Analyzing semantic stability of cryptography libraries using Diffkemp

Bc. Pavol Žáčik

Master's thesis

Anotácia:

DiffKemp je nástroj pre statickú analýzu sémantickej ekvivalencie rôznych verzií projektov napísaných v jazyku C. Na rozdiel od iných nástrojov s rovnakým účelom využíva iba jednoduché formálne metódy, vďaka čomu je schopný dobre škálovať aj pri veľkých projektoch. Hlavným kompromisom je jeho obmedzená účinnosť, konkrétne hlásenie sémantických rozdielov, ktoré nie sú skutočné. Táto práca navrhuje poloautomatickú metódu na hodnotenie účinnosti DiffKempu, ktorá spočíva v analýze rozdielov medzi rôznymi verziami ľubovoľných projektov v jazyku C. Metóda by mala pomôcť vývojárom DiffKempu pri návrhu novej funkcionality. V rámci tejto práce je aplikovaná pri analýze štyroch populárnych kryptografických knižníc, identifikujúc niekoľko príležitostí na vylepšenie DiffKempu. Dva typy objavených falošných sémantických rozdielov sú v práci zovšeobecnené do nových rozšírení DiffKempu, pokrývajúc jednoduché formy zmien zachovávajúcich sémantiku, konkrétne refaktorovanie lokálnych premenných a zmenu poradia binárnych operácií.

Abstract:

DiffKemp is a static analysis tool for checking the semantic equivalence of different versions of C projects. Unlike other tools with the same purpose, it employs only lightweight formal methods, which allows it to scale well with large code bases. The main trade-off is its effectiveness, namely the presence of reported semantic differences that are not genuine. This thesis proposes a semi-automatic method for evaluating the effectiveness of DiffKemp by analyzing differences between releases of arbitrary C projects; the method should aid the developers of DiffKemp in devising new features. Within the thesis, the method is applied to analyze four popular cryptographic libraries, identifying multiple opportunities for improving DiffKemp. Two types of observed spurious semantic differences are subsequently generalized into new DiffKemp extensions, covering simple forms of semantics-preserving code changes related to local variable refactoring and reordering of binary operations.

Keywords

LLVM IR, static analysis, semantic equivalence, C library, cryptography

Jazyk práce: English

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 15. 12. 2023

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 5. 2. 2024
• Vedúci: RNDr. Martin Ukrop, Ph.D.
• Oponent: Mgr. Jan Kvapil

Masaryk University

Faculty of Informatics

Master programme / odbor:
Computer systems, communication and security / Information security