Quellcodebibliothek Statistik Leitseite products/Sources/formale Sprachen/Isabelle/HOL/Auth/   (Beweissystem Isabelle Version 2025-1©)  Datei vom 16.11.2025 mit Größe 33 kB image not shown  

Quelle  Message.thy   Sprache: Isabelle

 
(*  Title:      HOL/Auth/Message.thy
    Author:     Lawrence C Paulson, Cambridge University Computer Laboratory
    Copyright   1996  University of Cambridge

Datatypes of agents and messages;
Inductive relations "parts", "analz" and "synth"
*)


section\<open>Theory of Agents and Messages for Security Protocols\<close>

theory Message
imports Main
begin

(*Needed occasionally with spy_analz_tac, e.g. in analz_insert_Key_newK*)
lemma [simp] : "A \ (B \ A) = B \ A"
  by blast

type_synonym
  key = nat

consts
  all_symmetric :: bool        \<comment> \<open>true if all keys are symmetric\<close>
  invKey        :: "key\key" \ \inverse of a symmetric key\

specification (invKey)
  invKey [simp]: "invKey (invKey K) = K"
  invKey_symmetric: "all_symmetric \ invKey = id"
    by (rule exI [of _ id], auto)


text\<open>The inverse of a symmetric key is itself; that of a public key
      is the private key and vice versa\<close>

definition symKeys :: "key set" where
  "symKeys == {K. invKey K = K}"

datatype  \<comment> \<open>We allow any number of friendly agents\<close>
  agent = Server | Friend nat | Spy

datatype
     msg = Agent  agent     \<comment> \<open>Agent names\<close>
         | Number nat       \<comment> \<open>Ordinary integers, timestamps, ...\<close>
         | Nonce  nat       \<comment> \<open>Unguessable nonces\<close>
         | Key    key       \<comment> \<open>Crypto keys\<close>
         | Hash   msg       \<comment> \<open>Hashing\<close>
         | MPair  msg msg   \<comment> \<open>Compound messages\<close>
         | Crypt  key msg   \<comment> \<open>Encryption, public- or shared-key\<close>


text\<open>Concrete syntax: messages appear as \<open>\<lbrace>A,B,NA\<rbrace>\<close>, etc...\<close>
syntax
  "_MTuple" :: "['a, args] \ 'a * 'b" (\(\indent=2 notation=\mixfix message tuple\\\_,/ _\)\)
syntax_consts
  "_MTuple" \<rightleftharpoons> MPair
translations
  "\x, y, z\" \ "\x, \y, z\\"
  "\x, y\" \ "CONST MPair x y"


definition HPair :: "[msg,msg] \ msg" (\(4Hash[_] /_)\ [0, 1000]) where
    \<comment> \<open>Message Y paired with a MAC computed with the help of X\<close>
    "Hash[X] Y == \Hash\X,Y\, Y\"

definition keysFor :: "msg set \ key set" where
    \<comment> \<open>Keys useful to decrypt elements of a message set\<close>
  "keysFor H == invKey ` {K. \X. Crypt K X \ H}"


subsection\<open>Inductive Definition of All Parts of a Message\<close>

inductive_set
  parts :: "msg set \ msg set"
  for H :: "msg set"
  where
    Inj [intro]: "X \ H \ X \ parts H"
  | Fst:         "\X,Y\ \ parts H \ X \ parts H"
  | Snd:         "\X,Y\ \ parts H \ Y \ parts H"
  | Body:        "Crypt K X \ parts H \ X \ parts H"


text\<open>Monotonicity\<close>
lemma parts_mono_aux: "\G \ H; X \ parts G\ \ X \ parts H"
  by (erule parts.induct) (auto dest: parts.Fst parts.Snd parts.Body)

lemma parts_mono: "G \ H \ parts(G) \ parts(H)"
  using parts_mono_aux by blast


text\<open>Equations hold because constructors are injective.\<close>
lemma Friend_image_eq [simp]: "(Friend x \ Friend`A) = (x \A)"
  by auto

lemma Key_image_eq [simp]: "(Key x \ Key`A) = (x \A)"
  by auto

lemma Nonce_Key_image_eq [simp]: "(Nonce x \ Key`A)"
  by auto


subsection\<open>Inverse of keys\<close>

lemma invKey_eq [simp]: "(invKey K = invKey K') = (K=K')"
  by (metis invKey)


subsection\<open>The @{term keysFor} operator\<close>

lemma keysFor_empty [simp]: "keysFor {} = {}"
    unfolding keysFor_def by blast

lemma keysFor_Un [simp]: "keysFor (H \ H') = keysFor H \ keysFor H'"
    unfolding keysFor_def by blast

lemma keysFor_UN [simp]: "keysFor (\i \A. H i) = (\i \A. keysFor (H i))"
    unfolding keysFor_def by blast

text\<open>Monotonicity\<close>
lemma keysFor_mono: "G \ H \ keysFor(G) \ keysFor(H)"
  unfolding keysFor_def by blast

