嵌入式设备固件安全分析技术研究

随着嵌入式设备的种类和数量的增加,设备之间日益增长的互联互通、制造商对安全的忽视、设备固件更新不及时或难以更新等,使得嵌入式设备的安全受到了严峻的考验,越来越多的设备漏洞被披露.但由于嵌入式设备种类繁多、专用性强、源码或设计文档往往不公开、运行环境受限等诸多因素的影响,通用漏洞挖掘技术无法直接适配.近年来,国内外安全专家和学者针对嵌入式设备及其固件的安全分析和测评技术提出了很多切实可行的解决方案,但缺乏详细和全面介绍最新安全研究成果的论文,使得安全分析人员难以系统地了解嵌入式设备及其固件安全分析技术的研究进展.本文围绕着当前嵌入式设备固件面临的安全风险,分析和总结了国内外最新的研究成果,并对相关安全技术进行了综合分析和评估.首先对嵌入式设备及其固件的表现形式、分类及获取方法、面临的安全攻击层面以及自动化解析情况进行了深入研究.然后,对嵌入式设备固件安全分析技术进行了细化分析,从静态分析、符号执行、二进制漏洞关联、动态分析平台和模糊测试等五个方面进行了详细分析和横向评估.最后对未来的研究方向进行了展望.     

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.     

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.     

写污点值到污点地址漏洞模式检测

设备驱动是允许高级程序与硬件设备交互的底层程序.通常设备驱动中的漏洞较之应用程序中的漏洞对计算机系统的安全具有更大的破坏性.写污点值到污点地址是Windows设备驱动程序中频繁出现的一种漏洞模式.首次明确地对该种漏洞模式进行描述,提出一种针对二进制驱动程序中该种漏洞模式的自动检测方法,并实现相应的原型工具T2T-B2C.该方法基于反编译和静态污点分析技术,与其他方法相比,既可以分析C代码,也可以分析本地二进制代码.该工具由T2T和B2C两个组件组成:首先B2C基于反编译技术将二进制文件转换为C语言文件;然后T2T基于静态污点分析技术检测B2C生成的C代码中出现写污点值到污点地址漏洞模式的语句.使用多种反病毒程序中的二进制驱动对T2T-B2C进行了评估,发现了6个未公开漏洞.评估结果表明:该工具是一款可实际应用的漏洞检测工具,可应用于对较大规模的程序进行检测.     

轻量级嵌入式软件动态二进制插桩算法

软件二进制插桩是软件性能分析、漏洞挖掘、质量评价领域的关键技术。在嵌入式环境下,传统动态插桩算法受到无操作系统、CPU架构复杂、内存资源紧张等局限,难以展开工作。文章以软件动态二进制插桩算法为研究目的,通过静态特征分析和动态跟踪算法,引入图论算法对固件中的二进制进行分析,提出了嵌入式设备远程调试协议,实现了对软件运行时信息的获取。与传统方案相比,文章所想方案解决了现有工具对源码、操作系统或CPU架构的依赖,同时显著降低了内存和运算资源的占用率,可以有效解决嵌入式设备的动态插桩问题。     

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.     

基于多粒度语义分析的二进制漏洞搜索方法

二进制文件相似度检测旨在通过比较来自不同平台、编译器、优化配置甚至是不同软件版本的2个二进制文件的相似程度来判断二者是否高度相似,其中二进制漏洞搜索为其在信息安全领域的应用之一。二进制漏洞的产生为现代软件应用带来了诸多问题,如操作系统易受攻击、隐私信息易被窃取等。二进制漏洞产生的主要原因是软件开发过程中进行了代码复用却没有进行严格的监管。据此,提出了一种基于多粒度语义特征分析的二进制漏洞搜索方法Taurus,该方法通过3种粒度的语义特征来搜索跨平台的潜在二进制漏洞。给定待检测二进制文件和漏洞数据库,需要对其与漏洞数据库中的每个二进制漏洞进行逐一搜索。首先,分别对2个二进制文件进行语义提取,以获取二者在基本块、函数和模块3个粒度下的语义特征,并执行相似度计算;然后,整合3种粒度下语义特征的相似度,以计算3种文件的整体相似度得分;最后,将待检测二进制文件与漏洞数据库中所有漏洞的相似度得分结果进行降序排序,便获得了该二进制文件的搜索结果报告。经过合理配置下的实验对比,结果表明, Taurus方法在准确性方面要优于基线方法。     

基于代码相似度自动漏洞检测系统设计与实现

当下软件的应用越来越广泛，随之而来的软件漏洞问题也越来越受到人们的关注，安全问题一直是软件领域的重点研究内容之一。为了进一步提升软件漏洞检测能力，本文设计并实现了一个基于代码相似度分析的软件漏洞自动检测系统，我们首先对代码进行相似度分析，整理数量足够且能够表现漏洞特征的代码按照固定格式存储在数据库中。随后使用距离算法计算源代码和漏洞代码的相似度，分析漏洞可能性，最终系统返回可读性较强的扫描结果。测试结果表明，该系统能满足漏洞扫描的要求，并且检测结果精度比仅使用相似性算法的方法有所提升。     

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。     

煤矿井下安全监控分站的设计及其仿真实现

为了设计一种具有低成本、低功耗、易操作、功能强且可靠性高的煤矿井下安全分站,针对煤矿安全生产实际,文章提出了采用MCS-51系列单片机为核心、具有CAN总线通信接口的煤矿井下安全监控分站的设计方案;首先给出煤矿井下安全监控分站的整体构架设计,然后着重阐述模拟量输入信号处理系统的设计过程,最后说明单片机最小系统及其键盘、显示、报警、通信等各个组成部分的设计;为验证设计方案的可行性与有效性,使用Proteus软件对设计内容进行仿真验证,设计的煤矿井下安全监控分站具有瓦斯、温度等模拟量参数超标报警功能和电机开停、风门开闭等开关量指示功能;仿真结果表明:设计的煤矿井下安全监控分站具有一定的实际应用价值.     

