面向動(dòng)態(tài)生成代碼的攻防技術(shù)綜述

吳 煒,霍 瑋,鄒 維

中國(guó)科學(xué)院信息工程研究所 北京 中國(guó) 100093中國(guó)科學(xué)院網(wǎng)絡(luò)測(cè)評(píng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 中國(guó) 100195網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 中國(guó) 100195中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 中國(guó) 100049

面向動(dòng)態(tài)生成代碼的攻防技術(shù)綜述

吳 煒,霍 瑋,鄒 維

中國(guó)科學(xué)院信息工程研究所 北京 中國(guó) 100093中國(guó)科學(xué)院網(wǎng)絡(luò)測(cè)評(píng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 中國(guó) 100195網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 中國(guó) 100195中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 中國(guó) 100049

動(dòng)態(tài)代碼生成技術(shù)廣泛使用在瀏覽器、Flash播放器等重要日常軟件中,近年來(lái)其中曝出嚴(yán)重的安全問(wèn)題,為控制流劫持攻擊和相應(yīng)的防御提供了新機(jī)會(huì),受到越來(lái)越多的關(guān)注。針對(duì)動(dòng)態(tài)生成代碼在數(shù)據(jù)區(qū)且可被執(zhí)行和直接依賴輸入的特性,本文從代碼注入攻擊和代碼重用攻擊兩個(gè)角度總結(jié)分析了控制流劫持攻擊新技術(shù),并從強(qiáng)制性防御和閃避防御(Moving target defense)兩個(gè)角度對(duì)相關(guān)的主要防御新方法進(jìn)行了闡述。同時(shí)提出動(dòng)態(tài)代碼生成系統(tǒng)安全性的衡量模型,對(duì)代表性防御技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析和評(píng)估,并探討了面向動(dòng)態(tài)生成代碼攻防技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和下一步的研究方向。

軟件安全; 即時(shí)編譯; 動(dòng)態(tài)二進(jìn)制翻譯; 控制流劫持; 防御技術(shù)

1 引言

瀏覽器、Flash播放器、虛擬機(jī)和模擬器已成為互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代廣泛使用的基礎(chǔ)性軟件,它們普遍采用即時(shí)編譯(Just-In-Time compilation)和動(dòng)態(tài)二進(jìn)制翻譯(Dynamic binary translation)等動(dòng)態(tài)代碼生成(Dynamic code generation)技術(shù)。該技術(shù)可在軟件系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中動(dòng)態(tài)產(chǎn)生或修改可執(zhí)行代碼[1-5],稱為動(dòng)態(tài)生成代碼(Dynamic generating code)。

控制流劫持[6]是一種經(jīng)典且有效的攻擊方法,攻擊者通過(guò)改變目標(biāo)程序正常的執(zhí)行流程并進(jìn)行控制從而達(dá)到攻擊的目的?？刂屏鹘俪值姆椒ǚ譃閮纱箢? 注入式和非注入式。傳統(tǒng)的注入式攻擊[7]需要同時(shí)滿足三個(gè)攻擊條件: 1)掌握可注入攻擊代碼的漏洞; 2)控制程序原有執(zhí)行流程并成功跳轉(zhuǎn)到攻擊代碼起始處; 3)攻擊代碼可被執(zhí)行。非注入式攻擊,如代碼重用攻擊(Code reuse attack)[8,9],降低了傳統(tǒng)注入式攻擊的攻擊條件。通過(guò)重用目標(biāo)程序中的工具代碼片段(Gadget)構(gòu)造攻擊代碼,既避免注入攻擊代碼又可保證攻擊代碼的可執(zhí)行性。但可被利用的代碼數(shù)量和串接難度成為代碼重用攻擊有效的關(guān)鍵因素。然而,利用動(dòng)態(tài)生成代碼,既不需依賴漏洞注入攻擊代碼,也不需依賴程序中是否存在合法的攻擊代碼段,僅通過(guò)精心設(shè)計(jì)程序輸入就可以完成攻擊代碼注入或者攻擊代碼段構(gòu)造,同時(shí)可以繞過(guò)數(shù)據(jù)執(zhí)行保護(hù)(Data execution prevention)和地址隨機(jī)化(Address space layout randomization)等防御技術(shù),大大降低了控制流劫持的技術(shù)難度。

動(dòng)態(tài)代碼生成技術(shù)使得傳統(tǒng)代碼安全防護(hù)技術(shù)的有效性也面臨著挑戰(zhàn)。由于攻擊代碼可與動(dòng)態(tài)生成的正常代碼存儲(chǔ)在同一數(shù)據(jù)區(qū),數(shù)據(jù)執(zhí)行保護(hù)無(wú)法阻止攻擊代碼的執(zhí)行?？蓤?zhí)行代碼在運(yùn)行時(shí)被動(dòng)態(tài)生成,因此依賴靜態(tài)分析與靜態(tài)插裝的控制流完整性(Control flow integrity)[10]保護(hù)難以實(shí)施,基于靜態(tài)分析和靜態(tài)二進(jìn)制變換的軟件多樣化(Software diversification)[11]技術(shù)也同樣難以應(yīng)用。

圍繞動(dòng)態(tài)生成代碼的攻防對(duì)抗新技術(shù)和新方法成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。2010年Blazakis在Black Hat會(huì)議上首先提出了針對(duì)Flash播放器中動(dòng)態(tài)生成代碼的攻擊方法[12],隨后這種攻擊方法被擴(kuò)展到各種動(dòng)態(tài)代碼生成系統(tǒng)。安全研究人員相繼在Pwn2Own、Black Hat和NDSS等頂級(jí)會(huì)議上提出了面向動(dòng)態(tài)生成代碼的一系列新攻擊方式[13-18]。同時(shí),研究人員也提出了許多針對(duì)動(dòng)態(tài)生成代碼的新防御技術(shù)[18-28]。本文圍繞動(dòng)態(tài)生成代碼,從攻擊與防御兩方面對(duì)近年來(lái)的研究成果進(jìn)行總結(jié)歸納,概述技術(shù)的基本原理和應(yīng)用效果,并建立適用于面向動(dòng)態(tài)生成代碼攻防技術(shù)的衡量模型,對(duì)代表性技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析和評(píng)價(jià),通過(guò)分析潛在的攻擊手段,指出提高動(dòng)態(tài)生成代碼安全性的發(fā)展方向。本文的主要貢獻(xiàn): 1)分類闡述針對(duì)動(dòng)態(tài)代碼生成技術(shù)的攻擊技術(shù); 2)分類論述加固動(dòng)態(tài)代碼生成系統(tǒng)的防御技術(shù)的原理和研究進(jìn)展; 3)提出面向動(dòng)態(tài)生成代碼系統(tǒng)的安全度量模型,并基于該模型對(duì)防御技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析; 4)對(duì)基于動(dòng)態(tài)生成代碼的攻防技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

本文首先對(duì)動(dòng)態(tài)生成代碼及相關(guān)攻防技術(shù)的背景和術(shù)語(yǔ)進(jìn)行了介紹(第2節(jié)),然后對(duì)動(dòng)態(tài)生成代碼的原理進(jìn)行了概括,揭示動(dòng)態(tài)生成代碼的特性(第 3節(jié))。從代碼注入攻擊和代碼重用攻擊兩個(gè)角度介紹了動(dòng)態(tài)代碼生成技術(shù)為攻擊者帶來(lái)的新機(jī)會(huì)(第 4節(jié))。從強(qiáng)制性防御和閃避防御兩個(gè)角度闡述了針對(duì)動(dòng)態(tài)代碼生成的防御技術(shù)的原理、挑戰(zhàn)和研究進(jìn)展(第5節(jié))?；诜烙杀竞头烙Ч?衡量了動(dòng)態(tài)代碼生成系統(tǒng)的安全性(第6節(jié)),最后總結(jié)并給出了研究發(fā)展建議。

