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%.     

BIOP:自动构造增强型ROP攻击

针对传统的代码注入和代码复用等攻击技术的缺陷,返回导向编程(Return-Oriented Programming,ROP)提出了复用以ret指令结尾的短指令序列,实现图灵完备编程的思想.ROP攻击可以绕开现有的针对代码注入的防御,且相比于传统代码复用技术,构造功能更为强大.但ROP攻击使用的ret指令结尾的指令序列具有明显的特征,这些特征导致ROP攻击容易被检测到.现有的ROP改进技术使用jmp指令结尾的短指令序列构造攻击,虽然消除了以ret指令结尾的特征,但同时引入了新的特征,且并不具有实用性.文中提出了一种分支指令导向(Branch Instruction-Oriented Programming,BIOP)攻击技术,使用jmp指令或call指令结尾的短指令序列构造攻击.相比于以前的工作,BIOP不引入新的特征,能有效避免现有的防御技术.同时我们分析并解决了构造攻击时寄存器的副作用,提出控制指令序列概念解决构造时内存冲突,实现自动化构造BIOP攻击.作者设计了一个自动化构造BIOP工具,构造了大量实际的BIOP shellcode,实验结果表明BIOP攻击可以绕过现有的ROP防御技术.     

基于硬件分支信息的ROP攻击检测方法

控制流完整性保护技术（control flow integrity,简称CFI）是防御面向返回编程攻击（return-oriented programming,简称ROP）的一种有效途径.针对现有CFI中存在的四大问题：性能开销大、依赖程序代码信息、容易遭受历史刷新攻击以及规避攻击,提出了基于硬件分支信息的ROP攻击检测方法——MIBChecker （mispredicted indirect branch checker）.该方法实时地利用硬件性能管理单元（performance monitor unit,简称PMU）的事件触发机制,针对每个预测失败的间接分支进行ROP攻击检测,规避了历史刷新攻击的可能,同时提出基于敏感系统调用参数的新型检测方法来检测短攻击链（称为gadgets-chain） ROP攻击.实验结果表明,MIBChecker能够不受历史刷新攻击的影响进行ROP短指令片段（称为gadget）检测,可有效地检测出常规ROP攻击和规避攻击,并仅引入5.7%的性能开销.     

基于运行特征监控的代码复用攻击防御

针对代码复用的攻击与防御已成为网络安全领域研究的热点,但当前的防御方法普遍存在防御类型单一、易被绕过等问题.为此,提出一种基于运行特征监控的代码复用攻击防御方法RCMon.该方法在分析代码复用攻击实现原理的基础上定义了描述程序正常运行过程的运行特征模型RCMod,并提出了验证程序当前运行状态是否满足RCMod约束规则的安全验证自动机模型.实现中,通过直接向目标程序中植入监控代码,使程序运行到监控节点时自动陷入,并由Hypervisor实现运行特征库的构建和安全验证.实验结果表明,RCMon能够有效地防御已知的绝大部分代码复用攻击,平均性能开销约为22%.     

面向Linux的内核级代码复用攻击检测技术

近年来,代码复用攻击与防御成为安全领域研究的热点.内核级代码复用攻击使用内核自身代码绕过传统的防御机制.现有的代码复用攻击检测与防御方法多面向应用层代码复用攻击,忽略了内核级代码复用攻击.为有效检测内核级代码复用攻击,提出了一种基于细粒度控制流完整性（CFI）的检测方法.首先根据代码复用攻击原理和正常程序控制流构建CFI约束规则,然后提出了基于状态机和CFI约束规则的检测模型.在此基础上,基于编译器辅助实现CFI标签指令插桩,并在Hypervisor中实现CFI约束规则验证,提高了检测方法的安全性.实验结果表明该方法能够有效检测内核级代码复用攻击,并且性能开销不超过60%.     

