一種靜態(tài)分析輔助的符號執(zhí)行漏洞檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及軟件漏洞的識別和檢測，特別涉及一種基于靜態(tài)程序分析、對待檢測軟件進(jìn)行符號執(zhí)行實施軟件漏洞識別和檢測的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]軟件漏洞是一種程序錯誤，通過利用該錯誤，攻擊者可以潛在地違反受害者計算機系統(tǒng)的安全策略。隨著軟件規(guī)模的不斷增加與應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，軟件漏洞對人們生活與工作的危害也不斷增強。因此，如何高效地檢測并驗證軟件漏洞成為軟件開發(fā)與測試人員的關(guān)注焦點。符號執(zhí)行技術(shù)是常用的漏洞檢測技術(shù)，可以遍歷整個目標(biāo)程序并為每條程序路徑產(chǎn)生一個測試樣例以驗證路徑的可達(dá)性及安全性。但是，符號執(zhí)行會在漏洞無關(guān)的路徑上浪費大量的計算時間和資源，限制了漏洞檢測的效率。而且，在計算時間或者資源有限的情況下，對漏洞無關(guān)路徑的探索也會降低漏洞檢測的精度，使漏報率增加。
[0003]為此，本發(fā)明提出了一種靜態(tài)分析輔助的符號執(zhí)行漏洞檢測方法。首先，對目標(biāo)程序進(jìn)行快速、高效的靜態(tài)分析，獲得漏洞相關(guān)的程序控制流信息；之后，使用獲得的控制流信息輔助符號執(zhí)行漏洞檢測以降低符號執(zhí)行漏洞檢測的時間與空間開銷，提高漏洞檢測的效率。本發(fā)明通過將靜態(tài)程序分析與符號執(zhí)行技術(shù)相結(jié)合，提高了漏洞檢測效率與精度，在時間和資源有限的情況下，能夠檢測到更多的漏洞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的是，為了能夠高效快速地檢測并驗證軟件漏洞，提供了一種靜態(tài)分析輔助的符號執(zhí)行漏洞檢測方法。通過靜態(tài)分析快速獲得漏洞相關(guān)的控制流信息并對程序分支按照后續(xù)子程序中的漏洞相關(guān)路徑占總路徑的比例進(jìn)行打分；在之后符號執(zhí)行過程中，使用靜態(tài)分析得到的控制流信息將符號執(zhí)行過程約束在漏洞相關(guān)路徑上，并按照靜態(tài)分析得到的分支打分優(yōu)先分析漏洞相關(guān)路徑比例更高的程序分支。通過該方法減少浪費在漏洞無關(guān)路徑上的計算時間和資源，提高符號執(zhí)行漏洞檢測的效率，進(jìn)一步地，在時間和資源有限的情況下，檢測到更多的漏洞。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案:一種靜態(tài)分析輔助的符號執(zhí)行漏洞檢測方法，包括輕量級符號執(zhí)行、圖生成、靜態(tài)分析和符號執(zhí)行等階段；
[0006]I)輕量級符號執(zhí)行階段，使用KLEE符號執(zhí)行工具以簡單的符號化策略在很小的時間開銷下對目標(biāo)程序字節(jié)碼文件進(jìn)行符號執(zhí)行以獲得完成鏈接過程后的完整程序的字節(jié)碼；輕量級符號執(zhí)行過程使用符號執(zhí)行工具KLEE對目標(biāo)程序字節(jié)碼進(jìn)行符號執(zhí)行得到鏈接后的完整程序字節(jié)碼，符號化策略為:-sym-args I I 2，即I個長度為I個字節(jié)的符號作為程序輸入；
