软件二进制代码重用技术综述

在当前的计算机系统架构和软件生态环境下,ROP（Return-Oriented Programming）等基于二进制代码重用的攻击技术被广泛用于内存漏洞利用.近年来,网络空间安全形势愈加严峻,学术界、工业界分别从攻击和防护的角度对二进制代码重用技术开展了大量研究.文章首先介绍了二进制代码重用技术的基础,然后分析了二进制代码重用攻击技术的演变和典型攻击向量;同时,对基于控制流完整性和随机化的防护方法进行了讨论,对工业界最新的二进制代码重用防护机制CET（Control-flow Enforcement Technology）和CFG（Control Flow Guard）进行了剖析.文章最后讨论了二进制代码重用技术今后的发展方向,包括潜在的攻击面和防御机制增强的思路.     

攻击网页浏览器:面向脚本代码块的ROP Gadget注入

即时编译机制（just-in-time compilation）改善了网页浏览器执行JavaScript脚本的性能,同时也为攻击者向浏览器进程注入恶意代码提供了便利.借助即时编译器,攻击者可以将脚本中的整型常数放置到动态代码缓存区,以便注入二进制恶意代码片段（称为gadget）.通过常数致盲等去毒化处理,基于常数的注入已经得到有效遏制.证实了不使用常数转而通过填充脚本代码块也能实施gadget注入,并实现图灵完备的计算功能.在编译一段给定的脚本代码时,即时编译器生成的动态代码中通常存在着一些固定的机器指令序列.这些指令序列的存在性不受常数致盲和地址空间布局随机化等安全机制的影响,同时,这些指令序列中可能蕴涵着攻击者期望的gadget.在实施攻击时,攻击者可以汇集特定的脚本代码块来构造一个攻击脚本,再借助即时编译器来注入gadget.在x86-64架构上评估了这种注入攻击在SpiderMonkey和GoogleV8这两个开源即时编译引擎上的可行性.通过给这两个引擎输入大量的JavaScript脚本,可以得到较为丰富的动态代码块.在这些动态代码块上的统计分析结果表明,这两个引擎生成的动态代码中都存在图灵完备的gadget集合.在实际攻击场景中,攻击者可以利用的脚本集合完全包含且远远多于实验用的脚本.因此,攻击者可以采用该方法注入需要的gadget,以便构造出实现任意功能的ROP（return-orientedprogramming）代码.     

基于硬件的动态指令集随机化框架的设计与实现

针对现有的指令集随机化方法存在从代码段中剥离数据困难、静态指令集随机化密钥固定和伪随机数密钥不安全等问题,设计并实现了基于硬件的动态指令集随机化框架（HDISR）,通过在装载程序时加密程序代码,将指令集随机化引入内核层和应用层的安全防护,内核使用单独的内核密钥,不同的应用程序使用不同的用户密钥。实验结果表明,HDISR 能将代码注入攻击降级为拒绝服务攻击,且额外硬件损耗少于2.57%,每兆字节代码加密的启动延时0.31 s。     

Black-box detection of XQuery injection and parameter tampering vulnerabilities in web applications

As web applications become the most popular way to deliver essential services to customers, they also become attractive targets for attackers. The attackers craft injection attacks in database-driven applications through the user-input fields intended for interacting with the applications. Even though precautionary measures such as user-input sanitization is employed at the client side of the application, the attackers can disable the JavaScript at client side and still inject attacks through HTTP parameters. The injected parameters result in attacks due to improper server-side validation of user input. The injected parameters may either contain malicious SQL/XML commands leading to SQL/XPath/XQuery injection or be invalid input that intend to violate the expected behavior of the web application. The former is known as an injection attack, while the latter is called a parameter tampering attack. While SQL injection has been intensively examined by the research community, limited work has been done so far for identifying XML injection and parameter tampering vulnerabilities. Database-driven web applications today rely on XML databases, as XML has gained rapid acceptance due to the fact that it favors integration of data with other applications and handles diverse information. Hence, this work proposes a black-box fuzzing approach to detect XQuery injection and parameter tampering vulnerabilities in web applications driven by native XML databases. A prototype XiParam is developed and tested on vulnerable applications developed with a native XML database, BaseX, as the backend. The experimental evaluation clearly demonstrates that the prototype is effective against detection of both XQuery injection and parameter tampering vulnerabilities.     