ROP图灵完备的普遍可实现性

返回导向编程（return-oriented programming,简称ROP）被广泛用于软件漏洞利用攻击中,用来构造攻击代码.通过更新ROP构造技术,证实了图灵完备的纯ROP攻击代码在软件模块中是普遍可实现的.ROP构造功能代码的难点是实现条件转移逻辑.通过深入分析条件转移机器指令的执行上下文发现,对这些指令的传统认知存在一定的局限性.事实上,在已有代码中存在少量的条件转移指令,它们的两个分支的开始部分都是可复用的代码片段（称为gadgets）,而且这两个gadgets会从不同的内存单元中取得下一个gadget的地址,因此,以这些条件转移指令开始的代码片段可以帮助ROP实现条件转移逻辑.把这种代码片段称为if-gadget.在Linux和Windows系统上的实验结果表明,if-gadget普遍存在,即使在代码量很小的日常可执行程序中也存在.在Binutils程序集上的实验结果表明,引入if-gadget后,构造图灵完备的ROP代码要比用传统方法容易得多.在Ubuntu这样的主流操作系统上,由于可执行程序上默认没有实施防御ROP攻击的保护机制,因此,攻击者可以在这些软件模块中构造纯ROP攻击代码来发动攻击.由此可见,ROP对系统安全的威胁比原来认为的严重得多.     

基于IPT硬件的内核模块ROP透明保护机制

Return-Oriented Programming（ROP）是一种流行的利用缓冲区溢出漏洞进行软件攻击的方法,它通过覆写程序栈上的返回地址,使程序在之后执行返回指令时,跳转到攻击者指定位置的代码,因而违反了程序原本期望的控制流.控制流完整性（Control-flow Integrity,简称CFI）检查是目前最流行的ROP防御机制,它将每条控制流跳转指令的合法目标限制在一个合法目标地址集合内,从而阻止攻击者恶意改变程序的控制流.现有的CFI机制大多用于保护用户态程序,然而当前已经有诸多针对内核态的攻击被曝出,其中Return-oriented rootkits^[1] （ROR）就是在有漏洞的内核模块中进行ROP攻击,达到执行内核任意代码的目的.相较于传统的基于用户空间的ROP攻击,ROR攻击更加危险.根据Linux CVE的数据统计,在2014-2016年中,操作系统内核内部的漏洞有76%出现在内核模块中,其中基本上所有被公布出来的攻击都发生在内核模块.由此可见,内核模块作为针对内核攻击的高发区,非常危险.另一方面,当前鲜有针对操作系统内核的CFI保护方案,而已有的相关系统都依赖于对内核的重新编译,这在很大程度上影响了它们的应用场景.针对这些问题,本文首次提出利用Intel Processor Trace （IPT）硬件机制,并结合虚拟化技术,对内核模块进行透明且有效的保护,从而防御针对其的ROP攻击.实验表明该系统具有极强的保护精确性、兼容性和高效性.     

ROPDetector:一种基于硬件性能计数器的ROP攻击实时检测方法

面向返回编程(Return-Oriented Programming,ROP)是针对软件漏洞利用最广泛的攻击技术之一,能够绕过数据执行保护、地址空间布局随机化等防御机制.本文提出了一种基于硬件的ROP攻击实时检测方法,在不需要任何边缘信息(如源代码、编译器支持)和二进制重写的情况下,利用现代CPU中的硬件性能计数器监控目标程序执行过程,提取ROP攻击发生时底层硬件事件特征来实时检测ROP攻击.然后,在32位Linux实验环境下实现了原型系统ROPDetector,使用真实的ROP攻击与漏洞进行实验,并与同类方法进行了对比实验,最后评估了系统的性能消耗.实验结果表明,该方法能有效地检测真实的ROP攻击,在分别以6次和9次错误预测返回指令为检测周期时,系统性能消耗仅有5.05%和5.25%,磁盘I/O性能消耗仅有0.94%和2%,网络I/O性能消耗仅有0.06%和0.78%.     

