上下文敏感的控制流完整性保护的改进方法

面对控制流劫持攻击的威胁,业界使用控制流完整性保护技术来保障进程的执行安全。传统的控制流完整性验证保护机制依赖于动态二进制改写技术,在分析、实施等过程中难度较大,且有可能带来二进制兼容的问题。通过研究近几年提出的上下文敏感的控制流保护技术PathArmor,分析了其检测进程控制流的时机。然后针对PathArmor只在进程做系统调用时才进行检测的机制,提出了改进的方法。该方法依据内核页错误中断处理机制,通过修改用户页面的保护属性主动触发可执行页面的执行错误;接着,修改页错误中断处理过程,钩挂do_page_fault以处理主动触发的执行错误。用户进程代码和数据的完整性得以保证的同时,得到了更多陷入内核接受检查的机会。在Nginx,bzip2,SQLite等典型应用环境下的实验结果表明,改进的方法能够明显增加系统安全分析的粒度,更好地保护程序的控制流。     

进程控制流完整性保护技术综述

控制流劫持攻击利用程序内存漏洞获取程序的控制权,进而控制程序执行恶意代码,对系统安全造成极大的威胁.为了应对控制流劫持攻击,研究人员提出了一系列的防御手段.控制流完整性是一种运行时防御方法,通过阻止进程控制流的非法转移,来确保控制流始终处于程序要求的范围之内.近年来,越来越多的研究致力于解决控制流完整性的相关问题,例如提出新的控制流完整性方案、新的控制流完整性方案评估方法等.首先阐述了控制流完整性的基本原理,然后对现有控制流完整性方案进行了分类,并分别进行了分析,同时介绍了现有针对控制流完整性方案的评估方法与评价指标.最后,对控制流完整性的未来工作进行了展望,以期对未来的控制流完整性研究提供参考.     

EBound:一种高效的空间内存错误检测方法

空间内存错误是C语言程序中经常出现的一种漏洞。针对目前空间内存错误检测方法的性能开销高的问题,提出一种高效的空间内存错误检测方法 EBound。EBound使用动态指针边界检测方法检测程序中的空间内存错误,并使用静态污点分析方法来消除不必要的指针边界检查,从而降低了性能开销。EBound基于LLVM编译器实现,不需要对程序源代码进行修改。实验结果表明,EBound可以有效地防御利用空间内存错误进行的缓冲区溢出攻击。与当前比较好的空间内存错误检测方法 Soft Bound相比,EBound有更低的性能开销。     

ARM架构中控制流完整性验证技术研究

通用平台目标二进制代码运行时控制流的提取主要依赖于处理器硬件特性,或其动态二进制插桩工具,该平台的控制流完整性验证方法无法直接移植到进阶精简指令集机器( ARM)架构中。为此,基于控制流完整性验证技术,设计一种用于ARM架构,利用缓冲溢出漏洞检测控制流劫持攻击的方法。该方法在程序加载时、执行前动态构建合法跳转地址白名单,在目标二进制代码动态执行过程中完成控制流完整性验证,从而检测非法控制流转移,并对非法跳转地址进行分析,实现漏洞的检测和诊断。在ARM-Linux系统的动态二进制分析平台上实施测试,结果表明,该方法能够检测出漏洞,并精确定位攻击矢量。     

基于虚拟机监控器的隐私透明保护

操作系统漏洞经常被攻击者利用,从而以内核权限执行任意代码(返回用户态攻击,ret2user)以及窃取用户隐私数据.使用虚拟机监控器构建了一个对操作系统及应用程序透明的内存访问审查机制,提出了一种低性能开销并且无法被绕过的内存页面使用信息实时跟踪策略;结合安全加载器,保证了动态链接库以及应用程序的代码完整性.能够确保即使操作系统内核被攻击,应用程序的内存隐私数据依然无法被窃取.在Linux操作系统上进行了原型实现及验证,实验结果表明,该隐私保护机制对大多数应用只带来6%~10%的性能负载.     