[0007]2)圖生成階段，在完整程序的字節(jié)碼的基礎(chǔ)上，通過使用LLVM 3.1工具集中的opt工具生成完整程序的函數(shù)調(diào)用圖與各個函數(shù)的控制流圖；生成的函數(shù)調(diào)用圖中包括兩類語句:函數(shù)描述語句與函數(shù)調(diào)用關(guān)系描述語句；函數(shù)描述語句中包括了函數(shù)調(diào)用圖中出現(xiàn)的所有函數(shù)的函數(shù)名與函數(shù)編號；函數(shù)調(diào)用關(guān)系描述語句則描述了所有函數(shù)之間的調(diào)用關(guān)系；函數(shù)的控制流圖中包含兩類語句:基本塊描述語句與基本塊間關(guān)系描述語句；基本塊描述語句描述了函數(shù)中每個基本塊的基本塊編號，基本塊標(biāo)簽和基本塊包含的指令，特別地，如果該基本塊的最后一條語句是條件分支指令，基本塊描述語句中還會包含跳轉(zhuǎn)到各個分支的條件取值；基本塊間關(guān)系描述語句則描述了所有基本塊之間的前驅(qū)與后繼關(guān)系;
[0008]3)靜態(tài)分析階段，以完整程序的函數(shù)調(diào)用圖、各個函數(shù)的控制流圖以及配置文件作為輸入，通過程序模塊預(yù)處理、敏感相關(guān)函數(shù)和敏感導(dǎo)向函數(shù)識別、有效跳轉(zhuǎn)收集與分支打分四個過程對程序進(jìn)行靜態(tài)分析，定位敏感函數(shù)位置，收集程序分支語句中能夠?qū)蛎舾胁僮鞯挠行D(zhuǎn)并以后續(xù)子程序中敏感操作相關(guān)路徑占總路徑的比例為標(biāo)準(zhǔn)對程序分支進(jìn)行打分，得到有效跳轉(zhuǎn)表與分支打分表；其中，函數(shù)識別過程包含兩個子過程:敏感相關(guān)函數(shù)識別與敏感導(dǎo)向函數(shù)識別；
[0009]4)符號執(zhí)行等階段，使用有效跳轉(zhuǎn)表與分支打分表輔助漏洞檢測符號執(zhí)行，輸入為目標(biāo)程序的字節(jié)碼文件、配置文件以及靜態(tài)分析階段得到的有效跳轉(zhuǎn)表和分支打分表；在具體實施中，符號執(zhí)行部分在KLEE符號執(zhí)行工具的基礎(chǔ)上在指令執(zhí)行過程中添加了靜態(tài)輔助方法并增加了基于后續(xù)子程序中敏感操作相關(guān)路徑比例的分支選擇過程；當(dāng)檢測到敏感操作時，使用約束求解器STP求解當(dāng)前執(zhí)行環(huán)境下敏感操作能否違反安全約束，如果有解，則表示該敏感操作是可利用的安全漏洞，返回對應(yīng)的測試樣例給用戶；
[0010]5)本方法的關(guān)鍵操作如下:
[0011](I)程序模塊預(yù)處理，通過分析目標(biāo)程序的函數(shù)調(diào)用圖和各個函數(shù)的控制流圖對靜態(tài)分析階段的程序模塊進(jìn)行預(yù)處理，為靜態(tài)分析中的后續(xù)過程提供分析的對象；
[0012](2)敏感相關(guān)函數(shù)識別，將所有包含敏感操作的函數(shù)標(biāo)記為敏感相關(guān)函數(shù)，并將所有調(diào)用敏感相關(guān)函數(shù)的函數(shù)標(biāo)記為敏感相關(guān)函數(shù)；
[0013](3)敏感導(dǎo)向函數(shù)識別，將所有在執(zhí)行完成返回后依然存在敏感操作或敏感相關(guān)函數(shù)調(diào)用操作的函數(shù)標(biāo)記為敏感導(dǎo)向函數(shù)；
[0014](4)有效跳轉(zhuǎn)收集，在敏感相關(guān)且非敏感導(dǎo)向的函數(shù)中收集能夠?qū)蛎舾胁僮鞯姆种l件取值到有效跳轉(zhuǎn)表中；
[0015](5)分支打分，按照后續(xù)子程序中敏感操作相關(guān)路徑占總路徑的比例對程序中的每個分支進(jìn)行打分，將分?jǐn)?shù)記錄在分支打分表中；
[0016](6)漏洞檢測符號執(zhí)行，使用有效跳轉(zhuǎn)和分支打分輔助符號執(zhí)行，探索敏感操作相關(guān)路徑檢測敏感操作是否能夠違反安全約束，并優(yōu)先探索敏感操作相關(guān)路徑比例高的程序分支；
