Сквозная верификация криптографических примитивов на эллиптических кривых от спецификации к безопасному коду
https://doi.org/10.32362/2500-316X-2026-14-5-9-25
EDN: WSYLCQ
Аннотация
Цели. Цель работы – разработка и обоснование методологии синтеза высокопроизводительных и одновременно верифицированных реализаций криптосистем на эллиптических кривых.
Ключевой задачей является обеспечение не только математической корректности, но и инженерной безопасности кода, что достигается путем интеграции машинно-проверяемых доказательств с автоматической инспекцией.
Методы. Работа опирается на формальную верификацию в интерактивной среде Coq1 (ребрендинг с марта 2025 г.) с применением тактик ring2 и nsatz3 для автоматизации алгебраических доказательств, а также на разработанные одним из авторов методы синтеза на основе свертки. Для анализа безопасности на низком уровне используются статический анализ диапазонов и дедуктивная верификация на платформе Frama-C4. Эффективность полученных решений оценивается путем сравнительного анализа арифметической сложности и времени выполнения.
Результаты. Предложен и реализован подход, при котором исполняемый код на языке C создается вместе с формальным доказательством его соответствия простой математической спецификации, что гарантирует отсутствие алгоритмических ошибок. Несмотря на строгость формальных методов, достигнутая производительность приближается к лучшим ручным реализациям. Ключевым достижением является разработка двухуровневой архитектуры верифицированной арифметики конечных полей, которая позволяет многократно переиспользовать доказательства для различных кривых и параметров. В рамках исследования впервые синтезирована и формально верифицирована явная формула умножения для кривой Curve255195 в 10-лимбовом представлении с весами 2⌈25.5i⌉, которая полностью идентична классической высокооптимизированной реализации Бернштейна – Швабе.
Выводы. Построен и успешно апробирован сквозной конвейер Coq → Frama-C, обеспечивающий сквозную гарантию корректности: от математической спецификации эллиптических кривых до оптимизированного кода на C, проверенного на отсутствие переполнений, выходов за границы массивов и непостоянство времени. Итоговая производительность синтезированного кода составляет не более 7 % потерь по сравнению с лучшими ручными реализациями на целевой архитектуре, что доказывает практическую применимость предложенной методологии.
Ключевые слова
Об авторах
В. В. ЕрохинРоссия
Виктор Викторович Ерохин, д. т. н., доцент, профессор, профессор кафедры
кафедра «Математические методы и бизнес-информатика»; кафедра КБ-3 «Разработка программных решений и системное программирование»
119454; пр-т Вернадского, д. 76; пр-т Вернадского, д. 78; Москва
Scopus Author ID 57195330507, ResearcherID T-2818-2018
Конфликт интересов:
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
Д. С. Горин
Россия
Денис Станиславович Горин, к. э. н., доцент, заведующий кафедрой
кафедра КБ-3 «Разработка программных решений и системное программирование»
119454; пр-т Вернадского, д. 78; Москва
Scopus Author ID 57229673100, ResearcherID PXB-7713-2026
Конфликт интересов:
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
Л. В. Бунина
Россия
Людмила Владимировна Бунина, аспирант, старший преподаватель
кафедра КБ-3 «Разработка программных решений и системное программирование»
119454; пр-т Вернадского, д. 78; Москва
Scopus Author ID 57218190491
Конфликт интересов:
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
Список литературы
1. Nakibly G., Schcolnik J., Rubin Y. Website-Targeted False Content Injection by Network Operators. In: Proceedings of the 25<sup>th</sup> USENIX Conference on Security Symposium (SEC 2016). USENIX Association, USA. 2016. P. 227–244. doi: 10.48550/arXiv.1602.07128
2. Van der Velden L. Forensic devices for activism: Metadata tracking and public proof. Big Data & Society. 2015;2(2). doi: 10.1177/2053951715612823
3. Bolognini L., Bistolfi C. Pseudonymization and impacts of Big (personal/anonymous) Data processing in the transition from the Directive 95/46/EC to the new EU General Data Protection Regulation. Computer Law & Security Rev. 2017;33(2):171–181. doi: 10.1016/j.clsr.2016.11.002
4. Telang R. Policy Framework for Data Breaches. IEEE Security & Privacy. 2015;13(1):77–79. doi: 10.1109/MSP.2015.12
5. Zhang X., Jin S., He Y., Hassan A., Mao Z.M., Qian F., et al. QUIC is not Quick Enough over Fast Internet. In: Proceedings of the ACM Web Conference 2024 (WWW 2024). New York, NY, USA: Association for Computing Machinery. 2024. P. 2713–2722. doi: 10.1145/3589334.3645323
6. Holz R., Hiller J., Amann J., Razaghpanah A., Jost T., Vallina-Rodriguez N., Hohlfeld O. Tracking the deployment of TLS 1.3 on the web: a story of experimentation and centralization. SIGCOMM Comput. Commun. Rev. 2020;50(3):3–15. doi: 10.1145/3411740.3411742