2 研究背景

動(dòng)態(tài)生成代碼主要存在于即時(shí)編譯系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)二進(jìn)制翻譯系統(tǒng)中。即時(shí)編譯系統(tǒng)廣泛存在于電腦和移動(dòng)終端,可顯著提高動(dòng)態(tài)語(yǔ)言解釋執(zhí)行的效率。隨著JavaScript語(yǔ)言廣泛使用于動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)中[68],當(dāng)前主流瀏覽器,如Chrome、Safari、IE、Firefox等都對(duì)JavaScript程序提供支持,并采用了即時(shí)編譯技術(shù)提高 JavaScript的執(zhí)行效率[1,2],如在特定情況下可使Google V8引擎速度提高12倍。Adobe Flash播放器幾乎安裝在所有的電腦和移動(dòng)終端,其也采用即時(shí)編譯技術(shù)加速ActionScript的解釋執(zhí)行來(lái)為用戶帶來(lái)更好的多媒體體驗(yàn)。此外,JVM和.NET CLR等虛擬機(jī)均使用了即時(shí)編譯技術(shù)。動(dòng)態(tài)二進(jìn)制翻譯[29]廣泛使用在跨平臺(tái)支持[5,30]、遺產(chǎn)軟件移植、動(dòng)態(tài)程序分析[31]和安全防御[32,33]中以增強(qiáng)可移植性與安全性。二進(jìn)制翻譯技術(shù)作為虛擬化軟件Qemu[5]的核心技術(shù),隨著云計(jì)算的發(fā)展而被廣泛使用。由于動(dòng)態(tài)生成代碼直接受控于軟件輸入并存儲(chǔ)于內(nèi)存堆區(qū),傳統(tǒng)的攻防技術(shù),如控制流劫持、數(shù)據(jù)執(zhí)行保護(hù)、內(nèi)存完整性檢測(cè)、閃避防御等在應(yīng)用原理、應(yīng)用場(chǎng)景和應(yīng)用效果等方面都面臨新的挑戰(zhàn),面向動(dòng)態(tài)生成代碼的攻防技術(shù)和方法成為新的研究熱點(diǎn)。

在針對(duì)動(dòng)態(tài)生成代碼的攻擊技術(shù)中,控制流劫持攻擊是研究的熱點(diǎn)。控制流劫持攻擊通過(guò)劫持函數(shù)返回地址或代碼指針將控制流跳轉(zhuǎn)到攻擊者指定的代碼地址并執(zhí)行,從而完成攻擊。根據(jù)攻擊代碼來(lái)源的不同,又可進(jìn)一步分為代碼注入攻擊和代碼重用攻擊。在代碼注入攻擊中,需要利用目標(biāo)程序漏洞將包含Shellcode的代碼注入到內(nèi)存可執(zhí)行區(qū)域并讓Shellcode得到執(zhí)行機(jī)會(huì)。代碼重用攻擊則利用程序中現(xiàn)有“合法”代碼,繞過(guò)數(shù)據(jù)執(zhí)行保護(hù)完成攻擊,返回導(dǎo)向編程(Return oriented programming,簡(jiǎn)稱ROP)[8]攻擊是其中的典型。ROP尋找程序內(nèi)部的工具代碼片段組合形成ROP鏈(ROP chain)。工具代碼片段是以返回指令結(jié)尾的若干連續(xù)指令,將多段工具代碼片段精心組合可以構(gòu)造等效于 Shellcode的ROP鏈直接完成攻擊,或者僅通過(guò)構(gòu)造ROP鏈調(diào)用VirtualProtect等函數(shù)關(guān)閉Shellcode所在頁(yè)面的數(shù)據(jù)執(zhí)行保護(hù),進(jìn)而執(zhí)行Shellcode間接完成攻擊。文獻(xiàn)[34]對(duì) ROP的利用條件進(jìn)行了建模分析。為使用 ROP技術(shù),需要利用目標(biāo)程序漏洞控制程序執(zhí)行流程,依次執(zhí)行工具代碼片段完成攻擊。

數(shù)據(jù)執(zhí)行保護(hù)和地址空間隨機(jī)化是廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代操作系統(tǒng)中的兩種防御技術(shù)。數(shù)據(jù)執(zhí)行保護(hù)將內(nèi)存頁(yè)設(shè)置為可執(zhí)行的代碼段或不可執(zhí)行的數(shù)據(jù)段,一種常見的數(shù)據(jù)執(zhí)行保護(hù)“W⊕X”可以防止內(nèi)存頁(yè)被同時(shí)設(shè)置為可寫和可執(zhí)行,能夠有效防御傳統(tǒng)代碼注入攻擊。地址空間隨機(jī)化將程序、鏈接庫(kù)的加載位置和堆、棧的起始地址隨機(jī)化,使攻擊者難以預(yù)測(cè)目標(biāo)指令的地址位置,很大程度上提高了攻擊的門檻。然而,地址隨機(jī)化也有兼容性、熵值小和易受到信息泄露攻擊的缺點(diǎn)。一些程序和動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)不兼容地址隨機(jī)化保護(hù),容易被ROP攻擊直接利用。在32位操作系統(tǒng)中,地址隨機(jī)化為堆提供的隨機(jī)性不足,低熵的隨機(jī)化易受到暴力枚舉的攻擊[35]。堆噴射(Heap spray)是繞過(guò)32位地址隨機(jī)化的有效方式。同時(shí),研究者發(fā)現(xiàn)了利用程序漏洞泄露內(nèi)存地址從而繞過(guò)地址隨機(jī)化的方式[36-39]。

控制流完整性[10,41-43]保護(hù)是一類通過(guò)檢查控制流非正常跳轉(zhuǎn)從而防止程序控制流被劫持的防御方法。但傳統(tǒng)控制流完整性防護(hù)技術(shù)只能保護(hù)靜態(tài)編譯產(chǎn)生的代碼。閃避防御技術(shù)(Moving Target Defense)[44]是一種新興的防御技術(shù),其中包括軟件多樣化技術(shù)[11]。將軟件多樣化技術(shù)應(yīng)用到動(dòng)態(tài)代碼生成上可以增加生成代碼的不確定性,生成多變的不同形態(tài)的但功能相同的代碼,減少攻擊者對(duì)于生成代碼的知識(shí),從而降低攻擊成功的概率[24,25]。

3 動(dòng)態(tài)代碼生成技術(shù)原理

動(dòng)態(tài)代碼生成技術(shù)能夠在運(yùn)行時(shí)新產(chǎn)生并執(zhí)行優(yōu)化的本地機(jī)器碼,被廣泛應(yīng)用于即時(shí)編譯系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)二進(jìn)制翻譯系統(tǒng)中以提高系統(tǒng)性能、可移植性和安全性。盡管該技術(shù)在不同的動(dòng)態(tài)代碼生成器中實(shí)現(xiàn)方式不同,但其基本行為特征是相同的,都是對(duì)輸入程序代碼,在運(yùn)行時(shí)直接翻譯生成本地機(jī)器碼執(zhí)行或動(dòng)態(tài)優(yōu)化已生成的本地機(jī)器碼并執(zhí)行。

現(xiàn)代代碼解釋器中廣泛使用了動(dòng)態(tài)代碼生成技術(shù)。解釋型語(yǔ)言通常會(huì)將程序編譯為其自定義的字節(jié)碼并執(zhí)行。當(dāng)字節(jié)碼在解釋器虛擬機(jī)中運(yùn)行時(shí),即時(shí)編譯器開始為其動(dòng)態(tài)生成語(yǔ)義等價(jià)且運(yùn)行速度更快的可執(zhí)行代碼,通常生成宿主機(jī)的本地機(jī)器碼。

一個(gè)具體的例子如圖 1所示,在上層語(yǔ)言ActionScript中的一段源碼被動(dòng)態(tài)翻譯成了對(duì)應(yīng)的本地代碼。