lemma keysFor_insert_Agent [simp]: "keysFor (insert (Agent A) H) = keysFor H"
  unfolding keysFor_def by auto

lemma keysFor_insert_Nonce [simp]: "keysFor (insert (Nonce N) H) = keysFor H"
  unfolding keysFor_def by auto

lemma keysFor_insert_Number [simp]: "keysFor (insert (Number N) H) = keysFor H"
  unfolding keysFor_def by auto

lemma keysFor_insert_Key [simp]: "keysFor (insert (Key K) H) = keysFor H"
  unfolding keysFor_def by auto

lemma keysFor_insert_Hash [simp]: "keysFor (insert (Hash X) H) = keysFor H"
  unfolding keysFor_def by auto

lemma keysFor_insert_MPair [simp]: "keysFor (insert \X,Y\ H) = keysFor H"
  unfolding keysFor_def by auto

lemma keysFor_insert_Crypt [simp]: 
    "keysFor (insert (Crypt K X) H) = insert (invKey K) (keysFor H)"
  unfolding keysFor_def by auto

lemma keysFor_image_Key [simp]: "keysFor (Key`E) = {}"
  unfolding keysFor_def by auto

lemma Crypt_imp_invKey_keysFor: "Crypt K X \ H \ invKey K \ keysFor H"
  unfolding keysFor_def by blast


subsection\<open>Inductive relation "parts"\<close>

lemma MPair_parts:
  "\\X,Y\ \ parts H;
         \<lbrakk>X \<in> parts H; Y \<in> parts H\<rbrakk> \<Longrightarrow> P\<rbrakk> \<Longrightarrow> P"
  by (blast dest: parts.Fst parts.Snd) 

declare MPair_parts [elim!]  parts.Body [dest!]
text\<open>NB These two rules are UNSAFE in the formal sense, as they discard the
     compound message.  They work well on THIS FILE.  
  \<open>MPair_parts\<close> is left as SAFE because it speeds up proofs.
  The Crypt rule is normally kept UNSAFE to avoid breaking up certificates.\<close>

lemma parts_increasing: "H \ parts(H)"
  by blast

lemmas parts_insertI = subset_insertI [THEN parts_mono, THEN subsetD]

lemma parts_empty_aux: "X \ parts{} \ False"
  by (induction rule: parts.induct) (blast+)

lemma parts_empty [simp]: "parts{} = {}"
  using parts_empty_aux by blast

lemma parts_emptyE [elim!]: "X \ parts{} \ P"
  by simp

text\<open>WARNING: loops if H = {Y}, therefore must not be repeated!\<close>
lemma parts_singleton: "X \ parts H \ \Y \H. X \ parts {Y}"
  by (erule parts.induct, fast+)


subsubsection\<open>Unions\<close>

lemma parts_Un [simp]: "parts(G \ H) = parts(G) \ parts(H)"
proof -
  have "X \ parts (G \ H) \ X \ parts G \ parts H" for X
    by (induction rule: parts.induct) auto
  then show ?thesis
    by (simp add: order_antisym parts_mono subsetI)
qed

lemma parts_insert: "parts (insert X H) = parts {X} \ parts H"
  by (metis insert_is_Un parts_Un)

text\<open>TWO inserts to avoid looping.  This rewrite is better than nothing.
  But its behaviour can be strange.\<close>
lemma parts_insert2:
  "parts (insert X (insert Y H)) = parts {X} \ parts {Y} \ parts H"
  by (metis Un_commute Un_empty_right Un_insert_right insert_is_Un parts_Un)

lemma parts_image [simp]:
  "parts (f ` A) = (\x \A. parts {f x})"
  apply auto
   apply (metis (mono_tags, opaque_lifting) image_iff parts_singleton)
  apply (metis empty_subsetI image_eqI insert_absorb insert_subset parts_mono)
  done

text\<open>Added to simplify arguments to parts, analz and synth.\<close>

text\<open>This allows \<open>blast\<close> to simplify occurrences of 
  \<^term>\<open>parts(G\<union>H)\<close> in the assumption.\<close>
lemmas in_parts_UnE = parts_Un [THEN equalityD1, THEN subsetD, THEN UnE] 
declare in_parts_UnE [elim!]