基于地址完整性检查的函数指针攻击检测

针对传统函数指针攻击检测技术无法检测面向返回编程(ROP)攻击的问题,提出了一种基于跳转地址完整性检查的新方法,在二进制代码层面能够检测多种类型的函数指针攻击。首先,通过静态分析得到函数地址信息,然后动态检查跳转目标地址是否位于合法函数区间。分析了非入口点跳转,提出一种动静结合方法检测ROP攻击。基于二进制代码插桩工具实现原型系统fpcheck,对真实攻击和正常程序进行了测试。实验结果表明fpcheck能够检测包括ROP在内的多种函数指针攻击,通过准确的检测策略,误报率显著下降,性能损失相比原始插桩仅升高10%~20%。     

针对ROP攻击的动态运行时检测系统

根据面向返回的编程(ROP)攻击及其变种的攻击原理,设计一个针对ROP攻击的动态运行时检测系统。该系统包括静态插桩和动态运行监控2个阶段。静态插桩为待检测程序装配分析代码,动态运行利用ret完整性检测、call完整性检测和jmp完整性检测方法分析程序的控制流和数据流,判断是否为ROP攻击。实验结果表明,该方法能完全检测出ROP恶意代码。     

数字水印攻击及对策分析

数字水印技术作为数字媒体版权保护的重要手段越来越引起人们的重视。文章讨论了数字水印的概念、特征,重点介绍了数字水印的鲁棒性及影响数字水印鲁棒性的因素,总结和分析了数字水印主要攻击方式并提出相应的应对措施。     

关于密码协议攻击的研究

该文通过具体实例从不同的角度讨论了对密码协议的各种攻击，并阐述了这些攻击产生的原因及防止它们的一般方法。     

Surge:一种新型、低资源、高效的轻量级分组密码算法

目前,适合资源约束的轻量级密码算法已成为研究热点。提出一种低资源、高性能与高安全性的新轻量级分组密码算法Surge。Surge密码分组长度为64位,使用64位、80位和128位3种密钥长度,且基于SPN结构。轮函数分为5个模块,密钥扩展模块采用无扩展方式;轮常数加模块采用0到15的数字组合成轮常数,构造高效且高度混淆的轮常数加变换;列混合模块利用易于硬件实现的(0,1,2,4)组合矩阵,从而可以在有限域GF(2⁴)上构造硬件实现友好型矩阵。将Surge算法在FPGA上进行了实现,实验结果表明,相对于目前SPN结构的轻量级密码算法,Surge算法占用的面积资源更小,同时有着良好的加密性能;安全性实验证明了Surge可以有效抗差分与线性攻击、代数攻击。     

New fault attacks using Jacobi symbol and application to regular right-to-left algorithms

Fast exponentiation algorithms are central in the implementation of public key cryptography. They should be secure as well as efficient. Nowadays physical attacks such as side channel analysis or fault attacks become big threats in the implementation of cryptographic algorithms. In this article, we propose two new fault attacks using Jacobi symbol. Furthermore we show that Joye's regular right-to-left algorithms are vulnerable to them.     

Treatment of the initial value in Time-Memory-Data Tradeoff attacks on stream ciphers

Time-Memory Tradeoff (TMTO) attacks on stream ciphers are a serious security threat and the resistance to this class of attacks is an important criterion in the design of a modern stream cipher. TMTO attacks are especially effective against stream ciphers where a variant of the TMTO attack can make use of multiple data to reduce the off-line and the on-line time complexities of the attack (given a fixed amount of memory).In this paper we present a new approach to TMTO attacks against stream ciphers using a publicly known initial value (IV): We suggest not to treat the IV as part of the secret key material (as done in current attacks), but rather to choose in advance some IVs and apply a TMTO attack to streams produced using these IVs. We show that while the obtained tradeoff curve is identical to the curve obtained by the current approach, the new technique allows to mount the TMTO attack in a larger variety of settings. For example, if both the secret key and the IV are of length n, it is possible to mount an attack with data, time, and memory complexities of ²4n/5, while in the current approach, either the time complexity or the memory complexity is not less than n².     

