專利名稱：一種二進(jìn)制程序漏洞的挖掘裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種軟件安全技術(shù)，確切地說(shuō)，涉及ー種融合遺傳算法與動(dòng)態(tài)污染跟蹤的ニ進(jìn)制程序漏洞的挖掘裝置和方法，屬于ニ進(jìn)制程序安全漏洞檢測(cè)的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，在軟件安全研究領(lǐng)域中，經(jīng)常會(huì)對(duì)ニ進(jìn)制程序進(jìn)行安全分析，在安全分析過(guò)程中的ー個(gè)重要問(wèn)題是如 何快速生成有針對(duì)性的測(cè)試用例，用于觸發(fā)ニ進(jìn)制程序中可能存在的安全漏洞。現(xiàn)在，工程產(chǎn)業(yè)界普遍采用的方法是模糊測(cè)試Fuzz Testing(又稱為隨機(jī)數(shù)黑盒暴力測(cè)試法)。Fuzz Testing能夠自動(dòng)產(chǎn)生測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，適用范圍廣；但是，生成測(cè)試輸入文件的路徑覆蓋率較低，且生成的測(cè)試用例多指向同一路徑，在測(cè)試輸入文件的生成過(guò)程中缺乏引導(dǎo)性，效率低，缺少測(cè)試輸入文件和程序異常之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，對(duì)人工的依賴較大，實(shí)施過(guò)程中的不確定因素也較多。目前的ニ進(jìn)制程序漏洞挖掘或檢測(cè)技術(shù)可以分為兩類靜態(tài)和動(dòng)態(tài)，其中動(dòng)態(tài)方法是首先對(duì)ニ進(jìn)制程序的輸入文件進(jìn)行變異，然后加載該輸入文件，并通過(guò)監(jiān)控被測(cè)試ニ進(jìn)制程序的執(zhí)行過(guò)程來(lái)檢測(cè)該輸入文件是否會(huì)導(dǎo)致被測(cè)試ニ進(jìn)制程序的崩潰。動(dòng)態(tài)方法大都基于符號(hào)執(zhí)行技術(shù)與約束求解技木，因此，導(dǎo)致ニ進(jìn)制程序漏洞檢測(cè)的效率依賴于符號(hào)執(zhí)行技術(shù)的精確度和約束求解器的求解能力。如果被測(cè)試的ニ進(jìn)制程序含有復(fù)雜的條件分支和深度嵌套的循環(huán)，則由輸入文件導(dǎo)致的ニ進(jìn)制程序的執(zhí)行路徑會(huì)非常長(zhǎng)。為了避免由符號(hào)執(zhí)行和約束求解技術(shù)帶來(lái)昂貴的計(jì)算代價(jià)，基于符號(hào)執(zhí)行和約束求解的漏洞挖掘技術(shù)通常僅遍歷循環(huán)內(nèi)部的分支一次，或者把循環(huán)展開設(shè)定的次數(shù)(通常只展開一次)。這種為了節(jié)約計(jì)算上的代價(jià)而盲目截?cái)嘌h(huán)的結(jié)果，是很可能漏掉ー些重要的路徑，而這些路徑上就很可能包含潛在的安全漏洞。靜態(tài)方法不運(yùn)行被測(cè)試ニ進(jìn)制程序，因此不能獲取關(guān)于ニ進(jìn)制程序運(yùn)行過(guò)程中的相關(guān)信息，由此導(dǎo)致大多數(shù)的ニ進(jìn)制程序的靜態(tài)分析方法誤報(bào)率較高，如Splint有將近50%的誤報(bào)率，F(xiàn)lawfinder和RATS也都有較高的誤報(bào)率。隨著軟件規(guī)模的増加，軟件中的條件分支和循環(huán)的數(shù)目也呈現(xiàn)出不可避免的增長(zhǎng)趨勢(shì)。ニ進(jìn)制程序中的復(fù)雜的條件分支和深度嵌套的循環(huán)導(dǎo)致了嚴(yán)重的路徑爆炸問(wèn)題。而且，程序的輸入空間非常大，而能夠被惡意用戶控制的空間又非常小。上述這些原因都?jí)埣恿衰诉M(jìn)制程序漏洞挖掘的難度。綜合上述，目前，主流的靜態(tài)分析技術(shù)和動(dòng)態(tài)分析技術(shù)存在下述問(wèn)題(I)基于符號(hào)執(zhí)行與約束求解的動(dòng)態(tài)的ニ進(jìn)制程序漏洞挖掘技術(shù)面臨昂貴的計(jì)算代價(jià)。(2)基于符號(hào)執(zhí)行與約束求解的動(dòng)態(tài)的ニ進(jìn)制程序漏洞挖掘技術(shù)在搜集ニ進(jìn)制程序執(zhí)行路徑的約束條件時(shí)存在不完備性問(wèn)題，而且，目前的約束求解器很難對(duì)復(fù)雜的非線性約束條件求解獲得其精確解。(3)基于符號(hào)執(zhí)行與約束求解的動(dòng)態(tài)的ニ進(jìn)制程序漏洞挖掘技木通常會(huì)盲目地截?cái)嘌h(huán)，從而很容易漏掉一些可能包含漏洞的程序路徑。(4)基于Fuzzing的動(dòng)態(tài)測(cè)試自動(dòng)生成的測(cè)試用例具有盲目性，生成的大量測(cè)試用例都指向同一路徑，缺乏指導(dǎo)性，其觸發(fā)二進(jìn)制程序中潛在的安全漏洞的效率低。(5)靜態(tài)分析的效率較高，且其分析屬于路徑敏感的。但是，其理論上存在較高的漏報(bào)率和 誤報(bào)率，難于準(zhǔn)確定位漏洞。而且，靜態(tài)分析大多需要在源代碼基礎(chǔ)上進(jìn)行分析，針對(duì)二進(jìn)制程序的靜態(tài)符號(hào)執(zhí)行技術(shù)也比較復(fù)雜，計(jì)算代價(jià)昂貴。因此，如何融合靜態(tài)分析技術(shù)與動(dòng)態(tài)分析技術(shù)的兩者優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的二進(jìn)制程序漏洞挖掘，并提高二進(jìn)制程序漏洞的挖掘效率，已經(jīng)成為目前軟件安全領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)重要的研究課題。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種融合遺傳算法與動(dòng)態(tài)污染跟蹤的二進(jìn)制程序漏洞挖掘的裝置與方法，本發(fā)明利用遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)來(lái)指導(dǎo)測(cè)試用例的生成，同時(shí)利用動(dòng)態(tài)污染跟蹤模塊來(lái)縮小遺傳算法的搜索空間，加快遺傳算法的收斂速度，從而提高二進(jìn)制程序漏洞挖掘的效率和精確度。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種融合遺傳算法與動(dòng)態(tài)污染跟蹤的二進(jìn)制程序漏洞的挖掘裝置，其特征在于所述裝置設(shè)有順序連接的靜態(tài)分析模塊、調(diào)試器模塊、遺傳算法模塊、測(cè)試輸入生成模塊和異常監(jiān)控模塊，以及位于調(diào)試器模塊、遺傳算法模塊之間的動(dòng)態(tài)污染跟蹤模塊；其中靜態(tài)分析模塊，基于交互式反匯編器專業(yè)版IDAPro (Interactive DisassemblerProfessional)開發(fā)實(shí)現(xiàn)的該模塊用于提取被測(cè)試的二進(jìn)制程序中的控制流結(jié)構(gòu)、基本塊的起始地址和危險(xiǎn)函數(shù)的調(diào)用地址，并將這些信息傳送給調(diào)試器模塊作為配置信息；即該模塊通過(guò)分析二進(jìn)制程序中的跳轉(zhuǎn)指令，獲取二進(jìn)制程序基本塊的起始地址和基本塊之間的跳轉(zhuǎn)關(guān)系；然后利用IDAPix)提供的庫(kù)函數(shù)獲取二進(jìn)制程序中的危險(xiǎn)函數(shù)的調(diào)用地址；調(diào)試器模塊，作為該裝置的基礎(chǔ)平臺(tái)，用于監(jiān)控被測(cè)試二進(jìn)制程序的執(zhí)行過(guò)程，并記錄相關(guān)信息根據(jù)靜態(tài)分析模塊提供的配置信息，識(shí)別和攔截Windows底層的應(yīng)用程序編程接口 