lemma parts_insert_subset: "insert X (parts H) \ parts(insert X H)"
  by (blast intro: parts_mono [THEN [2] rev_subsetD])

subsubsection\<open>Idempotence and transitivity\<close>

lemma parts_partsD [dest!]: "X \ parts (parts H) \ X \ parts H"
  by (erule parts.induct, blast+)

lemma parts_idem [simp]: "parts (parts H) = parts H"
  by blast

lemma parts_subset_iff [simp]: "(parts G \ parts H) = (G \ parts H)"
  by (metis parts_idem parts_increasing parts_mono subset_trans)

lemma parts_trans: "\X \ parts G; G \ parts H\ \ X \ parts H"
  by (metis parts_subset_iff subsetD)

text\<open>Cut\<close>
lemma parts_cut:
  "\Y \ parts (insert X G); X \ parts H\ \ Y \ parts (G \ H)"
  by (blast intro: parts_trans) 

lemma parts_cut_eq [simp]: "X \ parts H \ parts (insert X H) = parts H"
  by (metis insert_absorb parts_idem parts_insert)


subsubsection\<open>Rewrite rules for pulling out atomic messages\<close>

lemmas parts_insert_eq_I = equalityI [OF subsetI parts_insert_subset]


lemma parts_insert_Agent [simp]:
  "parts (insert (Agent agt) H) = insert (Agent agt) (parts H)"
  apply (rule parts_insert_eq_I) 
  apply (erule parts.induct, auto) 
  done

lemma parts_insert_Nonce [simp]:
  "parts (insert (Nonce N) H) = insert (Nonce N) (parts H)"
  apply (rule parts_insert_eq_I) 
  apply (erule parts.induct, auto) 
  done

lemma parts_insert_Number [simp]:
  "parts (insert (Number N) H) = insert (Number N) (parts H)"
  apply (rule parts_insert_eq_I) 
  apply (erule parts.induct, auto) 
  done

lemma parts_insert_Key [simp]:
  "parts (insert (Key K) H) = insert (Key K) (parts H)"
  apply (rule parts_insert_eq_I) 
  apply (erule parts.induct, auto) 
  done

lemma parts_insert_Hash [simp]:
  "parts (insert (Hash X) H) = insert (Hash X) (parts H)"
  apply (rule parts_insert_eq_I) 
  apply (erule parts.induct, auto) 
  done

lemma parts_insert_Crypt [simp]:
  "parts (insert (Crypt K X) H) = insert (Crypt K X) (parts (insert X H))"
proof -
  have "Y \ parts (insert (Crypt K X) H) \ Y \ insert (Crypt K X) (parts (insert X H))" for Y
    by (induction rule: parts.induct) auto
  then show ?thesis
    by (smt (verit) insertI1 insert_commute parts.simps parts_cut_eq parts_insert_eq_I)
qed

lemma parts_insert_MPair [simp]:
  "parts (insert \X,Y\ H) = insert \X,Y\ (parts (insert X (insert Y H)))"
proof -
  have "Z \ parts (insert \X, Y\ H) \ Z \ insert \X, Y\ (parts (insert X (insert Y H)))" for Z
    by (induction rule: parts.induct) auto
  then show ?thesis
    by (smt (verit) insertI1 insert_commute parts.simps parts_cut_eq parts_insert_eq_I)
qed

lemma parts_image_Key [simp]: "parts (Key`N) = Key`N"
  by auto

text\<open>In any message, there is an upper bound N on its greatest nonce.\<close>
lemma msg_Nonce_supply: "\N. \n. N\n \ Nonce n \ parts {msg}"
proof (induct msg)
  case (Nonce n)
  show ?case
    by simp (metis Suc_n_not_le_n)
next
  case (MPair X Y)
  then show ?case \<comment> \<open>metis works out the necessary sum itself!\<close>
    by (simp add: parts_insert2) (metis le_trans nat_le_linear)
qed auto

subsection\<open>Inductive relation "analz"\<close>

text\<open>Inductive definition of "analz" -- what can be broken down from a set of
    messages, including keys.  A form of downward closure.  Pairs can
    be taken apart; messages decrypted with known keys.\<close>

inductive_set
  analz :: "msg set \ msg set"
  for H :: "msg set"
  where
    Inj [intro,simp]: "X \ H \ X \ analz H"
  | Fst:     "\X,Y\ \ analz H \ X \ analz H"
  | Snd:     "\X,Y\ \ analz H \ Y \ analz H"
  | Decrypt [dest]: 
    "\Crypt K X \ analz H; Key(invKey K) \ analz H\ \ X \ analz H"


text\<open>Monotonicity; Lemma 1 of Lowe's paper\<close>
lemma analz_mono_aux: "\G \ H; X \ analz G\ \ X \ analz H"
  by (erule analz.induct) (auto dest: analz.Fst analz.Snd) 

lemma analz_mono: "G\H \ analz(G) \ analz(H)"
  using analz_mono_aux by blast

text\<open>Making it safe speeds up proofs\<close>
lemma MPair_analz [elim!]:
  "\\X,Y\ \ analz H;
    \<lbrakk>X \<in> analz H; Y \<in> analz H\<rbrakk> \<Longrightarrow> P\<rbrakk> \<Longrightarrow> P"
  by (blast dest: analz.Fst analz.Snd)

lemma analz_increasing: "H \ analz(H)"
  by blast

lemma analz_into_parts: "X \ analz H \ X \ parts H"
  by (erule analz.induct) auto

lemma analz_subset_parts: "analz H \ parts H"
  using analz_into_parts by blast

lemma analz_parts [simp]: "analz (parts H) = parts H"
  using analz_subset_parts by blast