几个无证书签密方案的密码分析与改进

无证书密码体制既能避免基于身份的密码体制中存在的密钥托管问题,又能简化公钥证书的管理,具有巨大的优越性。对四个无证书签密方案进行了密码分析,指出有两个方案存在保密性攻击,有三个方案存在伪造性攻击。使用签名部分绑定接收者、加密部分绑定发送者和增加随机数的方法,分别对它们进行了改进。在随机预言机模型中,对改进方案进行了安全性证明,表明改进方案是安全的。     

Protection issues for supply systems involving random attacks

This paper focuses on the protection issues for supply systems involving random attacks, which are described as attacks whose targets cannot be predicted. We present the random-attack median fortification problem (RAMF) to identify the fortification strategy that minimizes the expected operation cost after random attacks. RAMF is formulated as an integer-linear program and solved directly using general-purpose MIP solver. Moreover, a more complex problem, the fortification median problem for disruptions caused by mixed types of attacks (FMMA), is introduced to find a balance between defending the worst-case attacks and random attacks. Solving FMMA can achieve good protection results, which are more practical in dealing with systems with mixed types of attacks, if the proportion between the types is properly estimated. We formulate FMMA as a non-linear bilevel program and extend a typical implicit enumeration (IE) algorithm to solve the problem. Finally, computational experiments demonstrate the effectiveness of both RAMF and FMMA in dealing with protective affairs involving random attacks. The efficiency of solving the formulations of RAMF and FMMA is also testified.     

一种基于挑战/应答技术的Kerberos协议改进

Kerberos协议是单点登录(SSO)架构常用的方案之一.论文在研究和分析传统Kerberos协议的基础上,针对协议的不足,提出了一种协议的改进方案.该方案采用基于挑战/应答异步技术的动态口令替代客户端和应用服务器端的主密钥,从而提高抵御字典攻击和重放攻击方面的能力.实验结果证明了该方案的有效性.     

一种抗几何攻击的视频水印算法

提出了一种基于视频序列时空不变信息的视频水印算法。在嵌入水印时生成同步帧，并确定同步帧时空不变特征点位置，检测时根据同步帧时空不变特征点的位置，实现对视频序列几何失真的矫正，对水印信息进行检测和提取。实验表明，该算法能有效地抵抗帧插入和帧丢失等时间轴同步攻击和高强度几何攻击。     

一种抵御内部人员攻击的云租户密钥保护方法

云计算作为一种新兴计算模式,近几年来对传统IT架构产生了巨大影响。然而,云计算也面临着新的安全挑战,例如,存储在云虚拟机内存中口令、密钥等易受到云平台内部人员发起的攻击。恶意云运维人员可通过简单命令获取云虚拟机的内存快照,再从内存快照中提取敏感数据（称作内存快照攻击）。本文为保护虚拟机内的加密密钥免受内存快照攻击,提出HCoper方案,HCoper在CPU内部完成所有加密计算,保证密钥不被加载到RAM中。HCoper采用key-encryption-key结构实现密钥动态调度,以支持多应用多密钥场景。主密钥存储在CPU寄存器中,数据加密密钥由主密钥加密后存储在RAM中。HCoper执行加密计算时,数据加密密钥将被解密并直接加载到CPU寄存器进行加密计算。HCoper作为Xen的内核模块,可防止其他进程访问持有密钥的CPU寄存器。HCoper旨在为租户提供加密计算服务,同时保证密钥（即主密钥,数据加密密钥）不受内部恶意人员的攻击。实验结果表明,HCoper可有效地防御内部人员发起的内存快照攻击,其带来的性能开销不影响实用性。