[發(fā)明專利]一種基于LLVM的抵御控制流劫持的系統(tǒng)和方法

有效

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• 申請日: 2017-08-22
• 公開（公告）號: CN107545174B
• 公開（公告）日: 2020-03-10
• 發(fā)明（設計）人: 傅建明;金睿;史鹿曼
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G06F21/54
• 分類號: G06F21/54
• 代理公司: 武漢科皓知識產(chǎn)權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 魯力

本發(fā)明涉及一種基于LLVM的抵御控制流劫持的系統(tǒng)和方法，主要是用來對控制流劫持中的返回導向攻擊和跳轉(zhuǎn)導向攻擊進行緩解和防御。本方法抵御控制流劫持主要包括以下幾種：基于LLVM的編譯時函數(shù)隨機化方法，基于LLVM的強制函數(shù)內(nèi)控制流按正常程序流執(zhí)行方法。通過以上方法的綜合利用，本發(fā)明能夠有效的在編譯階段打亂函數(shù)順序增加攻擊者猜解程序的難度，在運行時限制函數(shù)的執(zhí)行流程，從而抵御控制流劫持。通過測試發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明對軟件的開銷極低，能夠抵御常見的控制流劫持攻擊。

技術領域

本發(fā)明屬于軟件安全領域。通過在編譯時進行函數(shù)隨機化和插樁限制控制流的方式，抵御常見控制流劫持攻擊。

背景技術

控制流劫持一直是軟件漏洞利用的重要方式之一。控制流劫持是通過程序漏洞，修改程序的代碼指針或返回地址，將其指向攻擊者想要執(zhí)行的代碼。

現(xiàn)有的控制流劫持利用方案有代碼注入攻擊和代碼復用攻擊。在代碼注入攻擊中，攻擊者劫持控制流指向以數(shù)據(jù)形式注入的程序代碼，從而執(zhí)行該代碼完成其惡意目的。代碼注入攻擊已可以被操作系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)執(zhí)行保護機制防御。代碼復用攻擊則將控制流劫持到程序本身的代碼片段中，通過服用多個程序代碼片段來完成惡意功能。代碼復用攻擊使用的代碼片段多為彈棧指令、間接函數(shù)調(diào)用指令、間接跳轉(zhuǎn)指令、函數(shù)返回指令的組合。其中以函數(shù)返回指令結尾的一種代碼復用攻擊形式(ROP)已經(jīng)被證明為圖靈完備的。

現(xiàn)階段，隨機化和控制流完整性保護用來緩解和防御控制流劫持攻擊。地址空間布局隨機化是一種比較粗粒度的隨機化方案，廣泛應用于現(xiàn)代操作系統(tǒng)中，其通過改變內(nèi)存段的基址，使得攻擊者難以直接利用離線分析得到的函數(shù)或代碼片段地址來構造代碼復用攻擊。但是通過離線分析配合某段代碼的信息泄露，攻擊者則可以輕易繞過該技術。控制流完整性檢測是通過對程序插樁，在部分改變程序控制流的指令前檢測其執(zhí)行是否合規(guī)，已經(jīng)被應用于Windows 10的edge瀏覽器中。但是其開銷較大，推廣較困難。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對現(xiàn)有防御技術存在的上述問題，提出一種基于LLVM的抵御控制流劫持的系統(tǒng)和方法，其目的在于，在LLVM編譯器上，通過函數(shù)隨機化和限制函數(shù)內(nèi)部執(zhí)行流程來緩解和防御控制流劫持攻擊。

本發(fā)明的方法采用的技術方案是：

一種基于LLVM的抵御控制流劫持的系統(tǒng)，其特征在于，包括：

函數(shù)隨機化裝置：用于緩解控制流攻擊，具體是在LLVM將源文件編譯成IR層代碼后，識別出函數(shù)的信息，將識別出函數(shù)的信息保存到函數(shù)數(shù)組，然后基于隨機生成的隨機因子，重復function級數(shù)組長度次后得到新的function級數(shù)組，并將新的function級數(shù)組的內(nèi)容插入IR層代碼中；

函數(shù)內(nèi)部控制流限制裝置：用于防御控制流攻擊，具體是遍歷源碼尋找會編譯成間接跳轉(zhuǎn)指令、間接函數(shù)調(diào)用指令和返回指令的IR指令，或者識別函數(shù)的頭部位置后；插入不同的指令。

在上述的一種基于LLVM的抵御控制流劫持的系統(tǒng)，函數(shù)隨機化裝置包括：

函數(shù)識別保存模塊：在LLVM將源文件編譯成IR層代碼后，由函數(shù)識別保存模塊識別出函數(shù)的信息，將其保存到函數(shù)數(shù)組中。其中函數(shù)識別可從module入手，在其中使用function級變量遍歷函數(shù)。函數(shù)保存則將遍歷到的函數(shù)指針存入function級的數(shù)組中。值得注意的是，在函數(shù)識別中需將在外部定義的函數(shù)去除，識別方式為識別是否有函數(shù)體，若沒有則為外部函數(shù)；

函數(shù)置亂模塊：在函數(shù)識別保存模塊后，使用rand函數(shù)生成隨機數(shù)做隨機因子。重復function級數(shù)組長度次，根據(jù)其模以function級數(shù)組長度，將其值所對應位置與當前次數(shù)所對應的位置的數(shù)組內(nèi)容交換，最終得到新的function級數(shù)組；

函數(shù)刪除模塊：將IR層代碼中的所有非外部函數(shù)刪除，刪除時可以使用系統(tǒng)提供的eraseFromParent方法；