[0017]6)在符號執(zhí)行工具KLEE的基礎(chǔ)上修改了指令執(zhí)行部分，添加了基于敏感操作相關(guān)路徑比例的分支選擇部分；在指令執(zhí)行部分，通過有效跳轉(zhuǎn)表將符號執(zhí)行過程限制在敏感操作相關(guān)路徑范圍內(nèi)，并對敏感操作按照配置文件中的安全約束進(jìn)行檢查，如果在執(zhí)行環(huán)境下敏感操作能夠違反安全約束，則表示該敏感操作是可利用的安全漏洞，返回對應(yīng)的測試樣例給用戶；在分支選擇部分，以分支打分表中各個分支的分?jǐn)?shù)為標(biāo)準(zhǔn)，選擇敏感操作相關(guān)路徑比例最高的分支作為下一次符號執(zhí)行路徑探索的目標(biāo)，進(jìn)一步加快探索敏感操作的速度。
[0018]程序模塊預(yù)處理流程:以完整程序的函數(shù)調(diào)用圖和控制流圖為輸入，預(yù)處理靜態(tài)分析中的程序模塊，靜態(tài)分析中后續(xù)的函數(shù)識別、有效跳轉(zhuǎn)收集和分支打分都是在程序模塊的基礎(chǔ)上分析得到的；使用程序模塊來表示當(dāng)前正在靜態(tài)分析的程序；程序模塊中包括如下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):函數(shù)鏈表，以鏈表的形式存儲了該程序模塊中所有函數(shù)的指針；敏感相關(guān)函數(shù)鏈表，以鏈表的形式存儲了程序模塊中所有被標(biāo)記為敏感相關(guān)的函數(shù)的指針；敏感導(dǎo)向函數(shù)鏈表，以鏈表的形式存儲了程序模塊中所有被標(biāo)記為敏感導(dǎo)向的函數(shù)的指針；有效跳轉(zhuǎn)表，以集合的形式存儲了函數(shù)模塊中的有效跳轉(zhuǎn)，集合中的元組〈funct1n, instruct1n, condit1n)表不指令 instruct1n 是函數(shù) funct1n 中的分支指令，且如果分支條件取值為condit1n就能夠?qū)蛎舾胁僮?；分支分?jǐn)?shù)表，以哈希表的形式存儲了程序模塊中分支的分?jǐn)?shù)，表中元組〈funct1n, instruct1n, score〉表示指令instruct1n是函數(shù)funct1n中某個基本塊的起始指令且以該指令為起始指令的分支分?jǐn)?shù)為score ;目標(biāo)操作集合，以集合的形式存儲檢測過程中的目標(biāo)操作；敏感操作及安全約束表，以哈希表的形式存儲用戶定義的敏感操作和每個敏感操作對應(yīng)的安全約束，如果在所處的執(zhí)行環(huán)境下敏感操作能夠違反安全約束，則該敏感操作被認(rèn)為是可觸發(fā)的程序漏洞；對于程序模塊中的函數(shù)，包含如下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):函數(shù)名；函數(shù)編號；調(diào)用者函數(shù)鏈表，以鏈表的形式存儲所有調(diào)用該函數(shù)的函數(shù)指針；調(diào)用函數(shù)鏈表，以鏈表的形式存儲所有被該函數(shù)調(diào)用的函數(shù)的指針；基本塊鏈表，以鏈表的形式存儲該函數(shù)中基本塊的指針；函數(shù)中的基本塊，包含如下的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):基本塊編號；基本塊標(biāo)簽；指令鏈表，以鏈表的形式存儲基本塊中的指令；前驅(qū)基本塊鏈表，以鏈表的形式存儲該基本塊所有前驅(qū)基本塊的指針；后繼基本塊鏈表，以鏈表的形式存儲該基本塊所有的后繼基本塊指針。
[0019]本發(fā)明的有益效果是，將靜態(tài)程序分析與符號執(zhí)行技術(shù)相結(jié)合，通過靜態(tài)程序分析，收集程序分支語句中能夠?qū)蛎舾胁僮飨嚓P(guān)路徑的條件取值，并依據(jù)后續(xù)程序中敏感操作相關(guān)路徑占總路徑的比例對程序分支進(jìn)行打分。后續(xù)的符號執(zhí)行過程在靜態(tài)分析結(jié)果的