7. Simpson A., Alshaali M., Tu W., Asghar R. Quick UDP Internet Connections and Transmission Control Protocol in unsafe networks: A comparative analysis. IET Smart Cities. 2024;6(4):351–360. doi: 10.1049/smc2.12083
8. Kubota T., Kakutani Y., Kato G., Kawano Y., Sakurada H. Semi-automated verification of security proofs of quantum cryptographic protocols. J. Symb. Comput. 2016;73:192–220. doi: 10.1016/j.jsc.2015.05.001
9. Daniel A., Krishnaraj N., Venkatraman S., Maheswaravenkatesh P. Post-quantum lightweight cryptography algorithms and approaches for IoT and block chain security. In: Raj P., Saini K., Gupta B.B. (Eds.). Advances in Computers. Elsevier; 2025. V. 138. P. 349–376. doi: 10.1016/bs.adcom.2025.03.001
10. Montenegro J.A., Rios R., Lopez-Cerezo J. A performance evaluation framework for post-quantum TLS. Future Gener. Comput. Syst. 2026;175:108062. doi: 10.1016/j.future.2025.108062
11. Polubelova M., Bhargavan K., Protzenko J., Beurdouche B., Fromherz A., Kulatova N., Zanella-Béguelin S. HACLxN: Verified Generic SIMD Crypto (for all your favourite platforms). In: Proceedings of the 2020 ACM SIGSAC Conference on Computer and Communications Security (CCS 2020). Association for Computing Machinery, New York, NY, USA. 2020. P. 899–918. doi: 10.1145/3372297.3423352
12. Erbsen A., Philipoom J., Jamner D., Lin A., Gruetter S., Pit-Claudel C., et al. Foundational Integration Verification of a Cryptographic Server. In: Proceedings of the ACM Programming Languages. 2024;8(PLDI):1704–1729. doi: 10.1145/3656446
13. Busi M., Focardi R., Luccio F.L. Strands Rocq: Why is a Security Protocol Correct, Mechanically? In: 2025 IEEE 38<sup>th</sup> Computer Security Foundations Symposium (CSF), Santa Cruz, CA, USA. 2025. P. 33–48. doi: 10.1109/CSF64896.2025.00022
14. Rao V., Ilioaea I., Ondricek H., Kalla P., Enescu F. Word-Level Multi-Fix Rectifiability of Finite Field Arithmetic Circuits. In: 2021 22<sup>nd</sup> International Symposium on Quality Electronic Design (ISQED). Santa Clara, CA, USA: IEEE; 2021. P. 41–47. doi: 10.1109/ISQED51717.2021.9424286
15. Bhargavan K., Jacomme C., Kiefer F., Schmidt R. Formal verification of the PQXDH post-quantum key agreement protocol for end-to-end secure messaging. In: Proceedings of the 33<sup>rd</sup> USENIX Conference on Security Symposium (SEC 2024). USENIX Association, USA. 2024. V. 27. P. 469–486.
16. Affeldt R. On construction of a library of formally verified low-level arithmetic functions. In: Proceedings of the 27<sup>th</sup> Annual ACM Symposium on Applied Computing (SAC 2012). New York, NY, USA: Association for Computing Machinery; 2012. P. 1326–1331. doi: 10.1145/2245276.2231986
17. Delaware B., Suriyakarn S., Pit-Claudel C., Ye Q., Chlipala A. Narcissus: correct-by-construction derivation of decoders and encoders from binary formats. In: Proceedings of the ACM on Programming Languages. 2019;3(ICFP):1–29. doi: 10.1145/3341686
18. Pit-Claudel C., Wang P., Delaware B., Gross J., Chlipala A. Extensible extraction of efficient imperative programs with foreign functions, manually managed memory, and proofs. In: Peltier N., Sofronie-Stokkermans V. (Eds.). Automated Reasoning. IJCAR 2020. Lecture Notes in Computer Science. 2020. V. 12167. P. 119–137. doi: 10.1007/978-3-030-51054-1_7
19. Chlipala A., Delaware B., Duchovni S., Gross J., Pit-Claudel C., Suriyakarn S., et al. The End of History? Using a Proof Assistant to Replace Language Design with Library Design. In: LIPIcs-Leibniz International Proceedings in Informatics. 2017;71:3.1–3.15. doi: 10.4230/LIPIcs.SNAPL.2017.3
20. Kosmatov N., Prevosto V., Signoles J. Guide to Software Verification with Frama-C: Core Components, Usages, and Applications. 1<sup>st</sup> ed. Cham: Springer International Publishing; 2024, 697 p. (Computer Science Foundations and Applied Logic). doi: 10.1007/978-3-031-55608-1
21. Volkov G., Mandrykin M., Efremov D. Lemma Functions for Frama-C: C Programs as Proofs. 2018. P. 31–38. doi: 10.48550/arXiv.1811.05879
22. Ye Q., Delaware B. A verified protocol buffer compiler. In: Proceedings of the 8<sup>th</sup> ACM SIGPLAN International Conference on Certified Programs and Proofs (CPP 2019). Association for Computing Machinery, New York, NY, USA. 2019. P. 222–233. doi: 10.1145/3293880.3294105
Рецензия
Для цитирования:
Ерохин В.В., Горин Д.С., Бунина Л.В. Сквозная верификация криптографических примитивов на эллиптических кривых от спецификации к безопасному коду. Russian Technological Journal. 2026;14(5):9-25. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2026-14-5-9-25. EDN: WSYLCQ
For citation:
Erokhin V.V., Gorin D.S., Bunina L.V. End-to-end verification of elliptic curve cryptographic primitives: From specification to secure code. Russian Technological Journal. 2026;14(5):9-25. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2026-14-5-9-25. EDN: WSYLCQ
JATS XML


