API (Application Programming Interface)函數(shù),獲取被測(cè)試二進(jìn)制程序打開輸入文件的位置和記錄由輸入文件導(dǎo)致的被測(cè)試二進(jìn)制程序執(zhí)行過(guò)的基本塊、輸入文件對(duì)應(yīng)的被測(cè)試二進(jìn)制程序的執(zhí)行軌跡及該被測(cè)試二進(jìn)制程序中危險(xiǎn)函數(shù)的執(zhí)行次數(shù)；讀取二進(jìn)制程序中寄存器和堆棧內(nèi)的數(shù)據(jù)，計(jì)算并更新二進(jìn)制程序中的寄存器變量和內(nèi)存變量的數(shù)值；實(shí)現(xiàn)對(duì)給定的內(nèi)存地址對(duì)被測(cè)試二進(jìn)制程序下斷點(diǎn)的功能；然后調(diào)試器模塊將上述計(jì)算獲取的信息傳送給遺傳算法模塊，用于計(jì)算輸入文件對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)值；動(dòng)態(tài)污染跟蹤模塊，用于實(shí)現(xiàn)單字節(jié)水平細(xì)粒度的動(dòng)態(tài)污染跟蹤，識(shí)別被測(cè)試二進(jìn)制程序?qū)?yīng)的輸入文件中的關(guān)鍵字節(jié)，并將該關(guān)鍵字節(jié)作為遺傳算法模塊交叉和變異的空間，提高遺傳算法的收斂速度該模塊為被測(cè)試二進(jìn)制程序的輸入數(shù)據(jù)中每個(gè)字節(jié)都賦予一個(gè)唯一標(biāo)簽，再跟蹤該標(biāo)簽在被測(cè)試二進(jìn)制程序中的傳遞過(guò)程；且在跟蹤輸入數(shù)據(jù)傳遞過(guò)程中，既考慮數(shù)據(jù)間的傳遞依賴關(guān)系，也考慮不同變量間的控制依賴關(guān)系；同時(shí)識(shí)別被測(cè)試二進(jìn)制程序?qū)?yīng)的輸入文件中的關(guān)鍵字節(jié)，并把關(guān)鍵字節(jié)信息提供給遺傳算法模塊，用作遺傳算法模塊的交叉和變異的空間；
遺傳算法模塊，負(fù)責(zé)根據(jù)調(diào)試器模塊提供的包括每個(gè)輸入文件所覆蓋被測(cè)試ニ進(jìn)制程序的基本塊與其對(duì)應(yīng)的ニ進(jìn)制程序執(zhí)行軌跡和其中危險(xiǎn)函數(shù)的執(zhí)行次數(shù)，以及動(dòng)態(tài)污染跟蹤模塊識(shí)別出來(lái)的關(guān)鍵字節(jié)，計(jì)算每個(gè)輸入文件對(duì)應(yīng)的被測(cè)試ニ進(jìn)制程序的基本塊覆蓋率、最小執(zhí)行路徑信息和該輸入文件對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)函數(shù)的執(zhí)行次數(shù)，然后計(jì)算每個(gè)輸入文件對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)值，并將該適應(yīng)度函數(shù)值傳遞給測(cè)試輸入生成模塊，用于生成新的輸入文件而進(jìn)行下一輪測(cè)試；而且，如果輸入文件對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)值較高，則輸入文件可能導(dǎo)致被測(cè)試ニ進(jìn)制程序覆蓋的基本塊較多、導(dǎo)致被測(cè)試ニ進(jìn)制程序的執(zhí)行路徑為“稀少路徑”或?qū)е卤粶y(cè)試ニ進(jìn)制程序執(zhí)行的危險(xiǎn)函數(shù)次數(shù)較多；當(dāng)輸入文件的上述三個(gè)數(shù)值都較高時(shí)，該輸入文件就非常可能觸發(fā)其對(duì)應(yīng)的被測(cè)試ニ進(jìn)制程序潛在的安全漏洞；測(cè)試輸入生成模塊，負(fù)責(zé)根據(jù)來(lái)自遺傳算法模塊的每個(gè)輸入文件對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)值的大小對(duì)被測(cè)試ニ進(jìn)制程序的輸入文件進(jìn)行排序，然后根據(jù)用戶設(shè)置的規(guī)模，選擇適應(yīng)度函數(shù)值高的輸入文件送至調(diào)試器模塊進(jìn)行下一輪測(cè)試，因適應(yīng)度函數(shù)值高的輸入文件更容易觸發(fā)被測(cè)試ニ進(jìn)制程序潛在的安全漏洞；異常監(jiān)控模塊，用于監(jiān)控每個(gè)輸入文件中的被測(cè)試ニ進(jìn)制程序的執(zhí)行過(guò)程，若出現(xiàn)異常，則記錄導(dǎo)致該被測(cè)試ニ進(jìn)制程序出現(xiàn)異常的輸入文件，并記錄異常在被測(cè)試ニ進(jìn)制程序中的出現(xiàn)位置、異常類型和異常出現(xiàn)的上下文信息。所述危險(xiǎn)函數(shù)是包括內(nèi)存分配、內(nèi)存拷貝、字符串和ー些含有格式化參數(shù)的多種函數(shù)；所述關(guān)鍵字節(jié)是在輸入文件中污染被測(cè)試ニ進(jìn)制程序中危險(xiǎn)函數(shù)的參數(shù)值的字節(jié)，也被稱為該被測(cè)試的ニ進(jìn)制程序所對(duì)應(yīng)的輸入文件中的關(guān)鍵字節(jié)。所述遺傳算法模塊中的適應(yīng)度函數(shù)的計(jì)算公式是Fitness (X) = W1Xbbc^W2X Icovx+w3 XrIndex X Iog(Dx),式中，變量x為輸入文件，bbcx、Icovx和Dx分別為該輸入文件X對(duì)應(yīng)的被測(cè)試ニ進(jìn)制程序的基本塊覆蓋率、最小執(zhí)行路徑信息和危險(xiǎn)函數(shù)的執(zhí)行次數(shù)，其中，bbcx用于使遺傳算法模塊生成新的被測(cè)試的輸入文件導(dǎo)致被測(cè)試ニ進(jìn)制程序覆蓋更多的基本塊，Icovx用于使得遺傳算法模塊生成新的被測(cè)試的輸入文件所產(chǎn)生的執(zhí)行路徑盡可能不同，實(shí)現(xiàn)路徑覆蓋最大化，Dx用于使得遺傳算法模塊生成新的被測(cè)試的輸入文件導(dǎo)致被測(cè)試ニ進(jìn)制程序執(zhí)行較多次數(shù)的危險(xiǎn)函數(shù)；Wl，w2，W3分別為上述bbcx、Icovx和Dx三個(gè)因素的權(quán)重，其取值范圍都是
, rlndex為取值范圍是
的調(diào)解系數(shù)。所述遺傳算法模塊執(zhí)行的交叉和變異的遺傳操作對(duì)象只是被測(cè)試ニ進(jìn)制程序?qū)?yīng)的輸入文件中的關(guān)鍵字節(jié)，并不是整個(gè)輸入文件，以便縮小遺傳算法交叉和變異的空間，提高遺傳算法的收斂速度，進(jìn)而提高ニ進(jìn)制程序漏洞挖掘的效率。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明還提供了一種采用融合遺傳算法與動(dòng)態(tài)污染跟蹤的ニ進(jìn)制程序漏洞的挖掘裝置的檢測(cè)方法，其特征在于，所述方法融合了靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析兩者優(yōu)點(diǎn)，使得人們只關(guān)注于感興趣的程序代碼并進(jìn)行后續(xù)分析；該方法包括下列操作步驟(I)根據(jù)被測(cè)試ニ進(jìn)制程序類型，用戶事先準(zhǔn)備ー份標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試文件井隨機(jī)修改 其中的若干字節(jié)生成輸入文件，且由用戶控制該輸入文件的規(guī)模大??；(2)靜態(tài)分析模塊對(duì)輸入文件中的被測(cè)試ニ進(jìn)制程序進(jìn)行靜態(tài)分析，獲取被測(cè)試ニ進(jìn)制程序基本塊的起始地址、基本塊之間的跳轉(zhuǎn)信息和危險(xiǎn)函數(shù)的調(diào)用地址；再將這些信息將作為配置信息傳遞至調(diào)試器模塊；
