微内核中断机制的形式化设计与验证

操作系统的正确性和安全性很难用定量的方法进行描述。形式化方法是操作系统设计和验证领域公认的标 准方法。以操作系统对象语义模型(OSOSM)为基础,采用形式化方法对微内核架构的中断机制进行了设计和验证, 在自行开发的安全可信操作系统VTOS上加以实现,采用Isabelle/HOL对设计过程进行了形式化描述,对VTOS中 断机制的完整性进行了验证,这对操作系统的形式化设计和验证工作起到了一定的借鉴意义。     

操作系统对象语义模型(OSOSM)及形式化验证

操作系统的复杂性使得其安全性问题日益突出.有不少的研究工作采用形式化的方式对现有的操作系统进行了正确性的验证,这些工作主要是采用程序形式逻辑验证代码级的功能实现性.从系统设计的角度,以高阶逻辑和类型论为基础,提出了操作系统对象语义模型(OSOSM).OSOSM采用分层结构,包括基本功效层、实现层和优化层.OSOSM将操作系统中的行为主体和资源抽象为操作系统对象,建立操作系统的论域,利用以操作系统对象变元集合为定义域到论域的映射表示操作系统的状态,描述操作系统系统调用等行为的语义,使用逻辑系统的谓词公式表达操作系统的安全属性,给出如何验证操作系统在运行过程中保持安全策略和属性的形式化描述方法.以实现并经过形式化验证的可信操作系统(VTOS)为例,阐述OSOSM的语义正确性.使用Isabelle定理证明工具验证设计和安全需求的一致性,以说明VTOS具有预期的安全属性.     

微内核架构文件系统的形式化设计与验证方法研究

文件系统作为数据存储和管理的功能模块,其正确性是操作系统安全性的重要方面.采用形式化方法对微内核架构文件系统进行设计,使用操作系统对象语义模型(OSOSM)框架提出微内核架构文件系统的状态自动机模型,并依此描述系统调用的功能语义和系统状态转换,分析和归纳文件系统的功能正确性断言.以实现的微内核安全操作系统(Verified Trusted Oper-ating System,VTOS)为例,阐述在Isabelle/HOL定理证明器环境中构建状态自动机模型的方法,并对VTOS文件系统的形式化设计和功能正确性断言进行一致性验证,结果显示,VTOS文件系统的设计和实现符合预期的正确性规格说明.     

XSM语义模型及安全需求形式化验证

Xen作为一种开源流行的虚拟化工具,使用越来越频繁。作为Xen的安全框架XSM(Xen Security Module)也受到广泛的关注。许多研究者通过形式化的方式对现有的操作系统进行正确性的验证,目前已有的形式化研究主要是验证系统实现的代码正确性。从系统功能角度提出了一种以主体行为为操作系统语义模型对系统进行形式化建模,并采用CTL时序逻辑对XSM安全需求进行分析。语义模型作为系统设计合理性和形式化验证的联系,对XSM进行形式化验证,并使用Isabelle/HOL验证功能和安全需求的一致性,以说明XSM是否符合安全需求。     

微内核架构多线程机制的形式化设计研究

微内核架构因其有效的模块隔离性而成为操作系统方面研究的热点,多线程机制是微内核架构需要解决的关键性能问题。有不少的工作对微内核架构多线程机制进行了研究,但存在频繁的系统地址空间切换和实现复杂度高的问题。采用形式化的方式对微内核架构多线程和安全机制进行描述和设计,提出一个微内核线程分层对象语义模型,用以 设计多线程机制的线程间通信、调度和互斥同步方案。在已实现和验证的微内核操作系统VTOS中对多线程功能和性能进行了测试,结果表明 VTOS有效地实现了多线程机制,并具有很好的系统性能。     

操作系统汇编级形式化设计和验证方法

由于系统的巨大规模,操作系统设计和实现的正确性很难用传统的方法进行描述和验证.在汇编层形式化地对系统模块的功能语义进行建模,提出一种汇编级的系统状态模型,作为汇编语言层设计和验证的纽带.通过定义系统状态模型的合法状态和状态转换函数来建立系统状态模型的论域,并以此来描述汇编层的论域.通过验证汇编层的功能模块的正确性来保证汇编语言层设计的正确性,达到对系统功能实现的正确性验证.同时,使用定理证明工具Isabelle/HOL来形式化地描述这一系统状态模型,基于这一形式化模型,在Isabelle/HOL中验证系统模块的功能语义的正确性.以实现的安全可信OS（verified secure operating system,简称VSOS）为例,阐述了所提出的形式化设计和验证方法,说明了这一方法的可行性.     