圖1 動(dòng)態(tài)代碼生成實(shí)例

軟件動(dòng)態(tài)翻譯器對(duì)動(dòng)態(tài)生成代碼主要有四類操作: 生成、修改、刪除和調(diào)用。如圖2所示,軟件動(dòng)態(tài)翻譯器[18]讀入待翻譯的源程序,優(yōu)化編譯器以函數(shù)為單位根據(jù)輸入程序生成本地代碼到堆上的代碼緩存(Code cache,又稱Code heap[42]、JIT buffer[15])中,并通過(guò)執(zhí)行器調(diào)用動(dòng)態(tài)生成代碼。對(duì)于輸入程序的某一個(gè)函數(shù),軟件動(dòng)態(tài)翻譯器生成的本地代碼的語(yǔ)義與輸入函數(shù)應(yīng)當(dāng)是等價(jià)的。由于本地代碼會(huì)在運(yùn)行時(shí)生成并被調(diào)用執(zhí)行,因此代碼緩存區(qū)域需被設(shè)置為可寫且可執(zhí)行。優(yōu)化編譯器還可以收集輪廓信息修改動(dòng)態(tài)生成代碼,進(jìn)行代碼優(yōu)化。垃圾回收器對(duì)代碼緩存進(jìn)行自動(dòng)內(nèi)存管理,對(duì)動(dòng)態(tài)生成代碼進(jìn)行刪除。

因此,動(dòng)態(tài)生成代碼具有兩個(gè)特性: 1)直接受控于輸入; 2)存儲(chǔ)于可執(zhí)行的數(shù)據(jù)區(qū)。

圖2 動(dòng)態(tài)代碼生成技術(shù)基本框架

4 動(dòng)態(tài)代碼生成的攻擊威脅

控制流劫持漏洞是一類危害嚴(yán)重的漏洞?？刂屏鹘俪止羰且环N最常見的利用控制流劫持漏洞進(jìn)行軟件攻擊的手段,可導(dǎo)致攻擊者獲得任意代碼執(zhí)行能力從而安裝木馬、病毒,對(duì)計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的機(jī)密性、可用性和完整性造成破壞。控制流劫持攻擊一般可分為代碼注入攻擊(Code injection attack)和代碼重用攻擊[6]。傳統(tǒng)代碼注入攻擊可以被數(shù)據(jù)執(zhí)行保護(hù)防御,但是動(dòng)態(tài)生成代碼位于可執(zhí)行的數(shù)據(jù)區(qū),因此向代碼緩存注入的惡意代碼可以繞過(guò)數(shù)據(jù)執(zhí)行保護(hù)。同時(shí),動(dòng)態(tài)生成代碼直接受控于輸入的特性使攻擊者可以操縱輸入程序生成所需的工具代碼,更易于實(shí)施代碼重用攻擊。動(dòng)態(tài)代碼生成提供了新的攻擊方式,近年來(lái)研究者們發(fā)現(xiàn)許多利用動(dòng)態(tài)生成代碼進(jìn)行攻擊的機(jī)會(huì)[12,16-18]。

4.1 控制流劫持漏洞

控制流劫持攻擊的必要條件是存在控制流劫持漏洞。出于性能考慮,動(dòng)態(tài)代碼翻譯器(如即時(shí)編譯器)往往用C或C++語(yǔ)言編寫。由于動(dòng)態(tài)代碼翻譯器的復(fù)雜性,代碼量往往高達(dá)數(shù)十萬(wàn)行甚至百萬(wàn)行。大規(guī)模、復(fù)雜的C或C++程序中內(nèi)存安全存在更大的隱患。各類溢出漏洞、釋放后重用漏洞、類型混淆漏洞等均可能被用來(lái)劫持程序原有的控制流。如Google V8 JavaScript Engine中存在堆溢出漏洞(CVE-2009-2555),可被用來(lái)劫持程序的控制流,跳轉(zhuǎn)到攻擊代碼執(zhí)行。根據(jù)攻擊代碼來(lái)源的不同,又可進(jìn)一步分為代碼注入攻擊和代碼重用攻擊。

4.2 代碼注入攻擊

傳統(tǒng)代碼注入攻擊利用目標(biāo)程序的輸入信道將實(shí)現(xiàn)惡意功能的Shellcode注入程序內(nèi)存空間中并通過(guò)控制流劫持漏洞執(zhí)行。數(shù)據(jù)執(zhí)行保護(hù)通過(guò)設(shè)置數(shù)據(jù)頁(yè)面不可執(zhí)行能夠阻止Shellcode執(zhí)行,很大程度上提高了代碼注入攻擊的門檻。但在動(dòng)態(tài)代碼生成技術(shù)中,代碼緩存本身就需要寫和執(zhí)行權(quán)限,使得數(shù)據(jù)執(zhí)行保護(hù)失效,從而為攻擊者注入執(zhí)行Shellcode提供了便利。從注入方式的角度,攻擊者可以在利用代碼緩存覆蓋攻擊(利用內(nèi)存任意寫漏洞向代碼緩存注入惡意代碼)這種傳統(tǒng)方式之外,不利用內(nèi)存漏洞,僅需構(gòu)造畸型源程序,就迫使軟件動(dòng)態(tài)翻譯器生成惡意代碼(如JIT噴射攻擊)。

堆噴射是一種利用堆操作漏洞向堆上注入包含Shellcode的大量重復(fù)指令,從而繞過(guò)地址隨機(jī)化的注入攻擊方法。數(shù)據(jù)執(zhí)行保護(hù)是防御堆噴射的傳統(tǒng)方法,因?yàn)樵谶@種情況下攻擊者需要先利用ROP等代碼重用技術(shù)將數(shù)據(jù)執(zhí)行保護(hù)關(guān)閉(如調(diào)用 Virtual-Protect或mprotect函數(shù)),才能執(zhí)行注入的Shellcode,增加了漏洞利用的難度。此外,Egele等還提出一種在字符串緩沖區(qū)中發(fā)現(xiàn)Shellcode的堆噴射防御技術(shù)[46]。針對(duì)上述防御方法,攻擊者提出了一種向代碼緩存注入 Shellcode的簡(jiǎn)便方法,即 JIT噴射攻擊(JIT Spraying)。JIT噴射攻擊是由堆噴射演進(jìn)而來(lái)的,利用 JIT動(dòng)態(tài)生成本地機(jī)器碼的特性完成代碼注入攻擊。由于 Shellcode被直接注入到代碼緩存中,使得數(shù)據(jù)執(zhí)行保護(hù)和Egele等的防御方法均失效。JIT噴射攻擊最早由Blazakis在2010年Black Hat上提出,可以繞過(guò)地址隨機(jī)化和數(shù)據(jù)執(zhí)行保護(hù)攻擊 Adobe Flash的即時(shí)編譯器[12]。JIT生成代碼存放在可讀寫并可執(zhí)行的代碼緩存中,JIT噴射攻擊強(qiáng)制即時(shí)編譯器產(chǎn)生大量代碼進(jìn)行堆噴射攻擊以繞過(guò)地址隨機(jī)化防御。JIT噴射攻擊的原理如圖3所示。攻擊者利用包含立即數(shù)的腳本指令,通過(guò)控制源程序?qū)ⅰ俺Ａ俊弊鳛榱⒓磾?shù)注入即時(shí)編譯器的生成代碼中(如指令“XOR EAX 0x3c909090”),然后通過(guò)一個(gè)控制流劫持漏洞跳轉(zhuǎn)到“常量”的地址加一個(gè)偏移值,此時(shí)“常量”就變成了可以被識(shí)別執(zhí)行的代碼片段。通過(guò)連續(xù)輸入大量的常量就可以在代碼緩存中生成攻擊者需要的 Shellcode。已公開的 JIT噴射攻擊包括針對(duì)Safari瀏覽器 JavaScript即時(shí)編譯器的攻擊[45]和對(duì)Adobe Flash的攻擊。

