A digital microfluidic biochip (DMFB) is a miniaturized laboratory capable of implementing biochemical protocols. Fully integrated DMFBs consist of a hardware platform, controller, and network connectivity, making it a cyber-physical system (CPS). A DMFB CPS is being advocated for safety-critical applications, such as medical diagnosis, drug development, and personalized medicine. Hence, the security of a DMFB CPS is of immense importance to their successful deployment. Recent research has made progress in devising corresponding defense mechanisms by employing so-called checkpoints (CPs). Existing solutions either rely on probabilistic security analysis that does not consider all possible actions an attacker may use to overcome an applied CP mechanism or rely on exhaustive monitoring of DMFB at all time-steps during the assay execution. For devising a defense scheme that is guaranteed to be secure, an exact analysis of the security of a DMFB is needed. This is not available in the current state-of-the-art. In this article, we address this issue by developing an exact method, which uses the deductive power of satisfiability solvers to verify whether a CP-based defense thwarts the execution of an attack. We demonstrate the usefulness of the proposed method by showcasing two applications on practical bioassays: 1) security analysis of various checkpointing strategies and 2) derivation of a counterexample-guided fool-proof secure CP scheme.

中文翻译：

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数字微流体生物芯片中基于检查点的防御有多安全？

数字微流控生物芯片 (DMFB) 是一个能够实施生化协议的小型化实验室。完全集成的 DMFB 由硬件平台、控制器和网络连接组成，使其成为网络物理系统 (CPS)。DMFB CPS 被提倡用于安全关键应用，例如医疗诊断、药物开发和个性化医疗。因此，DMFB CPS 的安全性对其成功部署至关重要。最近的研究通过使用所谓的检查点 (CP) 在设计相应的防御机制方面取得了进展。现有的解决方案要么依赖于概率安全分析，该分析不考虑攻击者可能用来克服应用的 CP 机制的所有可能操作，要么依赖于在化验执行期间的所有时间步长对 DMFB 的详尽监控。为了设计一个保证安全的防御方案，需要对 DMFB 的安全性进行精确分析。这在当前最先进的技术中是不可用的。在本文中，我们通过开发一种精确方法来解决这个问题，该方法使用可满足性求解器的演绎能力来验证基于 CP 的防御是否会阻止攻击的执行。我们通过展示实际生物测定的两个应用来证明所提出方法的实用性：1) 各种检查点策略的安全性分析和 2) 反例引导的防呆安全 CP 方案的推导。它使用可满足性求解器的演绎能力来验证基于 CP 的防御是否会阻止攻击的执行。我们通过展示实际生物测定的两个应用来证明所提出方法的实用性：1) 各种检查点策略的安全性分析和 2) 反例引导的防呆安全 CP 方案的推导。它使用可满足性求解器的演绎能力来验证基于 CP 的防御是否会阻止攻击的执行。我们通过展示实际生物测定的两个应用来证明所提出方法的有用性：1) 各种检查点策略的安全性分析和 2) 反例引导的防呆安全 CP 方案的推导。