基于攻击图的信息物理系统信息安全风险评估方法

震网病毒等事件实证了信息攻击能对信息物理系统(CPS)带来严重的物理影响。针对这类跨域攻击问题,提出了基于攻击图的风险评估方法。首先,对信息物理系统中的信息攻击行为进行了分析,指出可编程逻辑控制器(PLC)等物理设备中存在的漏洞是信息攻击实现跨域攻击的关键,并给出了信息物理系统中漏洞的利用模式及影响后果;其次,建立风险评估模型,提出攻击成功概率和攻击后果度量指标。综合考虑漏洞固有特性和攻击者能力计算攻击成功概率,根据主机重要程度和漏洞利用模式计算攻击后果。该方法能够将信息域与物理域作为一个整体进行建模,综合考虑多个跨域攻击对系统风险的影响。数值案例表明,多个跨域攻击组合下的风险值是单一攻击下的5倍,计算得到的风险值更为准确。     

基于诱捕的软件异常检测综述

高级持续威胁(APT,advanced persistent threats)会使用漏洞实现攻击代码的自动加载和攻击行为的隐藏,并通过复用代码攻击绕过堆栈的不可执行限制,这是网络安全的重要威胁.传统的控制流完整性和地址随机化技术虽然有效抑制了APT的步伐,但软件的复杂性和攻击演化使软件仍存在被攻击的时间窗口.为此,以资...     

动静结合的攻击代码检测方法

缓冲区溢出攻击是近年来最主要的安全问题之一,攻击者利用缓冲区溢出漏洞执行远程代码,从而达到攻击的目的。Shelleode作为攻击的载体,是缓冲区攻击检测的主要对象。随着检测技术的发展,攻击者更倾向于使用多态技术对Shellcode进行加密来绕过IDS的检测。针对MS Windows操作系统下的Shellcode,提出了一种将静态检测和动态执行相结合的新的攻击代码检测方法。在判断依据上做了新的定义,既使用动态模拟技术提高了对使用多态技术的Shellcode的检侧率,也兼顾了检测的效率。基于该方法,设计和实现了一套原型系统,并进行了检测率、误报率和吞吐率等方面的测试。测试结果表明,该系统在检测Shellcode的准确率和性能方面都达到了令人满意的效果。     

运行时代码随机化防御代码复用攻击

代码复用攻击日趋复杂,传统的代码随机化方法已无法提供足够的防护.为此,提出一种基于运行时代码随机化的代码复用攻击防御方法LCR.该方法在目标程序正常运行时,实时监控攻击者企图获取或利用gadgets的行为,当发现监控的行为发生时,立即触发对代码进行函数块级的随机化变换,使攻击者最终获取或利用的gadgets信息失效,从而阻止代码复用攻击的实现.设计实现了LCR原型系统,并对提出的方法进行了测试.结果表明：LCR能够有效防御基于直接或间接内存泄漏等实现的代码复用攻击,且在SPEC CPU2006上的平均开销低于5%.     

An image steganographic algorithm based on spatial desynchronization

Calibration based attack is one of the most important steganalytic attacks in recent past specifically for JPEG domain steganography. In calibration attack, the attacker generally predicts the cover image statistics from the stego image. Preventing attackers from such prediction is used to resist these attacks. Domain separation (or randomization) is such a technique which is used for hiding the embedding domain from the attacker. It is observed that existing domain randomization techniques cannot provide enough randomization such that they are easily be detected by recent steganalysis techniques. In this paper, we have extended our previous work based on spatial desynchronization using statistical analysis. It is also experimentally shown that proposed algorithm is less detectable against the calibration based blind as well as targeted steganalytic attacks than the existing JPEG domain steganographic schemes.     

基于指令集随机化的抗代码注入攻击方法

代码注入攻击是应用程序面临的一种主要安全威胁,尤其是Web应用程序,该种攻击源于攻击者能够利用应用程序存在的漏洞/后门,向服务器端注入恶意程序并执行,或者利用应用程序对用户输入的参数缺乏验证和过滤,造成输入作为恶意程序执行,从而达到攻击目的。源程序分析和输入规则匹配等现有防御方法在面对代码注入攻击时都存在着固有缺陷,为了提高Web应用程序对于代码注入攻击的防御性,提出一种基于指令集随机化的抗代码注入方法,该防御方法不依赖于攻击者采用何种攻击方式,能够抵御未知的代码注入攻击。基于该技术及动态、冗余构造方法,设计一套原型系统,采用广义随机Petri网（Generalized Stochastic Petri Net,GSPN）建模计算,攻击者即使在获得随机化方法先验知识的情况下也极难突破系统的防御机制。尽管该方法需要对应用程序源代码进行随机化变换,但处理过程是完全自动化和具有普适性的,通过实验和现网测试表明该方法能够有效抵御大部分代码注入攻击,实现了对攻击的主动防御。     

