嵌入式设备固件仿真器综述

随着物联网(IoT)技术的发展,嵌入式设备面临更加严峻的安全威胁,特别是嵌入式设备漏洞严重影响物联网产业的安全发展.但受限于嵌入式设备自身硬件资源的限制,通用计算机系统常用的动态漏洞检测技术,例如模糊测试难以直接应用到嵌入式设备上.因此,近年来嵌入式设备固件仿真技术成为学术界的研究热点,通过对嵌入式设备硬件依赖的仿真或替换,可以将模糊测试、符号执行等通用高效漏洞检测技术应用于嵌入式设备.围绕最新嵌入式设备仿真技术,搜集整理近年来国际顶级学术论文,对相关研究成果进行归纳、总结.基于采用的仿真技术和衍生关系进行分类介绍,然后对这些固件仿真器进行评估和细化比较,为使用者选择固件仿真器提供技术参考.最后,根据当前嵌入式设备固件仿真器的现状,提出固件仿真器的挑战和机遇,对固件仿真器的研究进行了展望.     

二进制代码相似度分析及在嵌入式设备固件漏洞搜索中的应用

在当今“万物互联”的时代,嵌入式系统逐渐成为接入云端的重要组件,常用于安全和隐私敏感的应用或设备中.然而,其底层软件（即固件）也在频繁遭受着安全漏洞的影响.由于嵌入式设备底层硬件平台的复杂异构,软硬件实现差异较大,且其专用性强、源码/文档等往往不会公开,加之其运行环境受限等原因,使得一些在桌面系统上运行良好的动态测试工具很难（或根本不可能）直接适配到嵌入式设备/固件环境中.近年来,研究人员逐渐开始探索基于二进制相似度分析技术来检测嵌入式设备固件中存在的已知漏洞,并且取得了较大的进展.围绕二进制代码相似度分析面临的关键技术挑战,系统研究了现有的二进制代码相似度分析技术,对其通用流程、技术特征、评估标准进行了综合分析和比较;然后分析并总结了现有二进制代码相似度分析技术在嵌入式设备固件漏洞搜索领域的应用;最后,提出了该领域应用仍然存在的一些技术挑战及未来的一些开放性的研究方向.     

基于同源性分析的嵌入式设备固件漏洞检测

嵌入式设备的制造过程研产分离,导致不同的固件可能包含相同的第三方库,进而相同设备的不同版本甚至是不同设备的固件中都存在大量相同的已公开漏洞。针对该问题,基于第三方库同源性分析提出一种嵌入式设备固件漏洞检测方法,为固件漏洞修复提供参考,减少不必要的重复分析。通过对固件分类,并采用二进制差量分析、字符串常量匹配、模糊哈希3种方法分析第三方库同源性,从而检测同类固件中存在的漏洞。实验结果表明,该方法能够有效检测D-Link系列路由器固件中的缓冲区溢出和越界漏洞,以及Linksys系列路由器固件中的远程命令注入漏洞。     

一种利用动态分析的嵌入式应用托管方案

固件托管(Firmware Rehosting)是一种对嵌入式设备的软硬件进行建模和仿真,并在仿真环境中运行和分析嵌入式设备软件的技术. 现有的基于全系统仿真的固件托管方案只能预防性地修复已知的软硬件依赖问题,而无法解决未知的问题.为应对这一现状,提出了一种由动态分析辅助的固件托管方案FirmDep.在托管过程中,该应用记录被分析的嵌入式设备应用的执行轨迹和系统状态.若目标应用无法被成功托管,FirmDep对执行轨迹进行信息提取和系统状态补全,并使用多种执行轨迹分析方法识别和仲裁应用的环境依赖问题.基于PANDA和angr实现了FirmDep的原型系统,并使用217个来自真实设备固件的嵌入式Web应用对其进行了测试.结果表明FirmDep可有效识别嵌入式设备应用的环境依赖问题,提高固件托管的成功率.     

嵌入式系统固件文件格式分析研究

嵌入式系统固件文件格式是远程固件更新和升级的基础,固件映像文件格式不尽相同,这些格式对远程固件进行更新和升级的灵活性和简便性有重要影响.为了使固件更新程序能够正确完成Flash写人操作,固件文件就需要克服现有格式中未包含关于映像文件详细信息的缺点.通过分析几种可更新固件文件的代码、数据和其他辅助信息,得出现有的几种固件文件的信息格式,并在现有格式基础上添加映像文件的详细信息.文中研究出的固件文件格式更加具有灵活性和高效性.     