Call for Papers The 6^th International Conference on Grid and Cooperative Computing

Recent years have seen rapid advances in various grid-related technologies, middleware, and applications. The GCC conference has become one of the largest scientific events worldwide in grid and cooperative computing. The 6th international conference on grid and cooperative computing (GCC2007) Sponsored by China Computer Federation (CCF),Institute of Computing Technology, Chinese Academy of Sciences (ICT) and Xinjiang University ,and in Cooperation with IEEE Computer Soceity ,is to be held from August 16 to 18, 2007 in Urumchi, Xinjiang, China.     

View-based model-driven architecture for enhancing maintainability of data access services

In modern service-oriented architectures, database access is done by a special type of services, the so-called data access services (DAS). Though, particularly in data-intensive applications, using and developing DAS are very common today, the link between the DAS and their implementation, e.g. a layer of data access objects (DAOs) encapsulating the database queries, still is not sufficiently elaborated, yet. As a result, as the number of DAS grows, finding the desired DAS for reuse and/or associated documentation can become an impossible task. In this paper we focus on bridging this gap between the DAS and their implementation by presenting a view-based, model-driven data access architecture (VMDA) managing models of the DAS, DAOs and database queries in a queryable manner. Our models support tailored views of different stakeholders and are scalable with all types of DAS implementations. In this paper we show that our view-based and model driven architecture approach can enhance software development productivity and maintainability by improving DAS documentation. Moreover, our VMDA opens a wide range of applications such as evaluating DAS usage for DAS performance optimization. Furthermore, we provide tool support and illustrate the applicability of our VMDA in a large-scale case study. Finally, we quantitatively prove that our approach performs with acceptable response times.     

A pragmatic multi-method investigation of discrepant technological events: Coping,attributions, and ‘accidental’ learning

Discrepant technological events or situations that entail a problem, a misunderstanding or a difficulty with the Information Technology (IT) being employed, are common in the workplace, and can lead to frustration and avoidance behaviors. Little is known, however, about how individuals cope with these events. This paper examines these events by using a multi-method pragmatic approach informed by coping theory. The results of two studies – a critical incident study and an experiment – serve to build and test, respectively, a theoretical model that posits that individuals use a variety of strategies when dealing with these events: they experience negative emotions, make external attributions, and adopt engagement coping strategies directed at solving the event, eventually switching to a disengagement coping strategy when they feel they have no control over the situation. Furthermore, users’ efforts may result in ‘accidental’ learning as they try to overcome the discrepant IT events through engagement coping. The paper ends with a discussion of the results in light of existing literature, future opportunities for research, and implications for practice.     

The Distributed Time-Triggered Simulation Scheme: Core Principles and Supporting Execution Engine

Distributed real-time simulation is a young technology field but its practice is under increasing demands. In recent years the author and his collaborators have been establishing a new approach called the distributed time-triggered simulation (DTS) scheme which is conceptually simple and easy to use but widely applicable. The concept was initiated in the course of developing a new-generation object-oriented real-time programming scheme called the time-triggered message-triggered object (TMO) programming scheme. Some fundamental issues inherent in distributed real-time simulation that were learned during recent experimental studies are discussed along with some approaches for resolving the issues. An execution engine developed to support both the TMOs engaged in control computation and the TMOs engaged in DTS is also discussed along with its possible extensions that will enable significantly larger-scale DTSs.     

Software-Konfigurationsmanagement in großen Softwareprojekten

Zusammenfassung Mit zunehmender Größe der Softwaresysteme verschärfen sich die für die Software-Herstellung typischen Probleme: Beherrschen großer Objektmengen, Erhalten der Systemkonsistenz, Kontrolle der ständigen Änderungseinflüsse und Gewährleisten einer langen Lebensdauer. Die Disziplin Konfigurationsmanagement bildet den methodischen Ansatz, diese Probleme besser zu beherrschen. Software-Konfigurationsmanagement faßt die Herstellung von Softwaresystemen als eine Abfolge von kontrollierten Änderungen an gesicherten Zwischen- und Endergebnissen auf. Dargestellt werden die Objekte und Funktionen des Software-Konfigurationsmanagements sowie die hierfür in großen Software-Projekten benötigten Methoden, Instanzen und Hilfsmittel.     

Information for Authors

正http://www.zju.edu.cn/jzus http://www.springerlink.com Aim The Journals of Zhejiang University-SCIENCE(A/B/C)are edited by the international board of distinguished Chinese and foreign scientists,and are aimed to present the latest developments and achievements in scientific research in China and     

Editorial:Brain-machine interface(BMI) and cyborg intelligence

正Brain-machine interfaces(BMIs)aim at building a direct communication pathway between the brain and an external device,and represent an area of research where significant progress has been made during the past decade.Based on BMIs,mind information can be read out by neural signals to control     

Information for Authors

正http://www.zju.edu.cn/jzus http://www.springerlink.com Aim The Journals of Zhejiang University-SCIENCE(A/B/C)are edited by the international board of distinguished Chinese and foreign scientists,and are aimed to present the latest developments and achievements in scientific research in China and overseas to the world’s scientific circles,especially to stimulate     

SCIENCE CHINA Information Sciences SUBJECT INDEX TO VOLUME 57(2014)

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