(3)調(diào)試器模塊對(duì)來(lái)自靜態(tài)分析模塊的配置信息計(jì)算每個(gè)輸入文件對(duì)應(yīng)的被測(cè)試二進(jìn)制程序的基本塊覆蓋率、最小執(zhí)行路徑信息和危險(xiǎn)函數(shù)的執(zhí)行次數(shù)；(4)為縮小遺傳算法的交叉和變異空間，動(dòng)態(tài)污染跟蹤模塊識(shí)別被測(cè)試二進(jìn)制程序?qū)?yīng)的輸入文件中的關(guān)鍵字節(jié)，并把這些關(guān)鍵字節(jié)按照每個(gè)關(guān)鍵字節(jié)相對(duì)于輸入文件頭的各自偏移地址寫入于一個(gè)數(shù)組后，再送至遺傳算法模塊；以供遺傳算法模塊針對(duì)該數(shù)組進(jìn)行交叉和變異；然后把交叉和變異后的數(shù)組按照每個(gè)字節(jié)相對(duì)于輸入文件頭的偏移地址寫入輸入文件中，作為遺傳算法交叉和變異后生成的新的被測(cè)試的輸入文件，以便縮小遺傳算法的搜索空間，加快遺傳算 法的收斂速度，提高二進(jìn)制程序漏洞的挖掘效率；(5)遺傳算法模塊根據(jù)從調(diào)試器模塊獲取的每個(gè)輸入文件對(duì)應(yīng)的基本塊覆蓋率、最小執(zhí)行路徑信息和危險(xiǎn)函數(shù)的執(zhí)行次數(shù)，以及由動(dòng)態(tài)污染跟蹤識(shí)別的關(guān)鍵字節(jié)，計(jì)算每個(gè)輸入文件所對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)值；以便使用適應(yīng)度函數(shù)指導(dǎo)被測(cè)試輸入文件的生成，避免動(dòng)態(tài)測(cè)試方法生成被測(cè)試文件的盲目性；(6)測(cè)試輸入生成模塊對(duì)每個(gè)輸入文件按照其適應(yīng)度函數(shù)值的大小進(jìn)行排序，并按照用戶設(shè)置的規(guī)模選取適應(yīng)度函數(shù)值高的輸入文件送至調(diào)試器模塊進(jìn)行下一輪的測(cè)試；(7)異常監(jiān)控模塊加載被測(cè)試二進(jìn)制程序和來(lái)自步驟(6)的輸入文件后，監(jiān)控被測(cè)試二進(jìn)制程序打開每個(gè)輸入文件后的執(zhí)行過(guò)程，如果被測(cè)試二進(jìn)制程序出現(xiàn)異常，則記錄導(dǎo)致被測(cè)試二進(jìn)制程序出現(xiàn)異常的輸入文件，以及該異常在被測(cè)試二進(jìn)制程序中的出現(xiàn)位置、異常類型和異常位置的上下文信息。所屬步驟(4)中，動(dòng)態(tài)污染跟蹤模塊首先執(zhí)行的初始化操作包括下述內(nèi)容(41)對(duì)被測(cè)試的二進(jìn)制程序執(zhí)行初始化操作使用線程同步鎖，以保證每個(gè)線程在訪問(wèn)某個(gè)資源時(shí)，確保在同一時(shí)刻其他線程不能夠訪問(wèn)該資源，并保證污點(diǎn)跟蹤時(shí)實(shí)現(xiàn)讀寫的同步；(42)注冊(cè)系統(tǒng)回調(diào)函數(shù)，使用能對(duì)二進(jìn)制程序進(jìn)行動(dòng)態(tài)插樁的工具Pin的Hook鉤子機(jī)制來(lái)捕獲與過(guò)濾與輸入文件相關(guān)的系統(tǒng)API的輸入?yún)?shù)與返回結(jié)果，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)試二進(jìn)制程序動(dòng)態(tài)初始化的輸入監(jiān)控；(43)遍歷被測(cè)試的二進(jìn)制程序的導(dǎo)出表和加載的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的導(dǎo)出表，通過(guò)自定義的“危險(xiǎn)函數(shù)輔助規(guī)則”，在被測(cè)試二進(jìn)制程序調(diào)用的危險(xiǎn)函數(shù)入口處與結(jié)束處插入監(jiān)視代碼。所屬步驟(4)中，動(dòng)態(tài)污染跟蹤模塊在完成初始化后執(zhí)行的操作內(nèi)容是利用Pin的例程插樁能力來(lái)掛鉤Windows的系統(tǒng)函數(shù)，并抽取其中內(nèi)存位置和讀入內(nèi)存中的字節(jié)數(shù)，作為被測(cè)試二進(jìn)制程序的污染源；然后，從被測(cè)試二進(jìn)制程序入口地址開始以基本塊為單位讀取指令；當(dāng)監(jiān)測(cè)到被測(cè)試二進(jìn)制程序打開輸入文件時(shí)，開始執(zhí)行動(dòng)態(tài)跟蹤污染每次加載新的指令塊時(shí)，首先監(jiān)測(cè)被測(cè)試二進(jìn)制程序是否動(dòng)態(tài)加載新的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，如果是，則遍歷新的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的導(dǎo)出表，再與危險(xiǎn)函數(shù)掛鉤和插入監(jiān)測(cè)代碼，以保證動(dòng)態(tài)跟蹤的時(shí)效，有效避免靜態(tài)分析時(shí)只能針對(duì)單個(gè)輸入文件的局限性；如果否，則繼續(xù)加載新的指令塊并執(zhí)行相應(yīng)操作。因x86的指令結(jié)構(gòu)涉及的操作數(shù)都是32位，所述動(dòng)態(tài)污染跟蹤模塊的監(jiān)測(cè)對(duì)象是基于32位的操作系統(tǒng)；且為了防止在實(shí)際測(cè)試中擴(kuò)大污染數(shù)據(jù)和嚴(yán)重影響動(dòng)態(tài)污染跟蹤模塊的工作精度，動(dòng)態(tài)污染跟蹤模塊跟蹤污染的精確度定位為Byte級(jí)，即每8個(gè)Bit為ー個(gè)污染単元，并將所有標(biāo)志寄存器按其實(shí)際作用重新単獨(dú)定義。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較的創(chuàng)新優(yōu)勢(shì)在于
本發(fā)明利用遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)來(lái)指導(dǎo)生成測(cè)試輸入文件，并在構(gòu)造適應(yīng)度函數(shù)的過(guò)程中，考慮了被測(cè)試ニ進(jìn)制程序的基本塊覆蓋率、最小執(zhí)行路徑信息和危險(xiǎn)函數(shù)的執(zhí)行次數(shù)等相關(guān)信息，使用適應(yīng)度函數(shù)引導(dǎo)測(cè)試輸入文件的生成，避免了傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)生成測(cè)試輸入文件的盲目性。本發(fā)明在構(gòu)造適應(yīng)度函數(shù)的過(guò)程中，考慮了被測(cè)試ニ進(jìn)制程序的最小執(zhí)行路徑信息，使毎次生成的測(cè)試輸入文件盡可能地執(zhí)行不同的路徑，以使測(cè)試輸入文件覆蓋的路徑盡可能最大化。本發(fā)明利用動(dòng)態(tài)污染跟蹤來(lái)識(shí)別被測(cè)試ニ進(jìn)制程序?qū)?yīng)的輸入文件中的關(guān)鍵字節(jié)，用作遺傳算法交叉和變異的空間，以縮小遺傳算法的運(yùn)行空間，加快遺傳算法生成針對(duì)性測(cè)試輸入文件的速度，提高了ニ進(jìn)制程序漏洞挖掘的效率。