圖3 JIT噴射攻擊[25]

4.3 代碼重用攻擊

傳統(tǒng)ROP攻擊首先在程序及其依賴庫(kù)中尋找工具代碼片段,再在運(yùn)行時(shí)采用繞過(guò)地址隨機(jī)化的技術(shù)獲得工具代碼片段的內(nèi)存地址,如利用一個(gè)地址泄露漏洞獲取某個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的基址,最后劫持控制流跳轉(zhuǎn)到工具代碼片段執(zhí)行。動(dòng)態(tài)代碼生成技術(shù)能夠在堆上動(dòng)態(tài)輸出本地機(jī)器碼,且輸出內(nèi)容可以由高層編程語(yǔ)言所構(gòu)成的輸入所控制。這意味著攻擊者可以生成自己需要的工具代碼片段用于ROP而不依賴于程序和動(dòng)態(tài)加載庫(kù)中已存在可利用的工具代碼片段,同時(shí)也使G-free編譯[48]等ROP攻擊緩解技術(shù)失效。Serna在報(bào)告[16]中提出了一種向代碼緩存區(qū)噴射用于泄露內(nèi)存地址的工具代碼片段的攻擊方式。動(dòng)態(tài)代碼生成為ROP等代碼重用攻擊提供了便利。

一種針對(duì)動(dòng)態(tài)代碼生成的ROP攻擊可以分為以下三個(gè)步驟: 1)控制動(dòng)態(tài)代碼翻譯器的輸入源程序以在代碼緩存產(chǎn)生所需工具代碼片段; 2)通過(guò)信息泄露定位代碼緩存區(qū)中工具代碼片段的位置; 3)將控制流跳轉(zhuǎn)到工具代碼片段開始執(zhí)行。為完成該過(guò)程,需要攻擊者深刻理解目標(biāo)軟件的防御機(jī)制并利用目標(biāo)軟件中的信息泄露漏洞。Athanasakis等人提出一種利用Firefox和IE瀏覽器中JavaScript即時(shí)編譯器動(dòng)態(tài)生成工具代碼片段,并結(jié)合信息泄露漏洞進(jìn)行代碼重用攻擊的方法[15]。Snow在文獻(xiàn)[40]中提出JIT-ROP方法,可在上述第二步中應(yīng)用。該方法利用一個(gè)信息泄露漏洞讀取大量?jī)?nèi)存內(nèi)容并在其中搜索ROP所需的工具代碼片段,即時(shí)構(gòu)建ROP完成攻擊。

5 動(dòng)態(tài)生成代碼的安全防御

軟件漏洞是導(dǎo)致控制流劫持攻擊的根本原因。研究者提出了一系列控制流劫持漏洞的挖掘技術(shù)[49-52]。但是由于漏洞挖掘本身的難度,不能確保發(fā)現(xiàn)所有控制流劫持漏洞,因此研究人員提出了漏洞去效技術(shù)(vulnerability neutralization),如 Windows平臺(tái)的EMET[66]和Linux平臺(tái)的grsecurity[67]等,阻止攻擊發(fā)生。漏洞去效是指通過(guò)部署各種防御機(jī)制,使得軟件系統(tǒng)中的漏洞無(wú)法被攻擊者成功利用的一類防御技術(shù),典型方法包括數(shù)據(jù)執(zhí)行保護(hù)、控制流完整性保護(hù)和代碼多樣化等。研究者將上述方法應(yīng)用到動(dòng)態(tài)代碼生成程序中,提出了若干改進(jìn)技術(shù)[18-25]。本文根據(jù)防御技術(shù)的特點(diǎn),分強(qiáng)制性防御和靈敏變換攻擊面的閃避防御兩類,對(duì)新提出的漏洞去效方法進(jìn)行介紹和分析。

5.1 強(qiáng)制性防御

強(qiáng)制性防御技術(shù)(enforcement-based defenses[11])旨在為程序執(zhí)行過(guò)程中可能被攻擊者利用的部分添加防御,從而防止對(duì)此部分的利用。數(shù)據(jù)執(zhí)行保護(hù)是一種典型的強(qiáng)制性防御技術(shù),該技術(shù)通過(guò)防止數(shù)據(jù)段被執(zhí)行或者代碼段被改寫提高了傳統(tǒng)代碼注入攻擊的難度,但是,攻擊者依然可以利用合法的代碼片段進(jìn)行代碼重用攻擊。另一種典型的強(qiáng)制性防御技術(shù)是控制流完整性保護(hù),該技術(shù)用于阻止現(xiàn)實(shí)攻擊中常見的劫持控制流行為,并且能夠防御代碼重用攻擊?？刂屏魍暾杂行У那疤釛l件是代碼完整性,即代碼段不能被篡改,但動(dòng)態(tài)生成代碼位于可寫數(shù)據(jù)區(qū),因此攻擊者可能利用內(nèi)存任意寫漏洞破壞動(dòng)態(tài)生成代碼的完整性以繞過(guò)控制流完整性保護(hù)。在實(shí)際中,控制流完整性和數(shù)據(jù)執(zhí)行保護(hù)通常組合使用以有效防御代碼注入攻擊和代碼重用攻擊。本節(jié)分別從數(shù)據(jù)執(zhí)行保護(hù)和控制流完整性兩個(gè)方面綜述針對(duì)動(dòng)態(tài)生成代碼的強(qiáng)制性防御新技術(shù)。

5.1.1 數(shù)據(jù)執(zhí)行保護(hù)

數(shù)據(jù)執(zhí)行保護(hù)是防御代碼注入攻擊的重要防御手段。目前主流的數(shù)據(jù)執(zhí)行保護(hù)通過(guò)禁止內(nèi)存頁(yè)被同時(shí)設(shè)置為可寫和可執(zhí)行,阻止攻擊者執(zhí)行注入數(shù)據(jù)段的Shellcode或篡改代碼段,通常記為W⊕X。動(dòng)態(tài)代碼生成需要既可寫又可執(zhí)行的內(nèi)存空間以存放或修改動(dòng)態(tài)產(chǎn)生的代碼,與現(xiàn)有數(shù)據(jù)執(zhí)行保護(hù)實(shí)現(xiàn)機(jī)制無(wú)法兼容。因此,研究者提出了基于權(quán)限轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)執(zhí)行保護(hù)[19,26]和基于權(quán)限分離的數(shù)據(jù)執(zhí)行保護(hù)[18,20,28]兩類技術(shù),實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制性防御。

代表性的基于權(quán)限轉(zhuǎn)換W⊕X方法由南京大學(xué)陳平等人[19]提出,其原理如圖4所示。該方法在即時(shí)編譯器的不同工作階段,對(duì)所使用的內(nèi)存區(qū)域設(shè)置不同的權(quán)限,在生成本地代碼時(shí)將代碼緩存設(shè)置為可寫不可執(zhí)行,在開始執(zhí)行生成代碼前將代碼緩存頁(yè)面設(shè)置為不可寫和可執(zhí)行,從而防御 JIT噴射攻擊。因?yàn)榧磿r(shí)編譯器比代碼執(zhí)行器更有可能出現(xiàn)控制流劫持漏洞[20],所以該方法有效縮短了攻擊者的攻擊窗口,能夠?qū)Ξ?dāng)時(shí)的野外JIT噴射攻擊實(shí)例進(jìn)行防御且具有可忽略的運(yùn)行時(shí)開銷。

圖4 基于權(quán)限轉(zhuǎn)換的W⊕X方法[18]

與上述時(shí)域的數(shù)據(jù)執(zhí)行保護(hù)不同,另一種空域的數(shù)據(jù)執(zhí)行保護(hù)方法將動(dòng)態(tài)代碼生成中生成代碼和執(zhí)行代碼兩個(gè)功能放在不同的進(jìn)程中實(shí)現(xiàn),通過(guò)共享內(nèi)存等內(nèi)存映射機(jī)制共享代碼緩存,并設(shè)置不同的訪問(wèn)權(quán)限。我們稱這種方法為基于權(quán)限分離的數(shù)據(jù)執(zhí)行保護(hù)。