基于扩展Petri网的系统建模及形式化验证方法*

嵌入式实时系统对时间约束性、安全性和可靠性具有非常高的要求,但是传统的建模和形式化验证方法难以满足对系统的实时性和安全性的模拟和验证需求。通过对有色Petri网的时间属性进行扩展,提出了实时有色Petri网模型,能够对系统的时间属性进行模拟和评估;参考实时有色Petri网模型到时间自动机的语义转换规则对模型进行转换,可以利用时间计算树逻辑对系统的实时性、安全性和可靠性进行形式化验证。以列车通信网络控制器的双线冗余控制模块的建模和形式化验证为例,证明了该方法的有效性。     

基于梯形逻辑的联锁系统形式化验证方法

铁路联锁系统设计通常采用梯形逻辑进行建模。为了实现对铁路联锁系统进行形式化验证的目的,根据梯形逻辑的状态变迁语义,将梯形逻辑表示的联锁系统模型转换成模型检测工具NuSMV的语言,并将铁路联锁系统的安全需求表示为计算树逻辑(CTL),最后实现基于NuSMV的铁路联锁系统设计模型的形式化验证。     

一种用于类C语言环境的安全的类型化内存模型

使用形式化方法对程序进行验证是保证软件可信的重要手段.对于像C语言这样的较低级的命令式语言可以直接对内存进行操作,对其操作语义或公理语义的形式化需要基于合适的内存模型.传统的字节内存模型可以很好地描述各种内存操作,但是无法保证安全性,同时使程序验证变得异常复杂.面向对象语言的内存模型则具有较高的抽象性,便于程序验证,但不适合描述低级的内存操作.结合字节内存模型和面向对象语言内存模型,提出一种安全的类型化的内存模型,既可用于对语义的形式化,也可用于基于霍尔逻辑的程序验证.此内存模型既允许指针算术、结构赋值、类型转换等内存操作,同时也可以有效减少因指针别名给程序验证带来的复杂度.基于Coq辅助定理证明工具,对内存模型进行了形式化实现和验证.     

Isabelle在分析安全操作系统状态机模型中的应用

为了解决已有的状态机模型的形式化框架在分析安全操作系统状态机模型时不够直观、简洁的问题,提出了一套使用Isabelle工具对安全操作系统模型状态中的类型、变量、常量、关系、映射、函数,以及模型中的安全不变量和状态迁移规则进行形式化描述的新方法.通过实际验证一种典型的安全操作系统状态机模型--可信进程模型,总结出了有效地使用Isabelle辅助形式化设计、分析、验证模型的策略.     

面向访问验证保护级的安全VMM形式化原型系统设计和实现

操作系统是计算机软件系统的基础,具有控制逻辑复杂、安全性和可靠性要求高等特点。在国内外高等级安全操作系统的规范和标准中,都提出了对内核进行形式化规范和验证的要求。近年来国内相关研究机构相继开发了满足GB 17859-1999“强制访问控制级”和“结构化保护级”的安全操作系统原型,但对更高级别的安全操作系统的研发尚属空白。在“面向访问验证保护级安全操作系统”课题的研究中,设计并实现了一个基于Haskell的安全VMM原型系统—CASVisor.CASVisor严格定义了系统的形式化规范,可用于指导高性能的C程序的实现,并为形式化的分析和验证打下基础,同时CASVisor具备模拟功能,以便实施基于快速原型的开发方法。     

区域控制器的安全需求建模与自动验证

轨道交通区域控制器（ZC）是我国轨道交通信号系统选型的主流制式——基于通信的列车控制系统（CBTC）的核心子系统，其突出的安全性使得安全需求的形式化验证成为一个非常重要的问题.但是ZC自身的复杂性以及领域知识的繁杂难以掌握，使得形式化方法很难应用到安全需求的验证中去.针对这些问题，提出一种安全需求的自动验证方法，使用半形式化的问题框架方法（PF）来建模和分解安全需求，根据需求模型自动生成安全需求的验证模型和验证性质，在此基础上自动生成验证模型的Scade语言实现，并通过Design Verifier验证器对需求进行组合验证.最后，使用了某个实际案例ZC的一个子问题CAL_EOA进行了研究，实验结果证明了该方法的可行性与有效性，它能自动地将安全需求模型进行组合验证，改善了验证的效率.     

基于场景分析的系统形式化模型生成方法

采用形式化方法对系统的安全性进行分析与验证,是构造可靠安全软件系统的一个重要途径。当前的形式化安全分析方法,面临着系统的形式化建模难的问题。以铁路车站联锁系统中基本进路建立为例,提出基于场景分析的系统形式化模型生成方法。该方法首先采用OCL前/后置条件分析法对UML时序场景作一致性分析,然后将UML时序图中对象交互的行为序列转换成FSP进程代数模型,进而得到系统的形式化模型。该方法为系统的形式化建模提供了新思路,从安全质量方面改善了安全苛求软件的设计与开发,丰厚了基于模型的软件形式化开发方法。     

基于时序逻辑的UML2.0通信图语义研究

UML2.0通信图可以表示对象之间的交互,很适合用于对系统的交互行为建模,但由于UML缺乏精确语义,使得难以对其所表示的系统行为进行分析和验证.XYZ/E是可执行线性时序逻辑语言,既可描述系统的静态语义和动态语义.在定K.UML2.0通信图的形式化语法的基础上,给出了通信图的XYZ/E时序逻辑语义,为进一步的系统分析和验证提供了形式化基础.     

