Formal Modelling and Verification of the EAP-NOOB Protocol

Abstract

The expansion of the Internet of Things (IoT) has resulted in an increasing number of new devices communicating independently over the network with each other and with servers. This has created a need for protocols to manage the swiftly growing network. Consequently, formal verification methods have become an important part of the development process of network systems and protocols. Before implementation, the specification itself has to be shown to be reliable and secure.

Nimble out-of-band authentication for EAP (EAP-NOOB) is a protocol for bootstrapping IoT devices with a minimal user interface and no pre-configured credentials. In this thesis, we create a symbolic model of the EAP-NOOB protocol with the mCRL2 modelling language and verify both its correct operation and its liveness properties with exhaustive state space exploration and model checking. Major findings relate to the recovery of the protocol after lost or corrupted messages, which could be exploited for denial-of-service attacks. We contribute to the standardisation process of the protocol by model checking the current draft specification and by suggesting improvements and clarifications to the next version. Finally, we verify the changes made to the protocol and show that they improve the overall reliability and fix the detected issues. Moreover, while modelling the protocol, we found various underspecified features and ambiguities that needed to be clarified. Furthermore, we create a test suite for testing the cryptographic implementation. By comparing message logs from the implementation with output generated by our test script, we find that incompatibilities between cryptographic libraries sometimes resulted in protocol failures.

Utvidgandet av sakernas internet (IoT) har resulterat i en ökning av nya fristående apparater som kommunicerar med varandra och med servrar. Detta har skapat ett behov av protokoll för att upprätthålla det växande nätverket. Följaktligen har användning av formell verifiering blivit en viktig del av utvecklingsprocessen av nätverkssystem och protokoll. Innan ett protokoll implementeras, måste själva specifikationen bevisas vara pålitlig och säker.

Nimble out-of-band authentication for EAP (EAP-NOOB) är ett protokoll för koppling av IoT-apparater med ett minimalt användargränssnitt och inga förhandskonfigurerade kreditiv. I detta examensarbete skapar vi en symbolisk modell av EAP-NOOB-protokollet med mCRL2 språket och verifierar diverse egenskaper genom tillståndsutforskning. Vi bidrar till protokollets standardiseringsprocess med förändringsförslag, visar att de förbättrar protokollets tillförlitlighet och korrigerar de upptäckta problemen. I samband med verifieringsprocessen hittade vi diverse tvetydigheter i specifikationen som korrigerades. Ytterligare presenterar vi ett testprogram för kryptografisk verifiering och datagenerering. Genom att jämföra loggfiler från implementeringen med våra genererade data visar vi att det existerar inkompatibiliteter mellan kryptografiska programbibliotek.