本發(fā)明融合ニ進(jìn)制程序靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析的兩者優(yōu)點(diǎn)，主要采用動(dòng)態(tài)方法生成測(cè)試輸入文件，同時(shí)又利用靜態(tài)分析方法提取被測(cè)試ニ進(jìn)制程序的相關(guān)信息，又利用遺傳算法模塊對(duì)獲取的有關(guān)被測(cè)試ニ進(jìn)制程序的相關(guān)信息進(jìn)行靜態(tài)分析和計(jì)算每個(gè)測(cè)試輸入文件對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)值，然后使用適應(yīng)度函數(shù)值來(lái)引導(dǎo)生成測(cè)試輸入文件，避免動(dòng)態(tài)生成測(cè)試輸入文件的盲目性，使得生成的測(cè)試輸入文件具有較強(qiáng)的針對(duì)性，能夠快速觸發(fā)被測(cè)試ニ進(jìn)制程序中潛在的漏洞，因此，本發(fā)明具有很好的推廣應(yīng)用前景。


圖I是本發(fā)明融合遺傳算法與動(dòng)態(tài)污染跟蹤的ニ進(jìn)制程序漏洞挖掘的裝置的結(jié)構(gòu)組成與其操作流程方框圖。圖2是本發(fā)明裝置的遺傳算法模塊對(duì)識(shí)別出的關(guān)鍵字節(jié)操作示意圖。圖3是本發(fā)明裝置的遺傳算法模塊的交叉和變異操作示意圖。圖4是本發(fā)明裝置中的動(dòng)態(tài)污染跟蹤模塊的操作流程方框圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步的詳細(xì)描述。參見圖1，先介紹本發(fā)明融合遺傳算法與動(dòng)態(tài)污染跟蹤的ニ進(jìn)制程序漏洞挖掘的裝置的結(jié)構(gòu)組成該裝置設(shè)有順序連接的靜態(tài)分析模塊、調(diào)試器模塊、遺傳算法模塊、測(cè)試輸入生成模塊和異常監(jiān)控模塊，以及位于調(diào)試器模塊、遺傳算法模塊之間的動(dòng)態(tài)污染跟蹤模塊；其中靜態(tài)分析模塊，該模塊是基于交互式反匯編器專業(yè)版IDAPro(InteractiveDisassembler Professional)開發(fā)實(shí)現(xiàn)的,用于提取被測(cè)試ニ進(jìn)制程序中的控制流結(jié)構(gòu)、基本塊信息和危險(xiǎn)函數(shù)的調(diào)用地址；該模塊通過(guò)分析ニ進(jìn)制程序中的跳轉(zhuǎn)指令，獲取ニ進(jìn)制程序的基本塊和控制流結(jié)構(gòu)，再利用IDAPiX)提供的庫(kù)函數(shù)獲取ニ進(jìn)制程序中的危險(xiǎn)函數(shù)的調(diào)用地址，并將這些信息傳送給調(diào)試器模塊作為配置信息。
調(diào)試器模塊，作為該裝置的基礎(chǔ)平臺(tái)，用于監(jiān)控被測(cè)試二進(jìn)制程序的執(zhí)行過(guò)程，并記錄相關(guān)執(zhí)行信息；該模塊主要功能包括根據(jù)靜態(tài)分析模塊提供的配置信息，識(shí)別和攔截Windows 底層的應(yīng)用程序編程接口 API (Application Programming Interface)函數(shù)，獲取被測(cè)試二進(jìn)制程序打開輸入文件的位置；并記錄由輸入文件導(dǎo)致的被測(cè)試二進(jìn)制程序執(zhí)行過(guò)的基本塊、輸入文件對(duì)應(yīng)的被測(cè)試二進(jìn)制程序的執(zhí)行軌跡及該被測(cè)試二進(jìn)制程序中危險(xiǎn)函數(shù)的執(zhí)行次數(shù)；讀取二進(jìn)制程序中寄存器和堆棧內(nèi)的數(shù)據(jù)，計(jì)算并更新二進(jìn)制程序中的寄存器變量和內(nèi)存變量的數(shù)值；實(shí)現(xiàn)對(duì)給定的內(nèi)存地址對(duì)被測(cè)試二進(jìn)制程序下斷點(diǎn)的功能；然后調(diào)試器模塊將上述計(jì)算獲取的信息傳送給遺傳算法模塊，用于計(jì)算輸入文件對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)值。動(dòng)態(tài)污染跟蹤模塊，用于實(shí)現(xiàn)單字節(jié)水平細(xì)粒度的動(dòng)態(tài)污染跟蹤，識(shí)別被測(cè)試二進(jìn)制程序?qū)?yīng)的輸入文件中的關(guān)鍵字節(jié)，并將該關(guān)鍵字節(jié)作為遺傳算法模塊交叉和變異的空間，提高遺傳算法的收斂速度該模塊為被測(cè)試二進(jìn)制程序的輸入數(shù)據(jù)中每個(gè)字節(jié)都賦予一個(gè)唯一標(biāo)簽，再跟蹤該標(biāo)簽在被測(cè)試二進(jìn)制程序中的傳遞過(guò)程；且在跟蹤輸入數(shù)據(jù)傳遞過(guò)程中，既考慮數(shù)據(jù)間的傳遞依賴關(guān)系，也考慮不同變量間的控制依賴關(guān)系；同時(shí)識(shí)別被測(cè)試二進(jìn)制程序?qū)?yīng)的輸入文件中的關(guān)鍵字節(jié)(所謂關(guān)鍵字節(jié)是在輸入文件中污染被測(cè)試二進(jìn)制程序中危險(xiǎn)函數(shù)的參數(shù)值的字節(jié)，而危險(xiǎn)函數(shù)是包括內(nèi)存分配、內(nèi)存拷貝、字符串和一些含有格式化參數(shù)的多種函數(shù))，并把關(guān)鍵字節(jié)信息提供給遺傳算法模塊，用作遺傳算法模塊的交叉和變異的空間。遺傳算法模塊，負(fù)責(zé)根據(jù)調(diào)試器模塊提供的包括每個(gè)輸入文件所覆蓋被測(cè)試二進(jìn)制程序的基本塊與其對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制程序執(zhí)行軌跡和其中危險(xiǎn)函數(shù)的執(zhí)行次數(shù)，以及動(dòng)態(tài)污染跟蹤模塊識(shí)別出來(lái)的關(guān)鍵字節(jié)，計(jì)算每個(gè)輸入文件對(duì)應(yīng)的被測(cè)試二進(jìn)制程序的基本塊覆蓋率、最小執(zhí)行路徑信息和該輸入文件對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)函數(shù)的執(zhí)行次數(shù)，然后計(jì)算每個(gè)輸入文件對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)值，并將該適應(yīng)度函數(shù)值傳遞給測(cè)試輸入生成模塊，用于生成新的輸入文件而進(jìn)行下一輪測(cè)試；而且，如果輸入文件對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)值較高，則輸入文件可能導(dǎo)致被測(cè)試二進(jìn)制程序覆蓋的基本塊較多、導(dǎo)致被測(cè)試二進(jìn)制程序的執(zhí)行路徑為“稀少路徑”或?qū)е卤粶y(cè)試二進(jìn)制程序執(zhí)行的危險(xiǎn)函數(shù)次數(shù)較多；當(dāng)輸入文件的上述三個(gè)數(shù)值都較高時(shí)，該輸入文件就非?？赡苡|發(fā)其對(duì)應(yīng)的被測(cè)試二進(jìn)制程序潛在的安全漏洞；所述遺傳算法模塊執(zhí)行的交叉和變異的遺傳操作對(duì)象只是被測(cè)試二進(jìn)制程序?qū)?yīng)的輸入文件中的關(guān)鍵字節(jié)，并不是整個(gè)輸入文件，以便縮小遺傳算法交叉和變異的空間，提高遺傳算法的收斂速度，進(jìn)而提高二進(jìn)制程序漏洞挖掘的效率。