[發(fā)明專利]一種基于中間語言分析的控制流完整性保護(hù)方法及系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711236825.3
• 申請日: 2017-11-30
• 公開（公告）號: CN107908955B
• 公開（公告）日: 2019-11-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 金海;羌衛(wèi)中;王世振
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號: G06F21/52
• 分類號: G06F21/52;G06F21/55;G06F8/41;G06F8/53
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 廖盈春;李智

本發(fā)明公開了一種基于中間語言分析的控制流完整性保護(hù)方法及系統(tǒng)，包括：將源代碼翻譯成LLVM中間語言；將二進(jìn)制程序反匯編成LLVM中間語言，LLVM中間語言生成的二進(jìn)制程序被執(zhí)行時(shí)的跳轉(zhuǎn)信息對應(yīng)基于LLVM中間語言分析生成的控制流；基于LLVM中間語言中函數(shù)的信息，生成調(diào)用點(diǎn)哈希值和被調(diào)用點(diǎn)的哈希值，調(diào)用點(diǎn)的哈希值和被調(diào)用點(diǎn)的哈希值相同；將LLVM中間語言匯編為匯編代碼，并將調(diào)用點(diǎn)哈希值和被調(diào)用點(diǎn)的哈希值插入?yún)R編代碼，生成可執(zhí)行程序，調(diào)用點(diǎn)哈希值和被調(diào)用點(diǎn)的哈希值用于在可執(zhí)行程序運(yùn)行時(shí)檢查其是否受到攻擊；當(dāng)可執(zhí)行程序受到攻擊時(shí)，調(diào)用點(diǎn)哈希值和被調(diào)用點(diǎn)的哈希值不匹配，控制流不完整，停止運(yùn)行可執(zhí)行程序。本發(fā)明可以保證控制流的完整性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于中間語言分析的控制流完整性保護(hù)方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

緩沖區(qū)溢出漏洞一直是計(jì)算機(jī)軟件存在的問題。通過利用緩沖區(qū)溢出漏洞，攻擊者能對內(nèi)存任意讀寫，從而修改代碼指針，最終劫持控制流以完成攻擊意圖。控制流劫持攻擊和防御是近幾年學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)。為了保護(hù)內(nèi)存安全，學(xué)術(shù)和工業(yè)界不斷研究并部署有效的保護(hù)措施。已有很多保護(hù)措施被廣泛采納，如DEP(Data Execution Prevention)、ASLR(Address Space Layout Randomization)、GS/SSP(Stack Smashing Protector)和SafeSEH(Safe Structured Exception Handling)。但仍有多項(xiàng)攻擊技術(shù)，可以繞過以上這些保護(hù)措施。為此，控制流完整性的概念被提出。控制流完整性保護(hù)不直接保護(hù)內(nèi)存安全，而是檢查控制流是否被劫持，從而判斷是否受到攻擊。控制流完整性保護(hù)方案通常會在程序運(yùn)行之前為程序生成一個(gè)控制流圖，在程序運(yùn)行時(shí)利用已生成的控制流圖來監(jiān)控程序的行為，以確保程序控制流符合控制流圖。當(dāng)發(fā)現(xiàn)程序控制流不符合控制流圖時(shí)，通常的做法就是發(fā)出警告并終止程序。

傳統(tǒng)上，控制流劫持攻擊以ret指令、間接jmp指令和間接call指令為目標(biāo)控制程序指針。目前，越來越多的攻擊者開始使用C++應(yīng)用中的虛調(diào)用作為攻擊目標(biāo)。在針對Chrome的攻擊中，80％的攻擊利用user-after-free漏洞和虛函數(shù)調(diào)用；并且，Chrome中91.8％的間接調(diào)用為虛函數(shù)調(diào)用。50％的針對Window7的攻擊利用user-after-free漏洞和虛函數(shù)調(diào)用。新的攻擊方式COOP可以繞過沒有考慮C++語義的防護(hù)手段，通過修改虛表指針(vptr)在不改變原有控制流的情況下構(gòu)建攻擊。

針對虛表劫持攻擊，學(xué)術(shù)界分別提出了針對二進(jìn)制程序和源代碼的解決方案。源代碼層的解決方案，通過分析源代碼可以獲取類繼承結(jié)構(gòu)的信息，在函數(shù)的調(diào)用點(diǎn)和被調(diào)用點(diǎn)插入由函數(shù)名、參數(shù)列表、修飾符和類型信息編碼生成的哈希值，在函數(shù)調(diào)用時(shí)通過匹配函數(shù)的哈希值來判斷調(diào)用的合法性。基于源代碼的解決方案無法應(yīng)用于缺少源代碼的二進(jìn)制應(yīng)用程序。基于二進(jìn)制的解決方案，通過數(shù)據(jù)流可控制流分析，分析出虛表和類繼承結(jié)構(gòu)，虛函數(shù)被調(diào)用時(shí)，判斷虛表指針是否指向正確的虛表。缺點(diǎn)是無法從二進(jìn)制完全恢復(fù)出所有虛表。另一種基于二進(jìn)制的解決方案，通過分析匯編代碼，確定函數(shù)調(diào)用點(diǎn)和被調(diào)用點(diǎn)的參數(shù)比較來判斷是否受到續(xù)表劫持攻擊。這兩種方案的都屬于粗粒度的解決方案。

綜上所述，現(xiàn)有的針虛表劫持攻擊的控制流完整性保護(hù)方法存在以下不足：源代碼層的解決方案無法對二進(jìn)制應(yīng)用程序進(jìn)行保護(hù)，二進(jìn)制層的解決方案粒度太大，可能會到精心設(shè)計(jì)的虛表劫持攻擊的威脅。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有的針虛表劫持攻擊的控制流完整性保護(hù)方法存在以下不足：源代碼層的解決方案無法對二進(jìn)制應(yīng)用程序進(jìn)行保護(hù)，二進(jìn)制層的解決方案粒度太大，可能會到精心設(shè)計(jì)的虛表劫持攻擊的威脅的技術(shù)問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，第一方面，本發(fā)明提供一種基于中間語言分析的控制流完整性保護(hù)方法，包括：