lemmas not_parts_not_analz = analz_subset_parts [THEN contra_subsetD]


lemma parts_analz [simp]: "parts (analz H) = parts H"
  by (metis analz_increasing analz_subset_parts parts_idem parts_mono subset_antisym)

lemmas analz_insertI = subset_insertI [THEN analz_mono, THEN [2] rev_subsetD]

subsubsection\<open>General equational properties\<close>

lemma analz_empty [simp]: "analz{} = {}"
  using analz_parts by fastforce

text\<open>Converse fails: we can analz more from the union than from the 
  separate parts, as a key in one might decrypt a message in the other\<close>
lemma analz_Un: "analz(G) \ analz(H) \ analz(G \ H)"
  by (intro Un_least analz_mono Un_upper1 Un_upper2)

lemma analz_insert: "insert X (analz H) \ analz(insert X H)"
  by (blast intro: analz_mono [THEN [2] rev_subsetD])

subsubsection\<open>Rewrite rules for pulling out atomic messages\<close>

lemmas analz_insert_eq_I = equalityI [OF subsetI analz_insert]

lemma analz_insert_Agent [simp]:
  "analz (insert (Agent agt) H) = insert (Agent agt) (analz H)"
  apply (rule analz_insert_eq_I) 
  apply (erule analz.induct, auto) 
  done

lemma analz_insert_Nonce [simp]:
  "analz (insert (Nonce N) H) = insert (Nonce N) (analz H)"
  apply (rule analz_insert_eq_I) 
  apply (erule analz.induct, auto) 
  done

lemma analz_insert_Number [simp]:
  "analz (insert (Number N) H) = insert (Number N) (analz H)"
  apply (rule analz_insert_eq_I) 
  apply (erule analz.induct, auto) 
  done

lemma analz_insert_Hash [simp]:
  "analz (insert (Hash X) H) = insert (Hash X) (analz H)"
  apply (rule analz_insert_eq_I) 
  apply (erule analz.induct, auto) 
  done

text\<open>Can only pull out Keys if they are not needed to decrypt the rest\<close>
lemma analz_insert_Key [simp]: 
  "K \ keysFor (analz H) \
          analz (insert (Key K) H) = insert (Key K) (analz H)"
  unfolding keysFor_def
  apply (rule analz_insert_eq_I) 
  apply (erule analz.induct, auto) 
  done

lemma analz_insert_MPair [simp]:
  "analz (insert \X,Y\ H) = insert \X,Y\ (analz (insert X (insert Y H)))"
proof -
  have "Z \ analz (insert \X, Y\ H) \ Z \ insert \X, Y\ (analz (insert X (insert Y H)))" for Z
    by (induction rule: analz.induct) auto
  moreover have "Z \ analz (insert X (insert Y H)) \ Z \ analz (insert \X, Y\ H)" for Z
    by (induction rule: analz.induct) (use analz.Inj in blast)+
  ultimately show ?thesis
    by auto
qed

text\<open>Can pull out encrypted message if the Key is not known\<close>
lemma analz_insert_Crypt:
  "Key (invKey K) \ analz H
      \<Longrightarrow> analz (insert (Crypt K X) H) = insert (Crypt K X) (analz H)"
  apply (rule analz_insert_eq_I) 
  apply (erule analz.induct, auto) 
  done

lemma analz_insert_Decrypt:
  assumes "Key (invKey K) \ analz H"
  shows "analz (insert (Crypt K X) H) = insert (Crypt K X) (analz (insert X H))"
proof -
  have "Y \ analz (insert (Crypt K X) H) \ Y \ insert (Crypt K X) (analz (insert X H))" for Y
    by (induction rule: analz.induct) auto
  moreover
  have "Y \ analz (insert X H) \ Y \ analz (insert (Crypt K X) H)" for Y
  proof (induction rule: analz.induct)
    case (Inj X)
    then show ?case
      by (metis analz.Decrypt analz.Inj analz_insertI assms insert_iff)
  qed auto
  ultimately show ?thesis
    by auto
qed

text\<open>Case analysis: either the message is secure, or it is not! Effective,
but can cause subgoals to blow up! Use with \<open>if_split\<close>; apparently
\<open>split_tac\<close> does not cope with patterns such as \<^term>\<open>analz (insert
(Crypt K X) H)\<close>\<close> 
lemma analz_Crypt_if [simp]:
  "analz (insert (Crypt K X) H) =
          (if (Key (invKey K) \<in> analz H)                 
           then insert (Crypt K X) (analz (insert X H))  
           else insert (Crypt K X) (analz H))"
  by (simp add: analz_insert_Crypt analz_insert_Decrypt)


text\<open>This rule supposes "for the sake of argument" that we have the key.\<close>
lemma analz_insert_Crypt_subset:
  "analz (insert (Crypt K X) H) \
           insert (Crypt K X) (analz (insert X H))"
  apply (rule subsetI)
  apply (erule analz.induct, auto)
  done