該遺傳算法模塊中的適應(yīng)度函數(shù)的計(jì)算公式是Fitness (x) = W1Xbbcx+w2X lcovx+w3XrlndexX log(Dx)，式中，變量 x 為輸入文件，bbcx、Icovx和Dx分別為該輸入文件X對(duì)應(yīng)的被測(cè)試二進(jìn)制程序的基本塊覆蓋率、最小執(zhí)行路徑信息和危險(xiǎn)函數(shù)的執(zhí)行次數(shù)，其中，bbcx用于使遺傳算法模塊生成新的被測(cè)試的輸入文件導(dǎo)致被測(cè)試二進(jìn)制程序覆蓋更多的基本塊，Icovx用于使得遺傳算法模塊生成新的被測(cè)試的輸入文件所產(chǎn)生的執(zhí)行路徑盡可能不同，實(shí)現(xiàn)路徑覆蓋最大化，Dx用于使得遺傳算法模塊生成新的被測(cè)試的輸入文件導(dǎo)致被測(cè)試二進(jìn)制程序執(zhí)行較多次數(shù)的危險(xiǎn)函數(shù);W1,W2,W3分別為上述bbcx、Icovx和Dx三個(gè)因素的權(quán)重,其取值范圍都是[O, I] ,rlndex為取值范圍是
的調(diào)解系數(shù)。 測(cè)試輸入生成模塊，負(fù)責(zé)根據(jù)來(lái)自遺傳算法模塊的每個(gè)輸入文件對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)值的大小對(duì)被測(cè)試二進(jìn)制程序的輸入文件進(jìn)行排序，然后根據(jù)用戶設(shè)置的規(guī)模，選擇適應(yīng)度函數(shù)值高的輸入文件送至調(diào)試器模塊進(jìn)行下一輪測(cè)試，因適應(yīng)度函數(shù)值高的輸入文件更容易觸發(fā)被測(cè)試二進(jìn)制程序潛在的安全漏洞。異常監(jiān)控模塊，用于監(jiān)控每個(gè)輸入文件中的被測(cè)試二進(jìn)制程序的執(zhí)行過(guò)程，若出現(xiàn)異常，則記錄導(dǎo)致該被測(cè)試二進(jìn)制程序出現(xiàn)異常的輸入文件，并記錄異常在被測(cè)試二進(jìn)制程序中的出現(xiàn)位置、異常類型和異常出現(xiàn)的上下文信息。本發(fā)明還提供融合遺傳算法與動(dòng)態(tài)污染跟蹤的二進(jìn)制程序漏洞的挖掘裝置檢測(cè)二進(jìn)制程序的漏洞的挖掘方法，是融合遺傳算法與動(dòng)態(tài)污染跟蹤分析方法兩者優(yōu)點(diǎn)為避免動(dòng)態(tài)測(cè)試方法盲目生成測(cè)試數(shù)據(jù)，使用遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)指導(dǎo)生成測(cè)試用例，同時(shí)為了縮小遺傳算法交叉和變異的空間，使用動(dòng)態(tài)污染跟蹤模塊識(shí)別出測(cè)試輸入文件中的關(guān)鍵字節(jié)，并把關(guān)鍵字節(jié)信息按照關(guān)鍵字節(jié)相對(duì)于輸入文件頭的偏移地址寫入到一個(gè)數(shù)組中；由遺傳算法模塊針對(duì)該數(shù)組進(jìn)行交叉和變異，使得人們只關(guān)注于感興趣的程序代碼并進(jìn)行后續(xù)分析，從而縮小遺傳算法的搜索空間，加快遺傳算法的收斂速度，提高被測(cè)試二進(jìn)制程序漏洞挖掘的效率。該方法的操作步驟如下本發(fā)明還提供了一種采用融合遺傳算法與動(dòng)態(tài)污染跟蹤的二進(jìn)制程序的漏洞挖掘裝置的檢測(cè)方法該方法融合了漏洞挖掘技術(shù)的靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析的兩者優(yōu)點(diǎn)，使得人們只需關(guān)注于其感興趣的程序代碼，并作進(jìn)一步的分析。該方法包括下列操作步驟步驟1，根據(jù)被測(cè)試二進(jìn)制程序類型，用戶事先準(zhǔn)備一份標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試文件并隨機(jī)修改其中的若干字節(jié)生成輸入文件，且由用戶控制該輸入文件的規(guī)模大小。步驟2，靜態(tài)分析模塊對(duì)輸入文件中的被測(cè)試二進(jìn)制程序進(jìn)行靜態(tài)分析，獲取被測(cè)試二進(jìn)制程序基本塊的起始地址、基本塊之間的跳轉(zhuǎn)信息和危險(xiǎn)函數(shù)的調(diào)用地址；再將這些信息將作為配置信息傳遞至調(diào)試器模塊。步驟3，調(diào)試器模塊對(duì)從靜態(tài)分析模塊來(lái)的配置信息計(jì)算每個(gè)輸入文件對(duì)應(yīng)的被測(cè)試二進(jìn)制程序的基本塊覆蓋率、最小執(zhí)行路徑信息和危險(xiǎn)函數(shù)的執(zhí)行次數(shù)。步驟4，為縮小遺傳算法的交叉和變異空間，動(dòng)態(tài)污染跟蹤模塊識(shí)別被測(cè)試二進(jìn)制程序?qū)?yīng)的輸入文件中的關(guān)鍵字節(jié)，并把這些關(guān)鍵字節(jié)按照每個(gè)關(guān)鍵字節(jié)相對(duì)于輸入文件頭的各自偏移地址寫入于一個(gè)數(shù)組后，再送至遺傳算法模塊；以供遺傳算法模塊針對(duì)該數(shù)組進(jìn)行交叉和變異；然后把交叉和變異后的數(shù)組按照每個(gè)字節(jié)相對(duì)于輸入文件頭的偏移地址寫入輸入文件中，作為遺傳算法交叉和變異后生成的新的被測(cè)試的輸入文件，以便縮小遺傳算法的搜索空間，加快遺傳算法的收斂速度，提高二進(jìn)制程序漏洞的挖掘效率。參見圖4，介紹動(dòng)態(tài)污染跟蹤模塊在該步驟4中執(zhí)行的具體操作內(nèi)容動(dòng)態(tài)污染跟蹤模塊首先執(zhí)行下述三項(xiàng)初始化操作(41)對(duì)被測(cè)試的二進(jìn)制程序執(zhí)行初始化操作使用線程同步鎖，以保證每個(gè)線程在訪問(wèn)某個(gè)資源的同時(shí)，能夠確保同一時(shí)刻沒有其他線程在訪問(wèn)同一資源，并保證污點(diǎn)跟蹤時(shí)實(shí)現(xiàn)讀寫的同步； (42)注冊(cè)系統(tǒng)回調(diào)函數(shù)，使用能對(duì)二進(jìn)制程序進(jìn)行動(dòng)態(tài)插樁的工具Pin的Hook鉤子機(jī)制來(lái)捕獲與過(guò)濾與輸入文件相關(guān)的系統(tǒng)API的輸入?yún)?shù)與返回結(jié)果，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)試二進(jìn)制程序動(dòng)態(tài)初始化的輸入監(jiān)控；