基于JTAG的嵌入式设备固件分析技术

传统的设备固件逆向分析方法在分析嵌入式设备固件时存在一定困难,针对该问题,提出基于JA T G的嵌入式设备固件动态分析方法。利用嵌入式设备提供的JT AG调试接口,在主机端设计并实现一个低成本的原型系统,能够对设备固件进行动态跟踪记录,分析固件的模块组成、设备启动流程和函数调用流程。通过对一台嵌入式Linux设备进行测试,验证了该系统能够准确地分析设备固件的运行机制,能够有效提升设备固件逆向分析效率。     

嵌入式设备中可下载固件设计

可下载固件技术的采用极大地提高了嵌入式设备中固件更新的方便性。讨论了基于Flash存储器的可下载固件的不同组织方式、存放方式、运行方式，以及在设计可下载固件时需要的关键技术。给出了一个基于ARM处理器的嵌入式设备的可下载固件的工程实例。     

物联网固件安全缺陷检测研究进展

固件是物联网设备的基础使能软件,其中存在的安全缺陷是物联网设备遭受攻击的根本原因之一。由于物联网设备资源受限,难以部署完善的安全防护机制,身处不安全的网络环境中,其固件缺陷一旦被恶意利用,轻则使设备宕机,重则威胁安全攸关领域基础设施,造成巨大的生命财产损失。因此,有效的固件安全缺陷检测已然成为保障物联网设备安全的关键,也成为学术界和工业界研究的热点。面对物联网设备数量的高速增长、固件自身规模和复杂性的不断攀升、固件类型的日益多样化、固件缺陷的持续增多,现有的物联网固件安全缺陷检测研究面临挑战。本文归纳了典型物联网固件实现缺陷类型,分析了典型缺陷产生机理,从静态分析、符号执行、模糊测试、程序验证、基于机器学习的方法等角度综述了现有固件缺陷检测方法。通过对不同方法优势与不足的分析,为进一步提升固件安全缺陷检测方法的智能化、精准化、自动化、有效性、可扩展性提供指导。在此基础上,本文展望了未来可以开展的研究工作。     

基于UEFI的胶囊式固件定制更新研究

当前固件刷新技术不灵活、不能单独更新功能模块,且各硬件平台、操作系统的更新数据传输接口不统一。为解决上述问题,基于统一可扩展固件接口(UEFI)规范的EDKⅡ,提出一种胶囊(Capsule)式固件更新方法,将更新数据封装为Capsule,在固件层对Capsule进行识别、析取,把获取数据写入固件文件系统的更新目标地址,实现对固件系统内核函数、驱动模块、协议、应用程序等的更新、修复。该方法在操作系统加载前实现指定功能模块的定制更新和维护,不限制更新模块的容量,可解决传统固件更新方法过于依赖硬件、操作系统的问题,具有安全、高效、灵活、实用性强的特点。     

UEFI固件的启发式逆向分析与模糊测试方法

统一可扩展固件接口(Unified Extensible Firmware Interface,简称UEFI),作为新一代固件接口标准,广泛应用于现代计算机系统,但其漏洞可能引发严重安全威胁.为了减少UEFI漏洞引发的安全问题,需要进行漏洞检测.而第三方安全测试场景下的模糊测试是检测的主要手段.但符号信息的缺失影响了测试效率.本文提出了一种启发式的UEFI逆向分析方法,恢复固件中的符号信息,改进模糊测试并实现了原型系统ReUEFuzzer.通过对来自4个厂商的525个EFI文件进行测试,证明了逆向分析方法的有效性.ReUEFuzzer可以提升函数测试覆盖率,并在测试过程中发现了一个零日漏洞,已报告给国家信息安全漏洞共享平台以及公共漏洞和暴露系统. 实验证明,本文方法在UEFI漏洞检测方面具有有效性,可以为UEFI安全提供一定的保障.     

Blockchain-based secure firmware update for embedded devices in an Internet of Things environment

Embedded devices are going to be used extremely in Internet of Things (IoT) environments. The small and tiny IoT devices will operate and communicate each other without involvement of users, while their operations must be correct and protected against various attacks. In this paper, we focus on a secure firmware update issue, which is a fundamental security challenge for the embedded devices in an IoT environment. A new firmware update scheme that utilizes a blockchain technology is proposed to securely check a firmware version, validate the correctness of firmware, and download the latest firmware for the embedded devices. In the proposed scheme, an embedded device requests its firmware update to nodes in a blockchain network and gets a response to determine whether its firmware is up-to-date or not. If not latest, the embedded device downloads the latest firmware from a peer-to-peer firmware sharing network of the nodes. Even in the case that the version of the firmware is up-to-date, its integrity, i.e., correctness of firmware, is checked. The proposed scheme guarantees that the embedded device’s firmware is up-to-date while not tampered. Attacks targeting known vulnerabilities on firmware of embedded devices are thus mitigated.     