lemma analz_image_Key [simp]: "analz (Key`N) = Key`N"
  apply auto
  apply (erule analz.induct, auto)
  done


subsubsection\<open>Idempotence and transitivity\<close>

lemma analz_analzD [dest!]: "X \ analz (analz H) \ X \ analz H"
  by (erule analz.induct, blast+)

lemma analz_idem [simp]: "analz (analz H) = analz H"
  by blast

lemma analz_subset_iff [simp]: "(analz G \ analz H) = (G \ analz H)"
  by (metis analz_idem analz_increasing analz_mono subset_trans)

lemma analz_trans: "\X \ analz G; G \ analz H\ \ X \ analz H"
  by (drule analz_mono, blast)

text\<open>Cut; Lemma 2 of Lowe\<close>
lemma analz_cut: "\Y \ analz (insert X H); X \ analz H\ \ Y \ analz H"
  by (erule analz_trans, blast)

(*Cut can be proved easily by induction on
   "Y: analz (insert X H) \<Longrightarrow> X: analz H \<longrightarrow> Y: analz H"
*)


text\<open>This rewrite rule helps in the simplification of messages that involve
  the forwarding of unknown components (X).  Without it, removing occurrences
  of X can be very complicated.\<close>
lemma analz_insert_eq: "X \ analz H \ analz (insert X H) = analz H"
  by (metis analz_cut analz_insert_eq_I insert_absorb)


text\<open>A congruence rule for "analz"\<close>

lemma analz_subset_cong:
  "\analz G \ analz G'; analz H \ analz H'\
      \<Longrightarrow> analz (G \<union> H) \<subseteq> analz (G' \<union> H')"
  by (metis Un_mono analz_Un analz_subset_iff subset_trans)

lemma analz_cong:
  "\analz G = analz G'; analz H = analz H'\
      \<Longrightarrow> analz (G \<union> H) = analz (G' \<union> H')"
  by (intro equalityI analz_subset_cong, simp_all) 

lemma analz_insert_cong:
  "analz H = analz H' \ analz(insert X H) = analz(insert X H')"
  by (force simp only: insert_def intro!: analz_cong)

text\<open>If there are no pairs or encryptions then analz does nothing\<close>
lemma analz_trivial:
  "\\X Y. \X,Y\ \ H; \X K. Crypt K X \ H\ \ analz H = H"
  apply safe
   apply (erule analz.induct, blast+)
  done


subsection\<open>Inductive relation "synth"\<close>

text\<open>Inductive definition of "synth" -- what can be built up from a set of
    messages.  A form of upward closure.  Pairs can be built, messages
    encrypted with known keys.  Agent names are public domain.
    Numbers can be guessed, but Nonces cannot be.\<close>

inductive_set
  synth :: "msg set => msg set"
  for H :: "msg set"
  where
    Inj    [intro]:   "X \ H \ X \ synth H"
  | Agent  [intro]:   "Agent agt \ synth H"
  | Number [intro]:   "Number n \ synth H"
  | Hash   [intro]:   "X \ synth H \ Hash X \ synth H"
  | MPair  [intro]:   "\X \ synth H; Y \ synth H\ \ \X,Y\ \ synth H"
  | Crypt  [intro]:   "\X \ synth H; Key(K) \ H\ \ Crypt K X \ synth H"

text\<open>Monotonicity\<close>
lemma synth_mono: "G\H \ synth(G) \ synth(H)"
  by (auto, erule synth.induct, auto)  

text\<open>NO \<open>Agent_synth\<close>, as any Agent name can be synthesized.  
  The same holds for \<^term>\<open>Number\<close>\<close>

inductive_simps synth_simps [iff]:
  "Nonce n \ synth H"
  "Key K \ synth H"
  "Hash X \ synth H"
  "\X,Y\ \ synth H"
  "Crypt K X \ synth H"

lemma synth_increasing: "H \ synth(H)"
  by blast

subsubsection\<open>Unions\<close>

text\<open>Converse fails: we can synth more from the union than from the 
  separate parts, building a compound message using elements of each.\<close>
lemma synth_Un: "synth(G) \ synth(H) \ synth(G \ H)"
  by (intro Un_least synth_mono Un_upper1 Un_upper2)

lemma synth_insert: "insert X (synth H) \ synth(insert X H)"
  by (blast intro: synth_mono [THEN [2] rev_subsetD])

subsubsection\<open>Idempotence and transitivity\<close>

lemma synth_synthD [dest!]: "X \ synth (synth H) \ X \ synth H"
  by (erule synth.induct, auto)

lemma synth_idem: "synth (synth H) = synth H"
  by blast

lemma synth_subset_iff [simp]: "(synth G \ synth H) = (G \ synth H)"
  by (metis subset_trans synth_idem synth_increasing synth_mono)

lemma synth_trans: "\X \ synth G; G \ synth H\ \ X \ synth H"
  by (drule synth_mono, blast)

