c f u n c t i o n s a r e

u s e d d i r e c t l y t o i n c r e a s e a c l i e n t ' s w o r k l o a d i n s t e a d o f

t o p r o v i d e a u t h e n t i c a t i o n . I t m a y b e t h a t , w i t h s o m e

m o d i c a t i o n , o u r f r a m e w o r k c o u l d b e e x t e n d e d t o h a n -

d l e t h i s t y p e o f d e f e n s e .

6 A c k n o w l e d g m e n t s

W e w o u l d l i k e t o t h a n k S t e p h e n B r a c k i n a n d t h e

a n o n y m o u s r e f e r e e s f o r t h e i r h e l p f u l c o m m e n t s o n e a r -

l i e r v e r s i o n s o f t h i s p a p e r . T h i s w o r k w a s s u p p o r t e d

b y O N R .

R e f e r e n c e s

1 ] S t e p h e n B r a c k i n , C a t h e r i n e M e a d o w s , a n d

J o n a t h a n M i l l e n . C A P S L i n t e r f a c e f o r t h e N R L

P r o t o c o l A n a l y z e . I n P r o c e e d i n g s o f A S S E T ' 9 9 .

I E E E C o m p u t e r S o c i e t y P r e s s , M a r c h 1 9 9 9 .

2 ] M i c h a e l B u r r o w s , M a r t n A b a d i , a n d R o g e r N e e d -

h a m . A L o g i c o f A u t h e n t i c a t i o n . A C M T r a n s a c -

t i o n s i n C o m p u t e r S y s t e m s , 8 ( 1 ) : 1 8 { 3 6 , F e b . 1 9 9 0 .

3 ] W . D i e , P . C . v a n O o r s c h o t , a n d M . J . W i e n e r .

A u t h e n t i c a t i o n a n d a u t h e n t i c a t e d k e y e x c h a n g e s .

D e s i g n s , C o d e s , a n d C r y p t o g r a p h y , 1 9 9 2 .

4 ] F . J a v i e r T h a y e r F a b r e g a , J o n a t h a n C . H e r z o g ,

a n d J o s h u a D . G u t t m a n . S t r a n d s p a c e s : W h y

i s a s e c u r i t y p r o t o c o l c o r r e c t ? I n P r o c e e d i n g s

o f t h e 1 9 9 8 I E E E S y m p o s i u m o n S e c u r i t y a n d

P r i v a c y , p a g e s 1 6 0 { 1 7 1 . I E E E C o m p u t e r S o c i e t y

P r e s s , M a y 1 9 9 8 .

5 ] V . G l i g o r . A n o t e o n t h e d e n i a l - o f - s e r v i c e p r o b l e m .

I n P r o c e e d i n g s o f t h e 1 9 8 3 S y m p o s i u m o n S e c u r i t y

a n d P r i v a c y , p a g e s 1 3 9 { 1 4 9 . I E E E C o m p u t e r S o -

c i e t y P r e s s , 1 9 8 3 .


11/11

6 ] D i e t e r G o l l m a n n . W h a t d o w e m e a n b y e n t i t y

a u t h e n t i c a t i o n ? I n P r o c e e d i n g s o f t h e 1 9 9 6 I E E E

S y m p o s i u m o n R e s e a r c h i n S e c u r i t y a n d P r i v a c y ,

p a g e s 4 6 { 5 4 . I E E E C o m p u t e r S o c i e t y P r e s s , 1 9 9 6 .

7 ] L i G o n g a n d P a u l S y v e r s o n . F a i l - s t o p p r o t o -

c o l s : A n a p p r o a c h t o d e s i g n i n g s e c u r e p r o t o -

c o l s . I n R . K . I y e r , M . M o r g a n t i , F u c h s W . K ,

a n d V . G l i g o r , e d i t o r s , D e p e n d a b l e C o m p u t i n g f o r

C r i t i c a l A p p l i c a t i o n s 5 , p a g e s 7 9 { 1 0 0 . I E E E C o m -

p u t e r S o c i e t y , 1 9 9 8 .

8 ] D . H a r k i n s a n d D . C a r r e l . T h e I n t e r n e t K e y E x -

c h a n g e ( I K E ) , v e r s i o n 8 . d r a f t - i e t f - i p s e c - i s a k m p -

o a k l e y - 0 8 . t x t , J u n e 1 9 9 8 .

9 ] A r i J u e l s a n d J o h n B r a i n a r d . C l i e n t p u z z l e s :

A c r y p t o g r a p h i c c o u n t e r m e a s u r e a g a i n s t c o n n e c -

t i o n d e p e l e t i o n a t t a c k s . I n P r o c e e d i n g s o f t h e

1 9 9 9 N e t w o r k a n d D i s t r i b u t e d S y s t e m S e c u r i t y

S y m p o s i u m ( N D S S ' 9 9 ) . I n t e r n e t S o c i e t y , M a r c h

1 9 9 9 . A v a i l a b l e a t h t t p : / / w w w . i s o c . o r g / n d s s 9 9 / -

p r o c e e d i n g s / .

1 0 ] P . K a r n a n d W . S i m p s o n . T h e P h o t u r i s s e s s i o n

k e y m a n a g e m e n t p r o t o c o l . I n t e r n e t d r a f t : d r a f t -

s i m p s o n - p h o t u r i s - 1 7 . t x t , N o v e m b e r 1 9 9 7 .