Niu等人在 RockJIT[9]的實(shí)現(xiàn)中利用虛擬內(nèi)存和沙盒機(jī)制將代碼緩存區(qū)和 RockJIT中影子代碼堆(shadow code heap)映射到相同的物理地址并設(shè)置不同的權(quán)限,如圖5所示。用沙盒機(jī)制將原代碼緩存區(qū)設(shè)置為不可寫可執(zhí)行,將RockJIT中的影子代碼堆設(shè)置為可寫不可執(zhí)行。即時(shí)編譯器生成的代碼經(jīng)過(guò)RockJIT的安全驗(yàn)證之后寫入影子代碼堆。而執(zhí)行生成代碼時(shí)依然訪問(wèn)原代碼緩存。這使得即時(shí)編譯器在向代碼緩存區(qū)寫入代碼時(shí),只能通過(guò)RockJIT寫入影子代碼堆且必須通過(guò) RockJIT的控制流完整性檢測(cè)。即便攻擊者能夠在即時(shí)編譯器的沙盒中任意寫,也不能夠使惡意代碼通過(guò)RockJIT的驗(yàn)證,所以無(wú)法執(zhí)行Shellcode。

圖5 RockJIT架構(gòu)[22]

另一種基于權(quán)限分離數(shù)據(jù)執(zhí)行保護(hù)的方法是Jaurnig等人[20]提出的 Lobotomy。該方法在 Firefox TraceMonkey即時(shí)編譯器中應(yīng)用,用于防御JIT噴射攻擊。Lobotomy將JIT引擎分為編譯器和執(zhí)行器兩個(gè)進(jìn)程,并共享代碼緩存區(qū)。編譯進(jìn)程對(duì)緩存區(qū)可寫不可執(zhí)行,執(zhí)行進(jìn)程對(duì)緩存區(qū)可寫可執(zhí)行。通過(guò)上述權(quán)限分離,使得攻擊者無(wú)法利用編譯進(jìn)程中的控制流劫持漏洞執(zhí)行注入的代碼。

Song等人在文獻(xiàn)[18]中指出在多線程環(huán)境下[53],即便部署了基于權(quán)限轉(zhuǎn)換的 W⊕X[19],攻擊者依然可以進(jìn)行基于競(jìng)爭(zhēng)條件(race condition)的攻擊,在攻擊窗口內(nèi)向代碼緩存區(qū)注入 Shellcode。為解決基于權(quán)限轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)執(zhí)行保護(hù)在多線程環(huán)境下易受競(jìng)爭(zhēng)情形攻擊的弱點(diǎn),Song等人提出了一種廣泛適用于即時(shí)編譯和動(dòng)態(tài)二進(jìn)制轉(zhuǎn)換的安全動(dòng)態(tài)代碼生成框架SDCG(Secure dynamic code generation),可以為可信的軟件動(dòng)態(tài)翻譯器提供健壯的數(shù)據(jù)執(zhí)行保護(hù)。競(jìng)爭(zhēng)條件攻擊利用動(dòng)態(tài)翻譯器為一個(gè)線程生成代碼時(shí)將代碼緩存區(qū)設(shè)置為可寫的特點(diǎn),利用另一線程向代碼緩存區(qū)注入Shellcode。如圖6所示,線程A在第①次訪問(wèn)代碼緩存時(shí)沒(méi)有修改代碼的權(quán)限,訪問(wèn)②表示代碼生成器正在為線程 A生成代碼,訪問(wèn)③表示線程B也具有了對(duì)代碼緩存的寫權(quán)限所以可以注入Shellcode,發(fā)起訪問(wèn)④時(shí)線程A已經(jīng)完成所需代碼的生成,故所有線程不再具有對(duì)代碼緩存的寫權(quán)限,因此代碼注入攻擊的時(shí)間窗口長(zhǎng)度是t2-t1。這種攻擊利用了內(nèi)存訪問(wèn)權(quán)限的粒度只到進(jìn)程級(jí)別,同一進(jìn)程中的線程具有相同的訪問(wèn)權(quán)限。當(dāng)一個(gè)線程生成代碼時(shí),其他線程都會(huì)獲得寫代碼緩存的權(quán)限,這就方便了代碼注入攻擊。針對(duì)這類攻擊,SDCG的核心是一種通過(guò)共享內(nèi)存將相同的內(nèi)存映射到不同的進(jìn)程,并為不同進(jìn)程設(shè)置不同的訪問(wèn)權(quán)限的技術(shù)。將屬于可信計(jì)算基(TCB)的軟件動(dòng)態(tài)翻譯器放到一個(gè)專用進(jìn)程中,其他進(jìn)程通過(guò)遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用(Remote procedure call)使用其動(dòng)態(tài)生成代碼的功能。在軟件動(dòng)態(tài)翻譯器進(jìn)程中,代碼緩存區(qū)被設(shè)置為可寫不可執(zhí)行,而在其他進(jìn)程中代碼緩存區(qū)被設(shè)置為不可寫可執(zhí)行。上述內(nèi)存訪問(wèn)權(quán)限設(shè)置通過(guò)基于代理的沙盒架構(gòu)(delegation-based sandbox architecture)[54]攔截所有關(guān)于虛擬內(nèi)存管理的系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)以確保權(quán)限設(shè)置不被篡改。

圖6 使用雙線程進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)條件攻擊[18]

5.1.2 控制流完整性

控制流完整性保護(hù)[10]已經(jīng)歷了10年的發(fā)展,被證明是一種防御控制流劫持攻擊的有效手段并開始被工業(yè)界采用,Visual Studio 2015中已經(jīng)支持將控制流保護(hù)信息寫入PE文件格式中,但是傳統(tǒng)控制流完整性保護(hù)方法并不適用于動(dòng)態(tài)代碼生成。為動(dòng)態(tài)代碼生成程序?qū)嵤┛刂屏魍暾员Ｗo(hù)除了需要為程序本身插裝外,還需要保護(hù)代碼緩存區(qū)中動(dòng)態(tài)生成的代碼,其難點(diǎn)如圖7所示。傳統(tǒng)控制流完整性采用的靜態(tài)分析和插裝的工作方式可以保護(hù)動(dòng)態(tài)代碼翻譯器的控制流。使得被保護(hù)程序的控制流跳轉(zhuǎn)時(shí)檢查控制流跳轉(zhuǎn)目標(biāo),確?？刂屏魈D(zhuǎn)目標(biāo)在通過(guò)靜態(tài)分析確定的控制流圖中。但傳統(tǒng)控制流完整性對(duì)于動(dòng)態(tài)生成的可執(zhí)行代碼則無(wú)能為力。動(dòng)態(tài)代碼生成需要在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)生成或修改代碼,這樣的特性與傳統(tǒng)的控制流完整性的靜態(tài)分析與改寫的工作模式矛盾,因此控制流完整性安全策略不能直接用于保護(hù)JIT編譯等動(dòng)態(tài)代碼生成技術(shù)。

圖7 控制流完整性保護(hù)動(dòng)態(tài)生成代碼的難點(diǎn)