基于访问控制的动态着色技术在攻击检测中的研究

内存腐烂攻击在软件安全攻击中占据着较大的比重。近来,动态着色技术得到了越来越多的关注,这种技术通过在访问内存时检测指针的完整性来抵御攻击。然而,存在一类可以绕过指针完整性检查的策略来进行攻击的实例,比如数组的越界访问攻击。提出了一种基于动态着色跟踪分析的方法来解决这类已有着色技术不能检测的问题。其思想是,借助于内存访问控制的思路,首先像已有的动态着色技术那样,在内存访问时对指针进行完整性检查,然后检查指针将要访问的内存区域是否处于指针合理的访问范围之内。原型系统是基于Valgrind的,并不需要源码,因此可以用于很多商业软件。初步实验验证结果表明,该方法可以有效地检测出很多类型的攻击,系统的性能损耗接近于Memcheck这种常用的内存错误检测工具。     

一个基于硬件虚拟化的内核完整性监控方法

对操作系统内核的攻击就是通过篡改关键数据和改变控制流来危及操作系统的安全。已有的一些方法通过保护代码完整性或控制流完整性来抵御这些攻击,但是这往往只关注于某一个方面而没有给出一个完整的监控方法。通过对内核完整性概念的分析,得出了在实际系统中保证内核完整性需要的条件:保障数据完整性,影响系统功能的关键数据对象只能由指定的代码在特定情况下修改;保障控制流完整性,保护和监控影响代码执行序列改变的所有因素。并采用硬件虚拟化的Xen虚拟机监控器实现对Linux内核的保护和监控。实验结果证明,该方法能够阻止外来攻击和本身漏洞对内核的破坏。     

基于国密算法和模糊提取的多因素身份认证方案

针对多因素身份认证方案需要额外硬件设备以及在隐私信息防护、密码运算安全上存在漏洞等问题,提出一种基于国密算法和模糊提取的多因素身份认证方案.该方案不需要智能卡等额外设备,首先使用Shamir秘密门限方案和SM4分组密码算法保护用户私钥安全;然后在注册阶段使用模糊提取和SM3密码杂凑算法实现基于用户身份和生物特征信息的双向认证,从而注册用户身份并发布用户公钥;最后在认证阶段使用SM2椭圆曲线公钥密码算法实现基于签名验签的双向认证,从而认证用户身份并协商会话密钥.经过BAN逻辑验证和启发式安全分析,该方案实现了注册和认证阶段双向认证,能够安全地协商会话密钥,可以抵抗已知攻击并提供用户匿名性和前向保密性.实验结果显示,该方案在客户端和服务端的计算开销都在毫秒级,在提高安全性的同时保持了较高的效率.     

防御缓冲区溢出攻击的数据随机化方法

代码注入式攻击方法已经成为针对内存攻击的典型代表,缓冲区溢出攻击是其中最常用的一种代码注入攻击方法。它依靠修改程序的控制流指向,使程序转向预先注入的恶意代码区,以取得系统权限。提出了一种基于数据保护的随机化方法,即通过保护程序内的指针和数组来有效地防御缓冲区溢出攻击的方法。     

一种在不可信操作系统内核中高效保护应用程序的方法

在现代操作系统中,内核运行在最高特权层,管理底层硬件并向上层应用程序提供系统服务,因而安全敏感的应用程序很容易受到来自底层不可信内核的攻击.提出了一种在不可信操作系统内核中保护应用程序的方法AppFort.针对现有方法的高开销问题,AppFort结合x86硬件机制(操作数地址长度)、内核代码完整性保护和内核控制流完整性保护,对不可信内核的硬件操作和软件行为进行截获和验证,从而高效地保证应用程序的内存、控制流和文件I/O安全.实验结果表明:AppFort的开销极小,与现有工作相比明显提高了性能.     