text\<open>Cut; Lemma 2 of Lowe\<close>
lemma synth_cut: "\Y \ synth (insert X H); X \ synth H\ \ Y \ synth H"
  by (erule synth_trans, blast)

lemma Crypt_synth_eq [simp]:
  "Key K \ H \ (Crypt K X \ synth H) = (Crypt K X \ H)"
  by blast


lemma keysFor_synth [simp]: 
  "keysFor (synth H) = keysFor H \ invKey`{K. Key K \ H}"
  unfolding keysFor_def by blast


subsubsection\<open>Combinations of parts, analz and synth\<close>

lemma parts_synth [simp]: "parts (synth H) = parts H \ synth H"
proof -
  have "X \ parts (synth H) \ X \ parts H \ synth H" for X
    by (induction X rule: parts.induct) (auto intro: parts.intros)
  then show ?thesis
    by (meson parts_increasing parts_mono subsetI antisym sup_least synth_increasing)
qed

lemma analz_analz_Un [simp]: "analz (analz G \ H) = analz (G \ H)"
  using analz_cong by blast

lemma analz_synth_Un [simp]: "analz (synth G \ H) = analz (G \ H) \ synth G"
proof -
  have "X \ analz (synth G \ H) \ X \ analz (G \ H) \ synth G" for X
    by (induction X rule: analz.induct) (auto intro: analz.intros)
  then show ?thesis
    by (metis analz_subset_iff le_sup_iff subsetI subset_antisym synth_subset_iff)
qed

lemma analz_synth [simp]: "analz (synth H) = analz H \ synth H"
  by (metis Un_empty_right analz_synth_Un)


subsubsection\<open>For reasoning about the Fake rule in traces\<close>

lemma parts_insert_subset_Un: "X \ G \ parts(insert X H) \ parts G \ parts H"
  by (metis UnCI Un_upper2 insert_subset parts_Un parts_mono)

text\<open>More specifically for Fake. See also \<open>Fake_parts_sing\<close> below\<close>
lemma Fake_parts_insert:
  "X \ synth (analz H) \
      parts (insert X H) \<subseteq> synth (analz H) \<union> parts H"
  by (metis Un_commute analz_increasing insert_subset parts_analz parts_mono 
      parts_synth synth_mono synth_subset_iff)

lemma Fake_parts_insert_in_Un:
  "\Z \ parts (insert X H); X \ synth (analz H)\
      \<Longrightarrow> Z \<in> synth (analz H) \<union> parts H"
  by (metis Fake_parts_insert subsetD)

text\<open>\<^term>\<open>H\<close> is sometimes \<^term>\<open>Key ` KK \<union> spies evs\<close>, so can't put 
  \<^term>\<open>G=H\<close>.\<close>
lemma Fake_analz_insert:
  "X \ synth (analz G) \
      analz (insert X H) \<subseteq> synth (analz G) \<union> analz (G \<union> H)"
  by (metis UnCI Un_commute Un_upper1 analz_analz_Un analz_mono analz_synth_Un insert_subset)

lemma analz_conj_parts [simp]:
  "(X \ analz H \ X \ parts H) = (X \ analz H)"
  by (blast intro: analz_subset_parts [THEN subsetD])

lemma analz_disj_parts [simp]:
  "(X \ analz H | X \ parts H) = (X \ parts H)"
  by (blast intro: analz_subset_parts [THEN subsetD])

text\<open>Without this equation, other rules for synth and analz would yield
  redundant cases\<close>
lemma MPair_synth_analz [iff]:
  "\X,Y\ \ synth (analz H) \ X \ synth (analz H) \ Y \ synth (analz H)"
  by blast

lemma Crypt_synth_analz:
  "\Key K \ analz H; Key (invKey K) \ analz H\
       \<Longrightarrow> (Crypt K X \<in> synth (analz H)) = (X \<in> synth (analz H))"
  by blast

lemma Hash_synth_analz [simp]:
  "X \ synth (analz H)
      \<Longrightarrow> (Hash\<lbrace>X,Y\<rbrace> \<in> synth (analz H)) = (Hash\<lbrace>X,Y\<rbrace> \<in> analz H)"
  by blast


subsection\<open>HPair: a combination of Hash and MPair\<close>

subsubsection\<open>Freeness\<close>

lemma Agent_neq_HPair: "Agent A \ Hash[X] Y"
  unfolding HPair_def by simp

lemma Nonce_neq_HPair: "Nonce N \ Hash[X] Y"
  unfolding HPair_def by simp

lemma Number_neq_HPair: "Number N \ Hash[X] Y"
  unfolding HPair_def by simp

lemma Key_neq_HPair: "Key K \ Hash[X] Y"
  unfolding HPair_def by simp

lemma Hash_neq_HPair: "Hash Z \ Hash[X] Y"
  unfolding HPair_def by simp

lemma Crypt_neq_HPair: "Crypt K X' \ Hash[X] Y"
  unfolding HPair_def by simp

lemmas HPair_neqs = Agent_neq_HPair Nonce_neq_HPair Number_neq_HPair 
  Key_neq_HPair Hash_neq_HPair Crypt_neq_HPair