(43)遍歷被測(cè)試的ニ進(jìn)制程序的導(dǎo)出表和加載的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的導(dǎo)出表，通過(guò)自定義的“危險(xiǎn)函數(shù)輔助規(guī)則”，在被測(cè)試ニ進(jìn)制程序調(diào)用的危險(xiǎn)函數(shù)入口處與結(jié)束處插入監(jiān)視代碼。 初始化結(jié)束后，本發(fā)明裝置就開始從被測(cè)試ニ進(jìn)制程序的入口地址處以基本塊為單位讀取指令。因動(dòng)態(tài)污染跟蹤模塊是建立于Pin (Pin是ー種可以動(dòng)態(tài)進(jìn)行插樁的框架)的基礎(chǔ)上。故動(dòng)態(tài)污染跟蹤模塊在完成初始化后，執(zhí)行的操作內(nèi)容是利用Pin的例程插樁能力來(lái)掛鉤Windows的系統(tǒng)函數(shù)(例如NtCreatFile、NtReadFile等),并抽取其中內(nèi)存位置和讀入內(nèi)存中的字節(jié)數(shù)，作為被測(cè)試ニ進(jìn)制程序的污染源。然后，從被測(cè)試ニ進(jìn)制程序入ロ地址開始以基本塊為單位讀取指令；當(dāng)監(jiān)測(cè)到被測(cè)試ニ進(jìn)制程序的輸入有效(例如打開了指定的輸入文件)吋，開始執(zhí)行動(dòng)態(tài)跟蹤污染毎次加載新的指令塊時(shí)，首先監(jiān)測(cè)被測(cè)試ニ進(jìn)制程序是否動(dòng)態(tài)加載新的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，如果是，則遍歷新的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的導(dǎo)出表，再與危險(xiǎn)函數(shù)掛鉤和插入監(jiān)測(cè)代碼，以保證動(dòng)態(tài)跟蹤的時(shí)效，有效避免靜態(tài)分析時(shí)只能針對(duì)單個(gè)輸入文件的局限性；如果否，則繼續(xù)加載新的指令塊并執(zhí)行相應(yīng)操作。下面繼續(xù)介紹動(dòng)態(tài)污染跟蹤模塊執(zhí)行的操作步驟步驟4a，解析當(dāng)前指令中使用到的寄存器和內(nèi)存位置，分別存為指令類型鏈表、指令源鏈表和指令目的鏈表。步驟4b，判斷指令類型是否為該裝置能夠處理的指令類型包括常用指令、算木指令、控制指令、跳轉(zhuǎn)指令等，共100多種。步驟4c，進(jìn)行動(dòng)態(tài)污染跟蹤和動(dòng)態(tài)執(zhí)行時(shí)的規(guī)則判斷，根據(jù)危險(xiǎn)函數(shù)的列表監(jiān)控是否有輸入文件中的字節(jié)傳遞到危險(xiǎn)函數(shù)中，如果有，則記錄該字節(jié)相對(duì)于輸入文件頭的偏移地址,動(dòng)態(tài)污點(diǎn)跟蹤以Byte為單位。步驟4d，監(jiān)視跳轉(zhuǎn)是否成功執(zhí)行，并判斷跳轉(zhuǎn)是否和輸入數(shù)據(jù)相關(guān)。步驟4f，記錄標(biāo)志寄存器的變化情況，若污染數(shù)據(jù)屬于互相關(guān)聯(lián)的，則在出現(xiàn)分支時(shí)，直接從標(biāo)志寄存器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中讀取相關(guān)信息。步驟4e，輸出被測(cè)試ニ進(jìn)制程序的污染源的起始地址和結(jié)束地址，動(dòng)態(tài)污染跟蹤模塊識(shí)別出的關(guān)鍵字節(jié)。動(dòng)態(tài)污染跟蹤模塊是基于x86匯編指令集實(shí)現(xiàn)的，故其的動(dòng)態(tài)污染跟蹤是從識(shí)別指令類型開始的。本發(fā)明只選擇了常用的指令集進(jìn)行動(dòng)態(tài)污染跟蹤分析。根據(jù)實(shí)際測(cè)試分祈，Windows平臺(tái)下的編譯器編譯普通程序只用到約300條匯編指令類型，在剔除不常用的匯編指令和浮點(diǎn)運(yùn)算指令后(該類指令對(duì)動(dòng)態(tài)污染分析結(jié)果的精確度影響不大)，剩下的指令是進(jìn)行污染跟蹤系統(tǒng)必須要解析的匯編指令。又因x86的指令結(jié)構(gòu)涉及的操作數(shù)都是32位，因此動(dòng)態(tài)污染跟蹤模塊的監(jiān)測(cè)對(duì)象是基于32位的操作系統(tǒng)；且在動(dòng)態(tài)污染跟蹤模塊的實(shí)際測(cè)試中，常常發(fā)現(xiàn)若在32位中某一位或幾位是污點(diǎn)吋，就把整個(gè)32位標(biāo)記為污染數(shù)據(jù)的辦法，通常就無(wú)形地?cái)U(kuò)大了污染數(shù)據(jù)，嚴(yán)重影響了動(dòng)態(tài)污染跟蹤系統(tǒng)的精確度。為了防止在實(shí)際測(cè)試中出現(xiàn)這種情況，動(dòng)態(tài)污染跟蹤模塊跟蹤污染的精確度定位為Byte級(jí)，也就是每8個(gè)bit為ー個(gè)污染單元，并將所有標(biāo)志寄存器按其實(shí)際作用重新単獨(dú)定義。步驟5，遺傳算法模塊根據(jù)從調(diào)試器模塊獲取的每個(gè)輸入文件對(duì)應(yīng)的基本塊覆蓋率、最小執(zhí)行路徑信息和危險(xiǎn)函數(shù)的執(zhí)行次數(shù)，以及由動(dòng)態(tài)污染跟蹤識(shí)別的關(guān)鍵字節(jié)，計(jì)算每個(gè)輸入文件所對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)值；以便使用適應(yīng)度函數(shù)指導(dǎo)被測(cè)試輸入文件的生成，避免動(dòng)態(tài)測(cè)試方法生成被測(cè)試文件的盲目性。步驟6，測(cè)試輸入生成模塊對(duì)每個(gè)輸入文件按照其適應(yīng)度函數(shù)值的大小進(jìn)行排序，并按照用戶設(shè)置的規(guī)模選取適應(yīng)度函數(shù)值高的輸入文件送至調(diào)試器模塊進(jìn)行下一輪的測(cè)試。步驟7，異常監(jiān)控模塊加載被測(cè)試二進(jìn)制程序和來(lái)自步驟(6)的輸入文件后，監(jiān)控被測(cè)試二進(jìn)制程序打開每個(gè)輸入文件后的執(zhí)行過(guò)程，如果被測(cè)試二進(jìn)制程序出現(xiàn)異常，則記錄導(dǎo)致被測(cè)試二進(jìn)制程序出現(xiàn)異常的輸入文件，以及該異常在被測(cè)試二進(jìn)制程序中的出現(xiàn)位置、異常類型和異常位置的上下文信息。下面介紹影響動(dòng)態(tài)污染跟蹤系統(tǒng)結(jié)果精確度的匯編指令列表
權(quán)利要求
1.一種融合傳算法與動(dòng)態(tài)污染跟蹤的二進(jìn)制程序漏洞挖掘的裝置，其特征在于所述裝置設(shè)有順序連接的靜態(tài)分析模塊、調(diào)試器模塊、遺傳算法模塊、測(cè)試輸入生成模塊和異常監(jiān)控模塊，以及位于調(diào)試器模塊、遺傳算法模塊之間的動(dòng)態(tài)污染跟蹤模塊；其中 靜態(tài)分析模塊，基于交互式反匯編器專業(yè)版IDAPiX)開發(fā)實(shí)現(xiàn)的該模塊，用于提取被測(cè)試二進(jìn)制程序中的控制流結(jié)構(gòu)、基本塊的起始地址和危險(xiǎn)函數(shù)的調(diào)用地址，并將這些信息傳送給調(diào)試器模塊作為配置信息；即該模塊通過(guò)分析二進(jìn)制程序中的跳轉(zhuǎn)指令，獲取二進(jìn)制程序基本塊的起始地址和基本塊之間的跳轉(zhuǎn)關(guān)系；然后利用IDAPro的庫(kù)函數(shù)獲取_■進(jìn)制程序中的危險(xiǎn)函數(shù)的調(diào)用地址； 調(diào)試器模塊，作為該裝置的基礎(chǔ)平臺(tái)，用于監(jiān)控被測(cè)試二進(jìn)制程序的執(zhí)行過(guò)程，并記錄相關(guān)信息根據(jù)靜態(tài)分析模塊提供的配置信息，識(shí)別和攔截Windows底層的應(yīng)用程序編程接口 API函數(shù)，獲取被測(cè)試二進(jìn)制程序打開輸入文件的位置和記錄由輸入文件導(dǎo)致的被測(cè)試二進(jìn)制程序執(zhí)行過(guò)的基本塊、輸入文件對(duì)應(yīng)的被測(cè)試二進(jìn)制程序的執(zhí)行軌跡及該被測(cè)試二進(jìn)制程序中危險(xiǎn)函數(shù)的執(zhí)行次數(shù)；讀取二進(jìn)制程序中寄存器和堆棧內(nèi)的數(shù)據(jù)，計(jì)算并更新二進(jìn)制程序中的寄存器變量和內(nèi)存變量的數(shù)值；實(shí)現(xiàn)對(duì)給定的內(nèi)存地址對(duì)被測(cè)試二進(jìn)制程序下斷點(diǎn)的功能；然后調(diào)試器模塊將上述計(jì)算獲取的信息傳送給遺傳算法模塊，用于計(jì)算輸入文件對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)值； 