PEC-V: 基于RISC-V协处理器的内存溢出防御机制

内存溢出攻击是计算机系统中历史悠久且依旧广泛存在的攻击手段,而指针加密技术可以有效阻止此攻击.通过软件手段实现这一技术的方式将导致程序运行效率的显著降低并且产生额外的内存开销.所以本文基于RocketChip的RoCC(Rocket Custom Coprocessor)接口实现一个加解密指针的协处理器PEC-V.其通过RISC-V的自定义指令控制协处理器加解密返回地址和函数指针等值达到阻止溢出攻击的目的.PEC-V主要使用PUF(Physical Unclonable Function)来避免在内存中储存加密指针的键值,所以此机制在保证了加密键值的随机性的同时也减少了访问内存的次数.实验结果显示,PEC-V能够有效防御各类缓冲区溢出攻击,且程序平均运行效率仅下降3％,相对既往方案显著提高了性能.     

基于内存取证的内核完整性度量方法

内核级攻击对操作系统的完整性和安全性造成严重威胁.当前,内核完整性度量方法在度量对象选取上存在片面性,且大部分方法采用周期性度量,无法避免TOC-TOU攻击.此外,基于硬件的内核完整性度量方法因添加额外的硬件使得系统成本较高;基于Hypervisor的内核完整性度量方法,应用复杂的VMM带来的系统性能损失较大.针对现有方法存在的不足,提出了基于内存取证的内核完整性度量方法KIMBMF.该方法采用内存取证分析技术提取静态和动态度量对象,提出时间随机化算法弱化TOC-TOU攻击,并采用Hash运算和加密运算相结合的算法提高度量过程的安全性.在此基础上,设计实现了基于内存取证的内核完整性度量原型系统,并通过实验评测了KIMBMF的有效性和性能.实验结果表明：KIMBMF能够有效度量内核的完整性,及时发现对内核完整性的攻击和破坏,且度量的性能开销小.     

基于内存的漏洞缓解关键技术研究

随着漏洞挖掘技术日渐成熟,每年新增漏洞数量逐步增加。从操作系统以及编译器层面来说,为了提高内存保护的安全性,对抗漏洞利用的缓解措施也在不断完善。文章介绍了近年来比较成熟的基于内存的漏洞关键缓解技术,包括GS编译选项技术、SEH安全校验机制、堆数据保护机制、DEP技术以及ASLR技术。GS编译选项技术和SEH安全校验机制能够有效遏制针对栈数据的攻击;堆数据保护机制为堆溢出增加了更多限制;DEP技术能够对内存执行额外检查以防止恶意代码在系统中执行;ASLR技术通过对关键地址的随机化使一些堆栈溢出手段失效。文章还指出了这些防护措施所存在的不足,并据此从攻击者的角度介绍了针对这几种缓解措施的攻击思路。针对漏洞缓解技术,文章指出未来必须考虑的是如何弥补在抵御复合向量攻击方面的不足,如何完善旁路保护。     

IMPULP: A Hardware Approach for In-Process Memory Protection via User-Level Partitioning

In recent years many security attacks occur when malicious codes abuse in-process memory resources.Due to the increasing complexity,an application program may call third-party code which cannot be controlled by programmers but may contain security vulnerabilities.As a result,the users have the risk of suffering information leakage and control flow hijacking.However,current solutions like Intel memory protection extensions(MPX)severely degrade performance,while other approaches like Intel memory protection keys(MPK)lack flexibility in dividing security domains.In this paper,we propose IMPULP,an effective and efficient hardware approach for in-process memory protection.The rationale of IMPULP is user-level partitioning that user code segments are divided into different security domains according to their instruction addresses,and accessible memory spaces are specified dynamically for each domain via a set of boundary registers.Each instruction related to memory access will be checked according to its security domain and the corresponding boundaries,and illegal in-process memory access of untrusted code segments will be prevented.IMPULP can be leveraged to prevent a wide range of in-process memory abuse attacks,such as buffer overflows and memory leakages.For verification,an FPGA prototype based on RISC-V instruction set architecture has been developed.We present eight tests to verify the effectiveness of IMPULP,including five memory protection function tests,a test to defense typical buffer overflow,a test to defense famous memory leakage attack named Heartbleed,and a test for security benchmark.We execute the SPEC CPU2006 benchmark programs to evaluate the efficiency of IMPULP.The performance overhead of IMPULP is less than 0.2%runtime on average,which is negligible.Moreover,the resource overhead is less than 5.5%for hardware modification of IMPULP.     