declare HPair_neqs [iff]
declare HPair_neqs [symmetric, iff]

lemma HPair_eq [iff]: "(Hash[X'] Y' = Hash[X] Y) = (X' = X \ Y'=Y)"
  by (simp add: HPair_def)

lemma MPair_eq_HPair [iff]:
  "(\X',Y'\ = Hash[X] Y) = (X' = Hash\X,Y\ \ Y'=Y)"
  by (simp add: HPair_def)

lemma HPair_eq_MPair [iff]:
  "(Hash[X] Y = \X',Y'\) = (X' = Hash\X,Y\ \ Y'=Y)"
  by (auto simp add: HPair_def)


subsubsection\<open>Specialized laws, proved in terms of those for Hash and MPair\<close>

lemma keysFor_insert_HPair [simp]: "keysFor (insert (Hash[X] Y) H) = keysFor H"
  by (simp add: HPair_def)

lemma parts_insert_HPair [simp]: 
  "parts (insert (Hash[X] Y) H) =
     insert (Hash[X] Y) (insert (Hash\<lbrace>X,Y\<rbrace>) (parts (insert Y H)))"
  by (simp add: HPair_def)

lemma analz_insert_HPair [simp]: 
  "analz (insert (Hash[X] Y) H) =
     insert (Hash[X] Y) (insert (Hash\<lbrace>X,Y\<rbrace>) (analz (insert Y H)))"
  by (simp add: HPair_def)

lemma HPair_synth_analz [simp]:
  "X \ synth (analz H)
    \<Longrightarrow> (Hash[X] Y \<in> synth (analz H)) =  
        (Hash \<lbrace>X, Y\<rbrace> \<in> analz H \<and> Y \<in> synth (analz H))"
  by (auto simp add: HPair_def)


text\<open>We do NOT want Crypt... messages broken up in protocols!!\<close>
declare parts.Body [rule del]


text\<open>Rewrites to push in Key and Crypt messages, so that other messages can
    be pulled out using the \<open>analz_insert\<close> rules\<close>

lemmas pushKeys =
  insert_commute [of "Key K" "Agent C"]
  insert_commute [of "Key K" "Nonce N"]
  insert_commute [of "Key K" "Number N"]
  insert_commute [of "Key K" "Hash X"]
  insert_commute [of "Key K" "MPair X Y"]
  insert_commute [of "Key K" "Crypt X K'"]
  for K C N X Y K'

lemmas pushCrypts =
  insert_commute [of "Crypt X K" "Agent C"]
  insert_commute [of "Crypt X K" "Agent C"]
  insert_commute [of "Crypt X K" "Nonce N"]
  insert_commute [of "Crypt X K" "Number N"]
  insert_commute [of "Crypt X K" "Hash X'"]
  insert_commute [of "Crypt X K" "MPair X' Y"]
  for X K C N X' Y

text\<open>Cannot be added with \<open>[simp]\<close> -- messages should not always be
  re-ordered.\<close>
lemmas pushes = pushKeys pushCrypts


subsection\<open>The set of key-free messages\<close>

(*Note that even the encryption of a key-free message remains key-free.
  This concept is valuable because of the theorem analz_keyfree_into_Un, proved below. *)


inductive_set
  keyfree :: "msg set"
  where
    Agent:  "Agent A \ keyfree"
  | Number: "Number N \ keyfree"
  | Nonce:  "Nonce N \ keyfree"
  | Hash:   "Hash X \ keyfree"
  | MPair:  "\X \ keyfree; Y \ keyfree\ \ \X,Y\ \ keyfree"
  | Crypt:  "\X \ keyfree\ \ Crypt K X \ keyfree"


declare keyfree.intros [intro] 

inductive_cases keyfree_KeyE: "Key K \ keyfree"
inductive_cases keyfree_MPairE: "\X,Y\ \ keyfree"
inductive_cases keyfree_CryptE: "Crypt K X \ keyfree"

lemma parts_keyfree: "parts (keyfree) \ keyfree"
  by (clarify, erule parts.induct, auto elim!: keyfree_KeyE keyfree_MPairE keyfree_CryptE)

(*The key-free part of a set of messages can be removed from the scope of the analz operator.*)
lemma analz_keyfree_into_Un: "\X \ analz (G \ H); G \ keyfree\ \ X \ parts G \ analz H"
proof (induction rule: analz.induct)
  case (Decrypt K X)
  then show ?case
    by (metis Un_iff analz.Decrypt in_mono keyfree_KeyE parts.Body parts_keyfree parts_mono)
qed (auto dest: parts.Body)

subsection\<open>Tactics useful for many protocol proofs\<close>
ML
  \<open>
(*Analysis of Fake cases.  Also works for messages that forward unknown parts,
  but this application is no longer necessary if analz_insert_eq is used.
  DEPENDS UPON "X" REFERRING TO THE FRADULENT MESSAGE *)


fun impOfSubs th = th RSN (2, @{thm rev_subsetD})