基于T-G保护系统的抗病毒网络安全分析模型

攻击者采用病毒、利用脆弱性等方式进行网络攻击,实质是其攻击权限不断扩大,进而导致系统状态变化的过程,针对这一特性,本文对原有的T--G模型和dejure重写规则进行了扩充,增加了攻击图中节点之间权限、连接关系、节点属性的描述和脆弱性重写规则,形成了DTGSA模型;通过对真实的漏洞进行建模和实验,证明此模型对攻击特征有很好的描述能力,能帮助网络管理员预测可能的攻击,进而采取相应的安全措施。     

一种基于运行时信息的以太坊智能合约防御技术

智能合约是区块链技术最成功的应用之一,已经被广泛集成到应用程序中,成为应用去中心化的常见实现方案.然而,智能合约由于其独有的金融特性,一直以来饱受安全攻击,各种新的恶意攻击类型层出不穷.现有的研究工作提出了多种有效检测合约漏洞的方法,但在实际应用中都存在着各种局限:仅针对已知的漏洞类型,需要修改合约代码来消除漏洞,链上开销过大.由于智能合约部署到链上后的不可修改性,这些针对特定漏洞类型的检测防御手段无法对原有的合约进行修复,因此很难及时地应对新型的漏洞和攻击.为此,提出了一种基于运行时信息的智能合约可升级防御技术,通过引入运行时的各种信息,为链下对攻击和漏洞的检测提供实时的数据.同时,设计了一套部署在合约上的访问控制机制,基于动态检测的结果,对合约的访问进行限制,从而在不需要修改合约代码的情况下实现动态的防御.由于以太坊本身的机制无法对实时攻击进行识别和拦截,为了减小这一影响,利用竞争(race condition)的机制来增强防御的效果.实验结果分析表明:该防御技术可以有效地检测并防御攻击,对于后续的攻击交易,可以实现100%的拦截成功率,对于首次检测到的实时攻击,利用竞争可以达到97.5%的成功率.     

信任攻击建模方法

针对信任环境系统中存在的客观弱点和主观弱点,使用弱点利用规则和信任关系盗用规则来描述信任关系状态之间的转移过程,构建了信任攻击模型TAM。在该模型中,攻击者将客观弱点用于信任级别的提升,将主观弱点用于信任关系传递,将主、客观弱点的综合利用将导致信任关系的渗透与扩散,从而可导致攻击可达距离更大;提出了复杂度为多项式时间的TAM信任关系传递闭包生成算法,该算法可以给出当前弱点状态下的所有信任攻击路径。通过对真实弱点的建模,证明此模型可以对信任的安全性进行综合分析,生成信任攻击图、信任攻击路径等详细信息,展示攻击者和信任主体之间的交互过程,对攻击特征有更好的描述能力,帮助管理者预测所有可能的信任攻击,进而为相应的安全措施的制定提供依据。     

基于平均任务失效时间和任务完成时间的移动目标防御技术效能量化分析

移动目标防御(MTD)通过不断的变换系统攻击面,增加系统的不确定性,限制攻击者探索系统的弱点,从而有效降低系统被攻击的可能.随着信息系统的发展和新漏洞的不断增加,且传统防御方法存在天然的时间劣势无法抵御新型攻击,MTD越来越受到关注.本文旨在量化分析MTD环境中关键任务的安全性和性能.本文使用攻击者攻击成功概率作为系统...     

信息物理融合系统网络安全综述

信息物理融合系统（cyber-physical systems， CPS）是集计算、通信和控制于一体的智能系统，实现网络和物理的深度协作和有机融合.目前CPS在关键的基础设施、政府机构等领域发挥着越来越重要的作用.由于物理限制，计算机和网络产生的安全漏洞会导致CPS遭受巨大的破坏，同时还会引起经济损失、社会动乱等连锁反应，所以研究CPS的安全问题对于确保系统安全运行具有重要意义.本文结合国内外的研究现状，概述了CPS安全控制和攻击检测的最新进展.首先本文总结了CPS典型的系统建模以满足对系统性能分析的需要.然后介绍了3种典型的网络攻击，即拒绝服务攻击、重放攻击和欺骗攻击.根据检测方法的类别，对CPS攻击检测的发展进行的概述.此外还讨论了系统的安全控制和状态估计.最后总结和展望了CPS网络安全面临的挑战和未来的研究方向.     