Detecting Vulnerability on IoT Device Firmware: A Survey

Internet of things (IoT) devices make up 30% of all network-connected endpoints, introducing vulnerabilities and novel attacks that make many companies as primary targets for cybercriminals. To address this increasing threat surface, every organization deploying IoT devices needs to consider security risks to ensure those devices are secure and trusted. Among all the solutions for security risks, firmware security analysis is essential to fix software bugs, patch vulnerabilities, or add new security features to protect users of those vulnerable devices. However, firmware security analysis has never been an easy job due to the diversity of the execution environment and the close source of firmware. These two distinct features complicate the operations to unpack firmware samples for detailed analysis. They also make it difficult to create visual environments to emulate the running of device firmware. Although researchers have developed many novel methods to overcome various challenges in the past decade, critical barriers impede firmware security analysis in practice. Therefore, this survey is motivated to systematically review and analyze the research challenges and their solutions, considering both breadth and depth. Specifically, based on the analysis perspectives, various methods that perform security analysis on IoT devices are introduced and classified into four categories. The challenges in each category are discussed in detail, and potential solutions are proposed subsequently. We then discuss the flaws of these solutions and provide future directions for this research field. This survey can be utilized by a broad range of readers, including software developers, cyber security researchers, and software security engineers, to better understand firmware security analysis.      

函数级数据依赖图及其在静态脆弱性分析中的应用

数据流分析是二进制程序分析的重要手段,但传统数据依赖图（DDG）构建的时间与空间复杂度较高,限制了可分析代码的规模.提出了函数级数据依赖图（FDDG）的概念,并设计了函数级数据依赖图的构建方法.在考虑函数参数及参数间相互依赖关系的基础上,将函数作为整体分析,忽略函数内部的具体实现,显著缩小了数据依赖图规模,降低了数据依赖图生成的时空复杂度.实验结果表明,与开源工具angr中的DDG生成方法相比,FDDG的生成时间性能普遍提升了3个数量级.同时,将FDDG应用于嵌入式二进制固件脆弱性分析,实现了嵌入式固件脆弱性分析原型系统FFVA,在对D-Link、NETGEAR、EasyN、uniview等品牌的设备固件分析中,发现了24个漏洞,其中14个属于未知漏洞,进一步验证了FDDG在静态脆弱性分析中的有效性.     

一种针对网络设备的已知漏洞定位方法

骨干级网络设备作为关键基础设施, 一直是网络攻防中的焦点, 与此同时, 其作为一个封闭、复杂的信息系统, 漏洞的公开研究资料相对较少、漏洞细节缺失较多。补丁对比是一种有效的漏洞分析手段, 而骨干级网络设备固件解包后通常具有单体式可执行文件, 这类文件具有函数数量多、文件规模大、调试符号信息缺失等特点, 直接进行补丁比对会产生大量待确认的误报差异, 同时启发式算法可能将两个不相关的函数错误匹配, 导致正确的安全修补缺失及漏报。传统的补丁比对方法无法有效地解决这类文件的补丁分析问题, 漏洞细节的分析遇到挑战。本文提出了一种针对单体式可执行文件中已知漏洞的定位方法MDiff, 通过漏洞公告描述中的子系统概念与目标二进制文件的内部模块结构对目标进行了拆分, 在基于局部性的二进制比对技术之上, 利用语义相似度衡量方法对比对结果进行筛选排序。具体来讲, MDiff首先利用入口函数及局部性原理识别存在漏洞的网络协议服务代码, 即粗粒度定位阶段。其次针对已识别出的、存在漏洞的网络协议服务代码模块中存在差异的函数进行动静态结合的语义信息分析, 包括基于扩展局部轨迹的安全修补识别, 基于代码度量的安全修补排序等步骤, 即细粒度定位阶段。基于该两阶段漏洞定位方法, 我们实现了一个原型系统, 对4个厂商设备中已经披露的15个漏洞进行实验。实验结果表明, 本文提出的漏洞定位方法可以提高网络设备的补丁分析效率, 支持研究人员发现已知漏洞细节。     

DNS安全防护技术研究综述

DNS为互联网应用提供名字解析服务,是互联网的重要基础服务设施.近年发生的互联网安全事件表明DNS正面临严峻的安全威胁.DNS的安全脆弱性主要包括：协议设计脆弱性、技术实现脆弱性和体系结构脆弱性.针对上述脆弱性,对DNS协议设计、系统实现、检测监控和去中心化等方面的最新研究成果进行了归纳和总结,并且对未来可能的热点研究方向进行了展望.     

网络协议软件漏洞挖掘技术综述

网络协议软件部署和应用非常广泛, 在网络空间提供了诸如通信、传输、控制、管理等多样化的功能. 近年来, 其安全性逐渐受到学术界和工业界的重视, 及时发现和修补网络协议软件漏洞, 成为一项重要的课题. 网络协议软件由于部署形态多样、协议交互过程复杂、相同协议规范的多个协议实现存在功能差异等特点, 使得其漏洞挖掘技术面临诸多挑战. 首先对网络协议软件漏洞挖掘技术进行分类, 对已有关键技术的内涵进行界定. 其次, 进一步综述网络协议软件漏洞挖掘4个方面的技术进展, 包括网络协议描述方法、挖掘对象适配技术、模糊测试技术和基于程序分析的漏洞挖掘方法, 通过对比分析归纳不同方法的技术优势及评价维度. 最后, 总结网络协议软件漏洞挖掘的技术现状和挑战, 并提炼5个潜在研究方向.