(*Apply rules to break down assumptions of the form
  Y \<in> parts(insert X H)  and  Y \<in> analz(insert X H)
*)

fun Fake_insert_tac ctxt = 
    dresolve_tac ctxt [impOfSubs @{thm Fake_analz_insert},
                  impOfSubs @{thm Fake_parts_insert}] THEN'
    eresolve_tac ctxt [asm_rl, @{thm synth.Inj}];

fun Fake_insert_simp_tac ctxt i = 
  REPEAT (Fake_insert_tac ctxt i) THEN asm_full_simp_tac ctxt i;

fun atomic_spy_analz_tac ctxt =
  SELECT_GOAL
   (Fake_insert_simp_tac ctxt 1 THEN
    IF_UNSOLVED
      (Blast.depth_tac
        (ctxt addIs [@{thm analz_insertI}, impOfSubs @{thm analz_subset_parts}]) 4 1));

fun spy_analz_tac ctxt i =
  DETERM
   (SELECT_GOAL
     (EVERY 
      [  (*push in occurrences of X...*)
       (REPEAT o CHANGED)
         (Rule_Insts.res_inst_tac ctxt [((("x", 1), Position.none), "X")] []
           (@{thm insert_commute} RS ssubst) 1),
       (*...allowing further simplifications*)
       simp_tac ctxt 1,
       REPEAT (FIRSTGOAL (resolve_tac ctxt [allI,impI,notI,conjI,iffI])),
       DEPTH_SOLVE (atomic_spy_analz_tac ctxt 1)]) i);
\<close>

text\<open>By default only \<open>o_apply\<close> is built-in.  But in the presence of
eta-expansion this means that some terms displayed as \<^term>\<open>f o g\<close> will be
rewritten, and others will not!\<close>
declare o_def [simp]


lemma Crypt_notin_image_Key [simp]: "Crypt K X \ Key ` A"
  by auto

lemma Hash_notin_image_Key [simp] :"Hash X \ Key ` A"
  by auto

lemma synth_analz_mono: "G\H \ synth (analz(G)) \ synth (analz(H))"
  by (iprover intro: synth_mono analz_mono) 

lemma Fake_analz_eq [simp]:
  "X \ synth(analz H) \ synth (analz (insert X H)) = synth (analz H)"
  by (metis Fake_analz_insert Un_absorb Un_absorb1 Un_commute 
      subset_insertI synth_analz_mono synth_increasing synth_subset_iff)

text\<open>Two generalizations of \<open>analz_insert_eq\<close>\<close>
lemma gen_analz_insert_eq [rule_format]:
  "X \ analz H \ \G. H \ G \ analz (insert X G) = analz G"
  by (blast intro: analz_cut analz_insertI analz_mono [THEN [2] rev_subsetD])

lemma synth_analz_insert_eq:
  "\X \ synth (analz H); H \ G\
      \<Longrightarrow> (Key K \<in> analz (insert X G)) \<longleftrightarrow> (Key K \<in> analz G)"
proof (induction arbitrary: G rule: synth.induct)
  case (Inj X)
  then show ?case
    using gen_analz_insert_eq by presburger 
qed (simp_all add: subset_eq)

lemma Fake_parts_sing:
  "X \ synth (analz H) \ parts{X} \ synth (analz H) \ parts H"
  by (metis Fake_parts_insert empty_subsetI insert_mono parts_mono subset_trans)

lemmas Fake_parts_sing_imp_Un = Fake_parts_sing [THEN [2] rev_subsetD]

method_setup spy_analz = \<open>
    Scan.succeed (SIMPLE_METHOD' o spy_analz_tac)\
  "for proving the Fake case when analz is involved"

method_setup atomic_spy_analz = \<open>
    Scan.succeed (SIMPLE_METHOD' o atomic_spy_analz_tac)\
  "for debugging spy_analz"

method_setup Fake_insert_simp = \<open>
    Scan.succeed (SIMPLE_METHOD' o Fake_insert_simp_tac)\
  "for debugging spy_analz"

end

100%


¤ Dauer der Verarbeitung: 0.13 Sekunden  (vorverarbeitet)  ¤

*© Formatika GbR, Deutschland






Wurzel

Suchen

Beweissystem der NASA

Beweissystem Isabelle

NIST Cobol Testsuite

Cephes Mathematical Library

Wiener Entwicklungsmethode

Haftungshinweis

Die Informationen auf dieser Webseite wurden nach bestem Wissen sorgfältig zusammengestellt. Es wird jedoch weder Vollständigkeit, noch Richtigkeit, noch Qualität der bereit gestellten Informationen zugesichert.

Bemerkung:

Die farbliche Syntaxdarstellung ist noch experimentell.