動(dòng)態(tài)污染跟蹤模塊，用于實(shí)現(xiàn)單字節(jié)水平細(xì)粒度的動(dòng)態(tài)污染跟蹤，識(shí)別被測(cè)試二進(jìn)制程序?qū)?yīng)的輸入文件中的關(guān)鍵字節(jié)，并將該關(guān)鍵字節(jié)作為遺傳算法模塊交叉和變異的空間，提高遺傳算法的收斂速度該模塊為被測(cè)試二進(jìn)制程序的輸入數(shù)據(jù)中每個(gè)字節(jié)都賦予一個(gè)唯一標(biāo)簽，再跟蹤該標(biāo)簽在被測(cè)試二進(jìn)制程序中的傳遞過(guò)程；且在跟蹤輸入數(shù)據(jù)傳遞過(guò)程中，既考慮數(shù)據(jù)間的傳遞依賴關(guān)系，也考慮不同變量間的控制依賴關(guān)系；同時(shí)識(shí)別被測(cè)試二進(jìn)制程序?qū)?yīng)的輸入文件中的關(guān)鍵字節(jié)，并把關(guān)鍵字節(jié)信息提供給遺傳算法模塊，用作遺傳算法模塊的交叉和變異的空間； 遺傳算法模塊，負(fù)責(zé)根據(jù)調(diào)試器模塊提供的包括每個(gè)輸入文件所覆蓋被測(cè)試二進(jìn)制程序的基本塊與其對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制程序執(zhí)行軌跡和其中危險(xiǎn)函數(shù)的執(zhí)行次數(shù)，以及動(dòng)態(tài)污染跟蹤模塊識(shí)別出來(lái)的關(guān)鍵字節(jié)，計(jì)算每個(gè)輸入文件對(duì)應(yīng)的被測(cè)試二進(jìn)制程序的基本塊覆蓋率、最小執(zhí)行路徑信息和該輸入文件對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)函數(shù)的執(zhí)行次數(shù)，然后計(jì)算每個(gè)輸入文件對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)值，并將該適應(yīng)度函數(shù)值傳遞給測(cè)試輸入生成模塊，用于生成新的輸入文件而進(jìn)行下一輪測(cè)試；而且，如果輸入文件對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)值較高，則輸入文件可能導(dǎo)致被測(cè)試二進(jìn)制程序覆蓋的基本塊較多、導(dǎo)致被測(cè)試二進(jìn)制程序的執(zhí)行路徑為“稀少路徑”或?qū)е卤粶y(cè)試二進(jìn)制程序執(zhí)行的危險(xiǎn)函數(shù)次數(shù)較多；當(dāng)輸入文件的上述三個(gè)數(shù)值都較高時(shí)，該輸入文件就非?？赡苡|發(fā)其對(duì)應(yīng)的被測(cè)試二進(jìn)制程序潛在的安全漏洞； 測(cè)試輸入生成模塊，負(fù)責(zé)根據(jù)來(lái)自遺傳算法模塊的每個(gè)輸入文件對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)值的大小對(duì)被測(cè)試二進(jìn)制程序的輸入文件進(jìn)行排序，然后根據(jù)用戶設(shè)置的規(guī)模，選擇適應(yīng)度函數(shù)值高的輸入文件送至調(diào)試器模塊進(jìn)行下一輪測(cè)試，因適應(yīng)度函數(shù)值高的輸入文件更容易觸發(fā)被測(cè)試二進(jìn)制程序潛在的安全漏洞； 異常監(jiān)控模塊，用于監(jiān)控每個(gè)輸入文件中的被測(cè)試二進(jìn)制程序的執(zhí)行過(guò)程，若出現(xiàn)異常，則記錄導(dǎo)致該被測(cè)試二進(jìn)制程序出現(xiàn)異常的輸入文件，并記錄異常在被測(cè)試二進(jìn)制程序中的出現(xiàn)位置、異常類型和異常出現(xiàn)的上下文信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述裝置，其特征在于所述危險(xiǎn)函數(shù)是包括內(nèi)存分配、內(nèi)存拷貝、字符串和一些含有格式化參數(shù)的多種函數(shù)；所述關(guān)鍵字節(jié)是在輸入文件中污染被測(cè)試二進(jìn)制程序中危險(xiǎn)函數(shù)的參數(shù)值的字節(jié)，也被稱為該被測(cè)試的二進(jìn)制程序所對(duì)應(yīng)的輸入文件中的關(guān)鍵字節(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述裝置，其特征在于所述遺傳算法模塊中的適應(yīng)度函數(shù)的計(jì)算公式是Fitness(x) = W1Xbbcx+w2X lcovx+w3XrlndexX log(Dx),式中，變量 x 為輸入文件，bbcx、Icovx和Dx分別為該輸入文件X對(duì)應(yīng)的被測(cè)試二進(jìn)制程序的基本塊覆蓋率、最小執(zhí)行路徑信息和危險(xiǎn)函數(shù)的執(zhí)行次數(shù)，其中，bbcx用于使遺傳算法模塊生成新的被測(cè)試的輸入文件導(dǎo)致被測(cè)試二進(jìn)制程序覆蓋更多的基本塊，Icovx用于使得遺傳算法模塊生成新的被測(cè)試的輸入文件所產(chǎn)生的執(zhí) 行路徑盡可能不同，實(shí)現(xiàn)路徑覆蓋最大化，Dx用于使得遺傳算法模塊生成新的被測(cè)試的輸入文件導(dǎo)致被測(cè)試二進(jìn)制程序執(zhí)行較多次數(shù)的危險(xiǎn)函數(shù)；W1, w2, W3分別為上述bbcx、Icovx和Dx三個(gè)因素的權(quán)重,其取值范圍都是[O, I], rlndex為取值范圍是
的調(diào)解系數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于所述遺傳算法模塊執(zhí)行的交叉和變異的遺傳操作對(duì)象只是被測(cè)試二進(jìn)制程序?qū)?yīng)的輸入文件中的關(guān)鍵字節(jié)，并不是整個(gè)輸入文件，以便縮小遺傳算法交叉和變異的空間，提高遺傳算法的收斂速度，進(jìn)而提高二進(jìn)制程序漏洞挖掘的效率。
5.一種采用融合遺傳算法與動(dòng)態(tài)污染跟蹤的二進(jìn)制程序的漏洞挖掘裝置的檢測(cè)方法，其特征在于，所述方法融合了靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析兩者優(yōu)點(diǎn)，使得人們只關(guān)注于感興趣的程序代碼并進(jìn)行后續(xù)分析；該方法包括下列操作步驟 (1)根據(jù)被測(cè)試的二進(jìn)制程序類型，用戶事先準(zhǔn)備一份標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試文件并隨機(jī)修改其中的若干字節(jié)生成輸入文件，且由用戶控制該輸入文件的規(guī)模大小； (2)靜態(tài)分析模塊對(duì)輸入文件中的被測(cè)試二進(jìn)制程序進(jìn)行靜態(tài)分析，獲取被測(cè)試二進(jìn)制程序基本塊的起始地址、基本塊之間的跳轉(zhuǎn)信息和危險(xiǎn)函數(shù)的調(diào)用地址；再將這些信息將作為配置信息傳遞至調(diào)試器模塊； (3)調(diào)試器模塊對(duì)來(lái)自靜態(tài)分析模塊的配置信息計(jì)算每個(gè)輸入文件對(duì)應(yīng)的被測(cè)試二進(jìn)制程序的基本塊覆蓋率、最小執(zhí)行路徑信息和危險(xiǎn)函數(shù)的執(zhí)行次數(shù)； (4)為縮小遺傳算法的交叉和變異空間，動(dòng)態(tài)污染跟蹤模塊識(shí)別被測(cè)試二進(jìn)制程序?qū)?yīng)的輸入文件中的關(guān)鍵字節(jié)，并把這些關(guān)鍵字節(jié)按照每個(gè)關(guān)鍵字節(jié)相對(duì)于輸入文件頭的各自偏移地址寫入于一個(gè)數(shù)組后，再送至遺傳算法模塊；以供遺傳算法模塊針對(duì)該數(shù)組進(jìn)行交叉和變異；然后把交叉和變異后的數(shù)組按照每個(gè)字節(jié)相對(duì)于輸入文件頭的偏移地址寫入輸入文件中，作為遺傳算法交叉和變異后生成的新的被測(cè)試的輸入文件，以便縮小遺傳算法的搜索空間，加快遺傳算法的收斂速度，提高二進(jìn)制程序漏洞的挖掘效率； (5)遺傳算法模塊根據(jù)從調(diào)試器模塊獲取的每個(gè)輸入文件對(duì)應(yīng)的基本塊覆蓋率、最小執(zhí)行路徑信息和危險(xiǎn)函數(shù)的執(zhí)行次數(shù)，以及由動(dòng)態(tài)污染跟蹤識(shí)別的關(guān)鍵字節(jié)，計(jì)算每個(gè)輸入文件所對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)值；以便使用適應(yīng)度函數(shù)指導(dǎo)被測(cè)試輸入文件的生成，避免動(dòng)態(tài)測(cè)試方法生成被測(cè)試文件的盲目性； (6)測(cè)試輸入生成模塊對(duì)每個(gè)輸入文件按照其適應(yīng)度函數(shù)值的大小進(jìn)行排序,并按照用戶設(shè)置的規(guī)模選取適應(yīng)度函數(shù)值高的輸入文件送至調(diào)試器模塊進(jìn)行下一輪的測(cè)試；(7)異常監(jiān)控模塊加載被測(cè)試二進(jìn)制程序和來(lái)自步驟￠)的輸入文件后，監(jiān)控被測(cè)試二進(jìn)制程序打開每個(gè)輸入文件后的執(zhí)行過(guò)程，如果被測(cè)試二進(jìn)制程序出現(xiàn)異常，則記錄導(dǎo)致被測(cè)試二進(jìn)制程序出現(xiàn)異常的輸入文件，以及該異常在被測(cè)試二進(jìn)制程序中的出現(xiàn)位置、異常類型和異常位置的上下文信息。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所屬步驟(4)中，動(dòng)態(tài)污染跟蹤模塊首先執(zhí)行的初始化操作包括下述內(nèi)容 (41)對(duì)被測(cè)試的二進(jìn)制程序執(zhí)行初始化操作使用線程同步鎖，以保證每個(gè)線程在訪問(wèn)某個(gè)資源時(shí)，確保在同一時(shí)刻其他線程不能夠訪問(wèn)該資源，并保證污點(diǎn)跟蹤時(shí)實(shí)現(xiàn)讀寫 的同步； (42)注冊(cè)系統(tǒng)回調(diào)函數(shù)，使用能對(duì)二進(jìn)制程序進(jìn)行動(dòng)態(tài)插樁的工具Pin的Hook鉤子機(jī)制來(lái)捕獲與過(guò)濾與輸入文件相關(guān)的系統(tǒng)API的輸入?yún)?shù)與返回結(jié)果，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)試二進(jìn)制程序動(dòng)態(tài)初始化的輸入監(jiān)控； (43)遍歷被測(cè)試的二進(jìn)制程序的導(dǎo)出表和加載的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的導(dǎo)出表，通過(guò)自定義的“危險(xiǎn)函數(shù)輔助規(guī)則”，在被測(cè)試二進(jìn)制程序調(diào)用的危險(xiǎn)函數(shù)入口處與結(jié)束處插入監(jiān)視代碼。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所屬步驟(4)中，動(dòng)態(tài)污染跟蹤模塊在完成初始化后執(zhí)行的操作內(nèi)容是利用Pin的例程插樁能力來(lái)掛鉤Windows的系統(tǒng)函數(shù)，并抽取其中內(nèi)存位置和讀入內(nèi)存中的字節(jié)數(shù)，作為被測(cè)試二進(jìn)制程序的污染源；然后，從被測(cè)試二進(jìn)制程序入口地址開始以基本塊為單位讀取指令；當(dāng)監(jiān)測(cè)到被測(cè)試二進(jìn)制程序打開輸入文件時(shí)，開始執(zhí)行動(dòng)態(tài)跟蹤污染每次加載新的指令塊時(shí)，首先監(jiān)測(cè)被測(cè)試二進(jìn)制程序是否動(dòng)態(tài)加載新的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，如果是，則遍歷新的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的導(dǎo)出表，再與危險(xiǎn)函數(shù)掛鉤和插入監(jiān)測(cè)代碼，以保證動(dòng)態(tài)跟蹤的時(shí)效，有效避免靜態(tài)分析時(shí)只能針對(duì)單個(gè)輸入文件的局限性；如果否，則繼續(xù)加載新的指令塊并執(zhí)行相應(yīng)操作。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于因x86的指令結(jié)構(gòu)涉及的操作數(shù)都是32位，所述動(dòng)態(tài)污染跟蹤模塊的監(jiān)測(cè)對(duì)象是基于32位的操作系統(tǒng)；且為了防止在實(shí)際測(cè)試中擴(kuò)大污染數(shù)據(jù)和嚴(yán)重影響動(dòng)態(tài)污染跟蹤模塊的工作精度，動(dòng)態(tài)污染跟蹤模塊跟蹤污染的精確度定位為Byte級(jí)，即每8個(gè)Bit為一個(gè)污染單元，并將所有標(biāo)志寄存器按其實(shí)際作用重新單獨(dú)定義。
全文摘要
一種融合遺傳算法與動(dòng)態(tài)污染跟蹤的二進(jìn)制程序漏洞的挖掘裝置與方法，該裝置設(shè)有順序連接的靜態(tài)分析模塊、調(diào)試器模塊、遺傳算法模塊、測(cè)試輸入生成模塊和異常監(jiān)控模塊，以及位于調(diào)試器模塊、遺傳算法模塊之間的動(dòng)態(tài)污染跟蹤模塊；該裝置利用遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)指導(dǎo)生成測(cè)試用例，設(shè)計(jì)了多目標(biāo)的適應(yīng)度函數(shù)，從定量角度評(píng)價(jià)測(cè)試用例的好壞；再用動(dòng)態(tài)污染跟蹤識(shí)別出輸入文件中的關(guān)鍵字節(jié)，縮小遺傳算法的搜索空間。該裝置結(jié)合遺傳算法和動(dòng)態(tài)污染跟蹤兩者優(yōu)點(diǎn)，指導(dǎo)生成測(cè)試用例，故生成的測(cè)試用例針對(duì)性強(qiáng)，生成的測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度和效率都高，且把定性分析與定量計(jì)算相結(jié)合，避免了基于符號(hào)執(zhí)行與約束求解技術(shù)的二進(jìn)制程序測(cè)試中的路徑爆炸問(wèn)題。
文檔編號(hào)G06F21/22GK102622558SQ20121005164
公開日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月1日
發(fā)明者崔寶江, 梁曉兵 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)