1 1 ] S . T . K e n t , D . E l l i s , P . H e l i n e k , K . S i r o i s , a n d

N . Y u a n . I n t e r n e t r o u t i n g i n f r a s t r u c t u r e s e c u r i t y

c o u n t e r m e a s u r e s . B B N R e p o r t 8 1 7 3 , B B N , J a n -

u a r y 1 9 9 6 .

1 2 ] L . L a m p o r t . T i m e s , c l o c k s , a n d t h e o r d e r i n g o f

e v e n t s i n a d i s t r i b u t e d s y s t e m . C A C M , 2 1 ( 7 ) : 5 5 8 {

5 6 5 , J u l y 1 9 7 8 .

1 3 ] L . L a m p o r t . P a s s w o r d a u t h e n t i c a t i o n w i t h i n -

s e c u r e c o m m u n i c a t i o n . C o m m u n i c a t i o n s o f t h e

A C M , p a g e s 7 7 0 { 7 7 2 , N o v e m b e r 1 9 8 1 .

1 4 ] P a t r i c k L i n c o l n . p e r s o n a l c o m m u n i c a t i o n , S e p t .

1 9 9 8 .

1 5 ] G a v i n L o w e . S o m e n e w a t t a c k s u p o n s e c u r i t y p r o -

t o c o l s . I n P r o c e e d i n g s o f t h e 9 t h I E E E C o m p u t e r

S e c u r i t y F o u n d a t i o n s W o r k s h o p , p a g e s 1 6 2 { 1 6 9 .

I E E E C o m p u t e r S o c i e t y , J u n e 1 9 9 6 .

1 6 ] G a v i n L o w e . C a s p e r , a c o m p i l e r f o r t h e a n a l y s i s

o f s e c u r i t y p r o t o c o l s . I n P r o c e e d i n g s o f 1 0 t h I E E E

C o m p u t e r S e c u r i t y F o u n d a t i o n s W o r k s h o p , p a g e s

1 8 { 3 0 . I E E E C o m p u t e r S o c i e t y P r e s s , J u n 1 9 9 7 .

1 7 ] C a t h e r i n e M e a d o w s . T h e N R L P r o t o c o l A n a -

l y z e r : A n o v e r v i e w . J o u r n a l o f L o g i c P r o g r a m -

m i n g , 2 6 ( 2 ) : 1 1 3 { 1 3 1 , 1 9 9 6 .

1 8 ] J o n a t h a n M i l l e n . A r e s o u r c e a l l o c a t i o n m o d e l f o r

d e n i a l o f s e r v i c e . I n P r o c e e d i n g s o f t h e 1 9 9 2 I E E E

S y m p o s i u m o n S e c u r i t y a n d P r i v a c y , p a g e s 1 3 7 {

1 4 7 . I E E E C o m p u t e r S o c i e t y P r e s s , 1 9 9 2 .

1 9 ] J o n a t h a n M i l l e n . D e n i a l o f s e r v i c e : A p e r s p e c t i v e .

I n F . C r i s t i a n , G . L e L a n n , a n d T . L u n t , e d i t o r s ,

D e p e n d a b l e C o m p u t i n g f o r C r i t i c a l A p p l i c a t i o n s 4 ,

p a g e s 9 3 { 1 0 8 . S p r i n g e r - V e r l a g , 1 9 9 5 .

2 0 ] J o n a t h a n M i l l e n . T h e I n t e r r o g a t o r m o d e l . I n P r o -

c e e d i n g s o f t h e 1 9 9 5 I E E E S y m p o s i u m o n S e c u r i t y

a n d P r i v a c y , p a g e s 2 5 1 { 2 6 0 . I E E E C o m p u t e r S o -

c i e t y P r e s s , M a y 1 9 9 5 .

2 1 ] J o n a t h a n K . M i l l e n . C A P S L : C o m m o n A u t h e n -

t i c a t i o n P r o t o c o l S p e c i c a t i o n L a n g u a g e . T e c h n i -

c a l R e p o r t M P 9 7 B 4 8 , T h e M I T R E C o r p o r a t i o n ,

1 9 9 7 . S e e h t t p : / / w w w . c s l . s r i . c o m / m i l l e n / c a p s l .

2 2 ] J . M i t c h e l l , M . M i t c h e l l , a n d U . S t e r n . A u t o m a t e d

a n a l y s i s o f c r y p t o g r a p h i c p r o t o c o l s u s i n g M u r .

I n P r o c e e d i n g s o f t h e 1 9 9 7 I E E E S y m p o s i u m o n

S e c u r i t y a n d P r i v a c y , p a g e s 1 4 1 { 1 5 1 . I E E E C o m -

p u t e r S o c i e t y P r e s s , M a y 1 9 9 7 .

2 3 ] L a w r e n c e C . P a u l s o n . T h e i n d u c t i v e a p p r o a c h

t o v e r i f y i n g c r y p t o g r a p h i c p r o t o c o l s . J o u r n a l o f

C o m p u t e r S e c u r i t y , 6 : 8 5 { 1 2 8 , 1 9 9 8 .

2 4 ] C . S c h u b a , I . K r s u l , M . K u h n , G . S p a o r d ,

A . S u n d a r a m , a n d D . Z a m b o n i . A n a l y s i s o f a

d e n i a l o f s e r v i c e a t t a c k o n T C P . I n P r o c e e d i n g s

o f t h e 1 9 9 7 I E E E S y m p o s i u m o n S e c u r i t y a n d

P r i v a c y , p a g e s 2 0 8 { 2 2 3 . I E E E C o m p u t e r S o c i e t y

P r e s s , M a y 1 9 9 7 .

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