Linux中SystemV进程通信机制安全性形式化验证

基于Linux开发安全操作系统是提高计算机安全的重要途径，而形式化验证则是开发过程的重要和必要的环节，我们从Linux的各个子系统着手进行验证，逐步搭建起整个操作系统的验证模型。考虑到访问控制机制是实现操作系统安全性的关键，本文主要讨论使用SPIN模型检验器对IPC子系统中的SystemV进程通信机制进行形式化验证的过程与方法法。查找安全漏洞并改进现有的机制，为开发工程提供理论上的保证。     

BLP改进模型的形式化描述及自动化验证

在《信息安全技术操作系统安全技术要求》中,提出访问验证保护级安全操作系统的研发过程需要完全形式化的安全策略模型。针对该情况,对经典的数据机密性BLP模型进行相应改进,为系统中的主客体引入多级安全标签以及安全迁移规则,使其满足实际系统开发的需求。运用完全形式化的方法对改进模型的状态、不变量、迁移规则等进行描述,使用Isabelle定理证明器证明了迁移规则对模型的不变量保持性,从而实现对模型正确性的自动形式化验证,并保证了模型的可靠性。     

应用ETDFA生成CBTC联锁软件形式化模型的方法

CBTC系统的联锁软件为SIL4级的高安全、高可靠软件,目前广泛使用的软件测试和仿真验证的结果严重依赖选取的测试向量,要保证高覆盖率的测试十分困难;EN50128中强烈推荐SIL4等级的软件使用形式化方法完成软件需求规格说明书和软件设计,因此,采用形式化的方法设计软件,是构造高可靠、高安全软件的一个重要途径;总结了现有的CBTC系统中联锁子系统集成方式及优缺点,并使用事件确定有限自动机ETDFA(event deterministic finite automata)模型对适用性更优的升级型集成方式的联锁软件的联锁逻辑完成形式化定义,保证联锁逻辑的正确性,减少软件的不确定性描述;以办理进路为例生成联锁对象的ETDFA模型,验证该方法的有效性和可行性;该方法不仅为CBTC联锁软件的设计与开发提供新思路,而且有助于安全苛求软件的形式化验证与分析,提高联锁软件的安全性和正确性。     

一个基于形式化方法的系统安全性建模分析实例研究

随着安全关键性系统的日益复杂,如何提高安全关键系统的安全性成为急需解决的问题.基于形式化模型的复杂系统设计与分析是一种重要的安全性分析方法.本文工作对AIR6110标准中的机轮刹车实例系统进行了基于形式化方法的安全性分析研究,包括:在系统模型设计层级对机轮刹车系统(WBS)的架构进行层次化分析,将自然语言描述的WBS系统功能用形式化语言(AADL的子集SLIM)进行严格的建模描述,消除AIR6110标准中自然语言描述存在的需求语义的二义性,从而建立了WBS系统的形式化模型;考虑系统可能发生的故障并设计多种类的故障模式,基于这些故障模式对建立的形式化功能模型进行失效行为语义的扩展,然后对获得的扩展系统模型进行安全性分析.实例分析论证了基于模型的安全性分析方法在工业系统中的有效性和实用性.     

802.11i双向认证协议的模型检查

确保安全协议的正确性对于保证Internet上安全敏感的业务非常重要。采用形式化方法建模和验证安全协议可以检测到传统测试手段难以发现的错误。模型检查作为形式化验证方法的一种,有着自动化和提供反例等诸多优点。使用模型检查工具SPIN对802.11i双向认证协议EAP-TLS进行验证,提取出包含协议设计重要细节的形式化模型,对协议安全属性采用线性时态逻辑抽象,并验证协议模型是否满足安全属性。提出了一种使用PROMELA建模认证协议的方法。     

基于Coq的操作系统任务管理需求层建模及验证

为确保星上操作系统中任务管理设计的可靠性,利用定理证明工具Coq对操作系统任务管理模块进行需求层建模及形式化验证.本文从用户角度基于星上操作系统任务管理的基本机制,提出了一种基于任务状态列表集合的验证框架,在需求层将基本机制进行形式化建模并在Coq中实现,针对建立的需求层模型提出6条与实际星上操作系统任务管理一致的性质并进行验证.给出其中一条性质在Coq中的验证过程,结果表明模型满足该条性质.