KMBox:基于Linux内核改造的进程异构冗余执行系统

随机化技术防御进程控制流劫持攻击, 是建立在攻击者无法了解当前内存地址空间布局的基础之上, 但是, 攻击者可以利用内存信息泄露绕过随机化防御获得 gadget 地址, 向程序注入由 gadget 地址构造的 payload, 继续实施控制流劫持攻击, 窃取敏感数据并夺取或破坏执行软件的系统。目前, 异构冗余执行系统是解决该问题的方法之一, 基本思想是同一程序运行多个多样化进程, 同时处理等效的程序输入。随机化技术使冗余的进程对恶意输入做出不同的输出, 同时正常功能不受影响。近年来,一些符合上述描述的系统已经被提出, 分析进程异构冗余执行系统的表决设计可以发现, 基于 ptrace 的实现方法会引入大量的上下文切换, 影响系统的执行效率。率先直接修改内核设计出一种进程异构冗余执行系统, 表决过程完全在内核中完成, 冗余的进程独立地采用内存地址空间随机化技术, 构建相互异构的内存地址空间布局, 在与内存信息泄露相关的系统调用处进行表决,发现泄露信息不一致, 阻断进程控制流劫持攻击。即使攻击者跳过内存信息泄露进行漏洞利用, 异构内存空间布局也使得注入由 gadget 地址构造的 payload 无法同时在冗余的进程中有效, 阻断进程控制流劫持攻击。实现了原型系统 KMBox, 实验证明该系统能够有效抵御进程控制流劫持攻击, 性能相较于基于 ptrace 的进程异构冗余执行系统有所提高。     

基于贪心策略的多目标攻击图生成方法

为解决网络脆弱性分析中攻击图生成方法存在的状态组合爆炸问题,使生成的攻击图能用于网络中多个目标主机的脆弱性分析,本文提出了一种基于贪心策略的多目标攻击图生成方法。该方法引入节点关联关系,采用贪心策略精简漏洞集,从所有攻击路径中选取使攻击者以最大概率获取网络节点权限的攻击路径,生成由这些攻击路径所构成的攻击图。算法分析和实验结果表明,该方法的时间和空间复杂度都是网络节点数和节点关联关系数的多项式级别,较好地解决了状态组合爆炸的问题,生成的攻击图覆盖了攻击可达的所有节点,能够用于网络中多个目标主机的脆弱性分析。     

面向电力信息物理系统的虚假数据注入攻击研究综述

随着电力信息通信技术的发展与应用，电力流与信息流深度融合，共同实现对系统的全景状态感知与控制决策，电力系统转变成典型的信息物理系统（Cyber physical system，CPS）.开放的通信环境与复杂的信息物理耦合交互过程，使得信息安全风险成为影响电力系统安全稳定运行的重要因素.其中，虚假数据注入攻击（False data injection attack，FDIA）通过破坏网络数据完整性以干扰控制决策，是一种典型的网络攻击方式.本文针对面向电力CPS的虚假数据注入的攻击过程和防御手段进行了分析与总结.从攻击者视角分析了FDIA的攻击目标、策略及后果；从防御者视角总结了保护与检测环节中的各类方法；最后基于联合仿真技术，提出了针对虚假数据攻防过程建模和评估的电力CPS联合攻防平台.     

Simple linear string constraints

Modern web applications often suffer from command injection attacks. Even when equipped with sanitization code, many systems can be penetrated due to software bugs. It is desirable to automatically discover such vulnerabilities, given the bytecode of a web application. One approach would be symbolically executing the target system and constructing constraints for matching path conditions and attack patterns. Solving these constraints yields an attack signature, based on which, the attack process can be replayed. Constraint solving is the key to symbolic execution. For web applications, string constraints receive most of the attention because web applications are essentially text processing programs. We present simple linear string equation (SISE), a decidable fragment of the general string constraint system. SISE models a collection of regular replacement operations (such as the greedy, reluctant, declarative, and finite replacement), which are frequently used by text processing programs. Various automata techniques are proposed for simulating procedural semantics such as left-most matching. By composing atomic transducers of a SISE, we show that a recursive algorithm can be used to compute the solution pool, which contains the value range of each variable in concrete solutions. Then a concrete variable solution can be synthesized from a solution pool. To accelerate solver performance, a symbolic representation of finite state transducer is developed. This allows the constraint solver to support a 16-bit Unicode alphabet in practice. The algorithm is implemented in a Java constraint solver called SUSHI. We compare the applicability and performance of SUSHI with Kaluza, a bounded string solver.     

HoneyGadget: A Deception Based Approach for Detecting Code Reuse Attacks

Information Systems Frontiers - Code reuse attacks such as Return-Oriented Programming (ROP) and Jump-Oriented Programming (JOP) are the prevalent attack techniques which reuse code snippets named...