物联网安全威胁与安全模型

随着物联网应用的发展和普及利用,针对物联网的攻击事件日益增多且危害严重。目前面对物联网安全问题主要采用被动补救的方式,缺乏对物联网安全的体系化思考和研究。本论文首先介绍物联网系统架构和各实体的发展,然后分析物联网面临的多层次安全威胁,包括各实体自身的安全威胁,也包括跨域的安全威胁。其中,实体自身安全威胁涉及到云平台、设备端、管道、云端交互。物联网跨域安全威胁包含4个方面:多域级联攻击、物理域的冲突与叠加、信息域对物理域进行非预期的控制、信息域对物理域输入的理解不全面。在此基础上,论文研究了基于PDRR网络安全体系的物联网安全模型,包含安全防护、安全检测、响应、恢复4个维度。安全防护包含认证、授权与访问控制、通信加密等技术,需要考虑物联网种类繁多,规模巨大,异构等特点进行设计与实施。安全检测需要对各实体进行入侵检测、在线安全监测、脆弱性检测以及恶意代码检测。其中,在线安全监测获取系统内部设备、应用程序的行为、状态、是否存在已知脆弱性等。脆弱性检测偏向于对未知脆弱性进行深度挖掘。在响应阶段,除了配合相关部门机关完成安全行动资源配置、态势感知等响应工作外,还需要进行入侵事件的分析与响应,漏洞...     

A Comprehensive Framework for Enhancing Security in InfiniBand Architecture

The InfiniBand architecture (IBA) is a promising communication standard for building clusters and system area networks. However, the IBA specification has left out security aspects, resulting in potential security vulnerabilities, which could be exploited with moderate effort. In this paper, we view these vulnerabilities from three classical security aspects - confidentiality, authentication, and availability - and investigate the following security issues. First, as groundwork for secure services in IBA, we present partition-level and queue-pair-level key management schemes, both of which can be easily integrated into IBA. Second, for confidentiality and authentication, we present a method to incorporate a scalable encryption and authentication algorithm into IBA, with little performance overhead. Third, for better availability, we propose a stateful ingress filtering mechanism to block denial-of-service (DoS) attacks. Finally, to further improve the availability, we provide a scalable packet marking method tracing back DoS attacks. Simulation results of an IBA network show that the security performance overhead due to encryption/authentication on network latency ranges from 0.7 percent to 12.4 percent. Since the stateful ingress filtering is enabled only when a DoS attack is active, there is no performance overhead in a normal situation.     

基于污点指针的二进制代码缺陷检测

污点指针严重影响二进制代码数据流和控制流的安全。为此,提出一种二进制代码缺陷检测方法。引入指针污点传播规则,结合路径约束条件和边界约束条件得到缺陷引发条件,构造能够引发4类污点指针代码缺陷的输入数据。在Linux系统下实现ELF二进制代码缺陷检测工具,测试结果表明,该方法能降低测试用例生成数量,并发现Linux系统工具的1个虚函数调用控制缺陷和2个指针内存破坏缺陷。     

TNC在等级保护中的应用研究

信息安全等级保护工作是维护基础信息网络与重要信息系统安全的根本保障,尤其对保护我国政府信息系统的安全具有重要意义。访问控制和身份鉴别在信息系统等级保护的基本技术要求中占有重要地位,针对传统网络接入控制机制的不足,文章提出了基于终端完整性度量的政府远程办公网络系统安全解决方案,设计了一种基于可信网络连接TNC（Trusted Network Connection）的安全接入认证协议。通过安全分析表明,该方案能够确保政府远程办公终端自身的完整性和安全性,从而构建政府远程办公网络系统的可信计算环境,保证整个政府办公网络系统应用环境的安全。