為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)控制流完整性方法的不足,Ansel等人在文獻(xiàn)[21]中提出了NaCl-JIT,一種用基于本地客戶端沙盒(Native Client Sandbox[55],簡(jiǎn)稱NaCl)的保護(hù)動(dòng)態(tài)代碼生成的方案。NaCl利用基于軟件的錯(cuò)誤分離實(shí)現(xiàn)了沙盒,它通過(guò)靜態(tài)分析和插裝軟件護(hù)衛(wèi)(software guards)限制對(duì)內(nèi)存的訪問(wèn)。為保護(hù)動(dòng)態(tài)代碼生成,NaCl-JIT擴(kuò)展了NaCl的編程接口以接管動(dòng)態(tài)添加、修改和刪除代碼等操作。在動(dòng)態(tài)生成代碼時(shí),NaCl-JIT檢查生成代碼滿足以下安全性質(zhì): 生成代碼的目標(biāo)地址在NaCl的可執(zhí)行內(nèi)存區(qū)域內(nèi); 使用標(biāo)準(zhǔn)的NaCl驗(yàn)證器對(duì)生成代碼進(jìn)行驗(yàn)證,生成代碼的目標(biāo)地址必須是沒(méi)有被使用過(guò)的保留內(nèi)存空間;并限制控制流的跳轉(zhuǎn)目標(biāo)必須是對(duì)齊的地址(32字節(jié)對(duì)齊)。這實(shí)際上也通過(guò)限制直接與間接分支跳轉(zhuǎn)目標(biāo),實(shí)現(xiàn)了對(duì)即時(shí)編譯器和代碼緩存的一種粗粒度控制流完整性保護(hù)。最近的研究證明粗粒度的控制流完整性策略不能有效保護(hù)程序的控制流,精心構(gòu)造的ROP攻擊[56,57]可以繞過(guò)粗粒度的控制流完整性保護(hù),NaCl-JIT實(shí)現(xiàn)的控制流完整性難以防御這類攻擊。而且NaCl-JIT由于大量使用NOP填充以對(duì)齊指令,造成了較高的運(yùn)行時(shí)開銷。

為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)控制流完整性方案不能應(yīng)用于動(dòng)態(tài)生成代碼的不足,Niu等人在文獻(xiàn)[22]中提出了如圖5所示的加固即時(shí)編譯的方案: RockJIT,一種將控制流完整性策略應(yīng)用于即時(shí)編譯的方法。RockJIT提出了一種為即時(shí)編譯器進(jìn)行安全加固的架構(gòu)。為即時(shí)編譯器實(shí)施基于 MCFI[42]的細(xì)粒度的控制流完整性保護(hù)并在運(yùn)行時(shí)用粗粒度的控制流完整性保護(hù)動(dòng)態(tài)生成的代碼。通過(guò)基于軟件錯(cuò)誤分離的沙盒限制即時(shí)編譯器的系統(tǒng)調(diào)用,并確保動(dòng)態(tài)生成代碼在正常調(diào)用不含敏感系統(tǒng)調(diào)用,因此為JIT生成代碼執(zhí)行粗粒度的控制流完整性就已足夠。RockJIT通過(guò)靜態(tài)分析即時(shí)編譯器的源代碼以產(chǎn)生細(xì)粒度的 CFG,為即時(shí)編譯器實(shí)施細(xì)粒度的控制流完整性保護(hù)。為用控制流完整性保護(hù)動(dòng)態(tài)代碼生成,在向代碼緩存區(qū)添加新的JIT生成代碼、修改已有的JIT生成代碼和刪除JIT生成代碼時(shí)需要通過(guò)RockJIT的驗(yàn)證以更新控制流策略。為配合RockJIT,對(duì)即時(shí)編譯器源代碼進(jìn)行了修改并將其和代碼緩存放在沙盒之中以確保即時(shí)編譯器不再具有對(duì)JIT生成代碼堆的寫權(quán)限,即時(shí)編譯器進(jìn)行代碼生成、修改、刪除時(shí)需要通過(guò)RockJIT中驗(yàn)證器的控制流完整性保護(hù)驗(yàn)證,才能被寫到RockJIT內(nèi)存中的影子代碼堆,從而防止代碼注入攻擊。

5.2 閃避防御

閃避防御(Moving Target Defense)[44]是一種新的防御思想。其核心思想與擬態(tài)安全防御(Mimic secu-rity defense)[33]類似,通過(guò)對(duì)系統(tǒng)配置的靈活變化,變被動(dòng)為主動(dòng),向攻擊者展現(xiàn)一個(gè)不斷變化的不可預(yù)測(cè)的攻擊面,大幅提高攻擊者的利用難度。從攻擊者的角度,動(dòng)態(tài)生成代碼技術(shù)的代碼緩存區(qū)是一個(gè)倍受關(guān)注的攻擊點(diǎn)。其可寫可執(zhí)行的權(quán)限設(shè)置使其成為惡意代碼注入的入口。動(dòng)態(tài)代碼生成器內(nèi)在邏輯的確定性使得攻擊者可以通過(guò)操縱輸入程序獲得其需要的 Shellcode。閃避防御技術(shù)通過(guò)移動(dòng)代碼段和各種隨機(jī)化方法為動(dòng)態(tài)生成代碼添加不確定性,將攻擊成功變?yōu)橐粋€(gè)概率極小的事件。

閃避防御技術(shù)的有效性需要針對(duì)一個(gè)既定的威脅模型進(jìn)行衡量?，F(xiàn)有的面向動(dòng)態(tài)代碼生成的閃避防御手段通常針對(duì)如下的威脅模型: 程序中存在控制流劫持漏洞,攻擊者通過(guò)控制輸入代碼產(chǎn)生所需Shellcode或者工具代碼片段。生成代碼多樣化通過(guò)為生成代碼添加了不確定性防御上述威脅。

5.2.1 生成代碼多樣化

代碼重用攻擊和代碼注入攻擊依賴于生成代碼的位置和內(nèi)容具有一定可預(yù)測(cè)性。研究者提出一系列打破生成代碼可預(yù)測(cè)性的多樣化方法[23-26]。生成代碼多樣化產(chǎn)生與原生成代碼語(yǔ)義相同但形態(tài)不同的代碼,可以使得生成代碼的位置和內(nèi)容對(duì)于攻擊者而言不可預(yù)測(cè)。從而防止攻擊者通過(guò)立即數(shù)引入Shellcode或工具代碼片段。

為打破生成代碼的可預(yù)測(cè)性,北京大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)研究所的韋韜等人在文獻(xiàn)[24]中提出一種生成代碼多樣化技術(shù): INSeRT。針對(duì)X86指令格式提出了立即數(shù)隨機(jī)化(Immediate randomization)、寄存器隨機(jī)化(Register randomization)、位移隨機(jī)化(Displacement randomization)等技術(shù)。立即數(shù)隨機(jī)化將立即數(shù)與一個(gè)隨機(jī)數(shù)異或使得攻擊者不再能控制立即數(shù)的值。如指令“mov eax,imm32”就被變換為“mov eax,(imm32^rand_seed);xor eax,rand_seed”。寄存器隨機(jī)化將使用各個(gè)寄存器的順序隨機(jī)化。位移隨機(jī)化將函數(shù)的參數(shù)和與局部變量的位置打亂以隨機(jī)化指令中的位移域。與上述方法類似,陳平等人在RIM[23]和 JITsafe[26]中也使用了立即數(shù)隨機(jī)化和寄存器隨機(jī)化的方法。

為應(yīng)對(duì)無(wú)法獲得軟件動(dòng)態(tài)翻譯器的源代碼的情況,Homescu等人在文獻(xiàn)[25]提出了一種無(wú)需修改動(dòng)態(tài)代碼生成器的生成代碼多樣化方法Librando以加固即時(shí)編譯。Librando設(shè)置代碼緩存區(qū)為不可執(zhí)行并截取所有在代碼緩存區(qū)中開辟可執(zhí)行區(qū)域的調(diào)用,將動(dòng)態(tài)生成代碼反編譯為控制流圖,對(duì)其中每個(gè)基本塊進(jìn)行多樣化后寫入另一塊可執(zhí)行內(nèi)存區(qū)域。所有跳轉(zhuǎn)到原生成代碼的分支都被重定向到多樣化后的生成代碼。其多樣化技術(shù)包括了空指令插入(NOP insertion)和常量盲化(Constant blinding)?？罩噶畈迦爰夹g(shù)在生成代碼中隨機(jī)插入各種不影響代碼語(yǔ)義的空指令,從而使得生成代碼的位置和任意兩段生成代碼的相對(duì)距離都變得不確定,算法 1是一種空指令插入算法。常量盲化將生成代碼中的立即數(shù)加密,使得攻擊者不再能夠控制生成代碼中立即數(shù)的值。如圖 8所示,常量盲化是一種在生成代碼中隱藏輸入常量的方法,通過(guò)從立即數(shù)中減去一個(gè)隨機(jī)數(shù)將每一個(gè)產(chǎn)生的立即數(shù)加密,并利用LEA指令在運(yùn)行時(shí)對(duì)立即數(shù)進(jìn)行解密。

算法1.一種空指令插入算法[25].

圖8 常量盲化實(shí)例[25]

6 安全性度量

Merkov等人在文獻(xiàn)[58]中指出,沒(méi)有防御手段能實(shí)現(xiàn)絕對(duì)的安全,攻擊者在有足夠時(shí)間、工具、技能和動(dòng)力的情況下可以攻破任何系統(tǒng)。因此防御手段的目的是提高攻擊者的攻擊成本,同時(shí)將在系統(tǒng)中部署防御的開銷保持在應(yīng)用場(chǎng)景可接受的范圍內(nèi)。研究者提出了許多加固動(dòng)態(tài)代碼生成技術(shù)的防御手段,但是并沒(méi)有統(tǒng)一的衡量防御效果的標(biāo)準(zhǔn),我們結(jié)合動(dòng)態(tài)代碼生成技術(shù)的特點(diǎn),首次提出衡量動(dòng)態(tài)代碼生成安全性的模型,并從防御效果和防御成本兩方面衡量動(dòng)態(tài)生成代碼系統(tǒng)的安全性。

6.1 防御效果

防御效果衡量防御技術(shù)提高攻擊難度的程度,數(shù)據(jù)執(zhí)行保護(hù)和控制流完整性等強(qiáng)制性防御手段旨在防御攻擊中的某個(gè)必要步驟,而生成代碼多樣化等閃避防御旨在提供一個(gè)在攻擊者視角中變幻莫測(cè)的攻擊面。

6.1.1 衡量強(qiáng)制性防御效果

強(qiáng)制性防御使特定攻擊方式或步驟無(wú)效,例如:細(xì)粒度的控制流完整性保護(hù)可以防止控制流跳轉(zhuǎn)到控制流圖外的地址從而防止ROP攻擊[22]; 基于權(quán)限轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)執(zhí)行保護(hù)縮減了攻擊者注入和執(zhí)行惡意代碼的攻擊窗口,所以能夠提高代碼注入攻擊的難度[19],迫使攻擊者利用多線程環(huán)境下的競(jìng)爭(zhēng)條件攻擊[18]。發(fā)現(xiàn)一類新的攻擊的難度大于應(yīng)用已知攻擊。迫使攻擊者發(fā)現(xiàn)一類新的攻擊方式能大幅提高攻擊成本。我們衡量了強(qiáng)制性防御手段對(duì)代碼注入攻擊和代碼重用攻擊的影響,表 1對(duì)面向動(dòng)態(tài)生成代碼的典型強(qiáng)制性防御技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析。根據(jù)防范代碼注入和代碼重用兩種攻擊的機(jī)制,分析其存在的主要威脅向量。

防御代碼重用攻擊的核心手段是保護(hù)控制流完整性。衡量控制流完整性保護(hù)有效性的兩個(gè)指標(biāo)是其移除 ROP工具代碼片段的數(shù)量和移除間接分支(Indirect branch)的數(shù)量。利用上述指標(biāo),Niu等人在對(duì)RockJIT[22]的安全性進(jìn)行了如下衡量: 1)利用工具代碼片段查找工具在用細(xì)粒度控制流完整性保護(hù)加固后的V8即時(shí)編譯器中查找工具代碼片段。其結(jié)果顯示RockJIT可以移除V8即時(shí)編譯器中98.5%的ROP-工具代碼片段; 2)統(tǒng)計(jì)RockJIT為V8即時(shí)編譯器生成的控制流圖中允許的間接分支跳轉(zhuǎn)的數(shù)量,并與 NaCl-JIT為V8進(jìn)行粗粒度的控制流完整性保護(hù)后所允許的間接分支跳轉(zhuǎn)的數(shù)量進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明,RockJIT比NaCl-JIT多移除了99.97%的間接分支跳轉(zhuǎn)。

6.1.2 衡量閃避防御效果

閃避防御是一種變化攻擊面的防御手段。最近研究者提出了一系列評(píng)價(jià)閃避防御效果的方法[59-61]。Hobson等人在文獻(xiàn)[59]中提出了衡量閃避防御有效性的三個(gè)維度: 覆蓋面(coverage)、不可預(yù)測(cè)性(unpredictability)和及時(shí)性(timeliness)。由于三者中任何一方面的不足都可能為攻擊者提供一部分確定的攻擊面,因此閃避防御手段要滿足以下三個(gè)條件才能顯著提高攻擊成本: 1)覆蓋所有可能被利用的攻擊面; 2)具有足夠高的熵值; 3)能及時(shí)變換不給攻擊者留下足夠長(zhǎng)的攻擊窗口以進(jìn)行基于信息泄露的攻擊。我們參考文獻(xiàn)[59]的評(píng)價(jià)方式,在表2對(duì)現(xiàn)有的針對(duì)動(dòng)態(tài)代碼生成的閃避防御有效性進(jìn)行了衡量,從以上三個(gè)方面列出了其不足之處。

對(duì)于生成代碼多樣化這類閃避防御,其覆蓋面只包含生成代碼,并未提高對(duì)系統(tǒng)其他部分的攻擊難度。Athanasakis等人在文獻(xiàn)[15]中認(rèn)為現(xiàn)有代碼多樣化技術(shù)的最大缺陷是及時(shí)性的不足: 利用了信息泄露漏洞的代碼重用攻擊可以在運(yùn)行時(shí)讀取生成代碼并利用其構(gòu)建ROP攻擊,從而完全繞過(guò)代碼多樣化防御。Athanasakis用上述方法成功攻擊了Firefox和Internet Explorer兩款常用瀏覽器。

表1 強(qiáng)制性防御有效性衡量

表2 閃避防御有效性的衡量

6.2 防御成本

除了提高攻擊成本的能力,衡量面向動(dòng)態(tài)生成代碼的防御手段的實(shí)用性還需要考慮系統(tǒng)性能損失、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度、是否需要源代碼等因素。表 3從保護(hù)對(duì)象、系統(tǒng)性能損失、代碼修改量和是否需要源代碼四個(gè)方面對(duì)研究者提出的各種防御技術(shù)的防御成本進(jìn)行對(duì)比分析。

系統(tǒng)性能損失是動(dòng)態(tài)代碼生成場(chǎng)景下最重要的防御成本因素。動(dòng)態(tài)代碼生成系統(tǒng)的可用性不應(yīng)被防御技術(shù)損害。特別是更快、更高效是在瀏覽器,Flash Player等程序中應(yīng)用動(dòng)態(tài)代碼生成的主要目的,因此動(dòng)態(tài)代碼生成安全加固措施應(yīng)當(dāng)具有較低的運(yùn)行時(shí)開銷。如果運(yùn)行時(shí)時(shí)間開銷超過(guò)5%～10%,工業(yè)界就不愿犧牲性能而采取這樣的防御措施[6]。

代碼修改行數(shù)體現(xiàn)了防御機(jī)制的復(fù)雜性。復(fù)雜的安全機(jī)制需要投入更多資源實(shí)現(xiàn),同時(shí)復(fù)雜性本身也會(huì)帶來(lái)新的缺陷和漏洞。黑盒的防御方式(如Librando)不需要對(duì)保護(hù)對(duì)象的源代碼進(jìn)行修改。

源代碼需求對(duì)部署防御的可行性有一定影響: 1)依賴源代碼的防御手段在不開源的動(dòng)態(tài)代碼生成器上就不適用; 2)在新的威脅出現(xiàn)時(shí),不需要修改程序源代碼的防御措施(例如Librando)可以迅速給系統(tǒng)打補(bǔ)丁而無(wú)需等待廠商推出安全補(bǔ)丁。

7 技術(shù)展望

攻擊動(dòng)態(tài)生成代碼系統(tǒng)的難度隨著防御機(jī)制發(fā)展不斷增加,需要針對(duì)系統(tǒng)防御機(jī)制研究攻擊技術(shù)。

防御技術(shù)的有效性和開銷依然存在矛盾(例如:細(xì)粒度的控制流完整性具有較高的運(yùn)行時(shí)開銷),所以有必要研究運(yùn)行時(shí)開銷更少且不削弱防御有效性的防御技術(shù)。

與細(xì)粒度的控制流完整性保護(hù)相比,Kuznetsov在 2014年提出的代碼指針完整性(Code pointer integrity,簡(jiǎn)稱 CPI)[62]是一種同樣有效,并且運(yùn)行時(shí)開銷更小的強(qiáng)制性防御技術(shù),其實(shí)現(xiàn)已經(jīng)開源。但將CPI應(yīng)用于動(dòng)態(tài)代碼生成還存在著很大的挑戰(zhàn),因此仍然需要對(duì)適用于動(dòng)態(tài)代碼生成的代碼指針完整性進(jìn)行深入的研究。

表3 防御成本衡量

閃避防御及其理論仍然處于起步階段,依然有許多問(wèn)題等待進(jìn)一步研究解決。例如: 面向動(dòng)態(tài)生成代碼的多樣性防御技術(shù)不能有效防御內(nèi)存泄露攻擊[38,40]盡管最近研究者們提出了一些應(yīng)對(duì)信息泄露攻擊的防御技術(shù)[63,64],但還并沒(méi)有被工業(yè)界采用。而且,將此類技術(shù)應(yīng)用于動(dòng)態(tài)代碼生成存在著新的挑戰(zhàn)。

對(duì)于動(dòng)態(tài)代碼生成系統(tǒng)源代碼不可得的情況,依然缺少低開銷的黑盒防御技術(shù)。因此有必要對(duì)高效的黑盒防御技術(shù)展開研究。

沒(méi)有一種防御手段能夠一勞永逸地解決所有安全問(wèn)題。為保護(hù)動(dòng)態(tài)代碼生成,需要將不同的防御手段結(jié)合起來(lái)。組合防御的優(yōu)點(diǎn)在于防御手段可以相互補(bǔ)充彼此的弱點(diǎn)。強(qiáng)制性防御和閃避防御的巧妙組合將可能增加系統(tǒng)的安全性[63,64]。理想的分層布置防御應(yīng)當(dāng)使得攻擊成本能夠隨防御層數(shù)增加而指數(shù)性增長(zhǎng)[65],而實(shí)際中防御手段的組合只能線性提高攻擊難度,因此更有效的組合防御方法還有待研究。

8 總結(jié)

動(dòng)態(tài)代碼生成在運(yùn)行時(shí)生成、修改可執(zhí)行代碼的特性作為提高動(dòng)態(tài)語(yǔ)言執(zhí)行速度和實(shí)現(xiàn)虛擬化的關(guān)鍵技術(shù),也可以被攻擊者利用實(shí)現(xiàn)任意代碼執(zhí)行或高級(jí)可持續(xù)威脅。如今動(dòng)態(tài)代碼生成的應(yīng)用場(chǎng)景幾乎無(wú)處不在,其安全性問(wèn)題尤為重要。本文對(duì)面向動(dòng)態(tài)代碼生成的攻擊和防御技術(shù)進(jìn)行了綜述。介紹了動(dòng)態(tài)生成代碼的數(shù)據(jù)平面和代碼平面耦合導(dǎo)致的安全問(wèn)題,針對(duì)動(dòng)態(tài)代碼生成的代碼注入攻擊和代碼重用攻擊的特點(diǎn),分析了對(duì)應(yīng)防御方法的實(shí)現(xiàn)方法,并對(duì)防御效果進(jìn)行了衡量。

目前,工業(yè)界對(duì)于動(dòng)態(tài)生成代碼防御并無(wú)成熟的解決方案,其攻防關(guān)鍵技術(shù)(例如: 高級(jí)ROP攻擊與防御、軟件多樣化和閃避防御)的研究狀態(tài)還處在“魔高一尺,道高一丈”的對(duì)抗發(fā)展階段。安全性和防御成本依然是需要權(quán)衡的矛盾,有效且低成本的防御技術(shù)是研究的重點(diǎn)。

致 謝

在此向?qū)Ρ疚牡墓ぷ鹘o予建議的龔曉銳老師和給我們提出建議的評(píng)審專家 表示感謝。

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Survey on Attacking and Defending Technologies of Dynamic Code Generation

WU Wei, HUO Wei, ZOU Wei
Institute of Information Engineering,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100093,China Key Laboratory of Network Assessment Technology,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100195,China Beijing Key Laboratory of Network Security and Protection Technology,Beijing 100195,China University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China

Dynamic code generation (DCG) is a technique widely deployed in important daily software such as web browser and Flash player. The threat posed by dynamic code generation has gained more and more attention in recent years because it provides new opportunities for control flow hijacking attack. In this paper,we summarize new control flow hijack attacks against DCG based on the paradigm that DCG generates executable code according to input program on-the-fly in two categories: code injection attack and code reuse attack. We systematically present the defense mechanisms for DCG in two categories: enforcement-based defense and moving target defense. We propose a model to evaluate existing defense technology based on defense benefit and defense cost. We also analyze the developing trend of attacking/defending technologies on dynamic code generation and give some suggestions on future research.

software security; JIT compilation; dynamic binary translation; control flow hijack; defense mechanism

吳煒 2014年在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息安全專業(yè)獲得學(xué)士學(xué)位?，F(xiàn)在中國(guó)科學(xué)院信息工程研究所攻讀博士學(xué)位。研究領(lǐng)域?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)與軟件安全。研究興趣包括: 漏洞挖掘與利用、程序分析及網(wǎng)絡(luò)對(duì)抗技術(shù)。Email: wuwei@iie.ac.cn

霍瑋 博士,副研究員。2010年在中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所獲得博士學(xué)位。主要研究方向?yàn)檐浖┒赐诰蚝桶踩u(píng)測(cè)、基于大數(shù)據(jù)的軟件安全分析、智能終端系統(tǒng)及應(yīng)用安全分析等。Email: huowei@iie. ac.cn

鄒維 研究員、博士生導(dǎo)師。現(xiàn)任中國(guó)科學(xué)院信息工程研究所副所長(zhǎng)。中國(guó)科學(xué)院“百人計(jì)劃”人選,中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)優(yōu)秀博士論文指導(dǎo)教師。研究領(lǐng)域包括網(wǎng)絡(luò)與軟件安全、攻防對(duì)抗理論與技術(shù)等。Email: zouwei@iie.ac.cn

TP 309.1 DOI號(hào) 10.19363/j.cnki.cn10-1380/tn.2016.04.005

霍瑋,博士,副研究員,Email: huowei@iie.ac.cn。

本課題得到中國(guó)科學(xué)院百人計(jì)劃[人字(2013)46號(hào)]、北京市科委重點(diǎn)項(xiàng)目課題“行業(yè)場(chǎng)景構(gòu)建與漏洞分析關(guān)鍵技術(shù)研究”(D161100001216001)和中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“重點(diǎn)行業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)信息安防關(guān)鍵技術(shù)研究”(XDA06010703)資助。

2016-06-15; 修改日期: 2016-08-03; 定稿日期: 2016-10-10