[發(fā)明專利]一種基于動態(tài)污點分析的Modbus協(xié)議漏洞挖掘方法

有效

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• 申請日: 2021-04-29
• 公開（公告）號: CN113179274B
• 公開（公告）日: 2022-05-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 田健彤
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類號: H04L9/40
• 分類號: H04L9/40;H04L43/18;H04L12/40
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• 代理人: 暫無信息

1.一種基于動態(tài)污點分析的Modbus協(xié)議漏洞挖掘方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：配置好工控協(xié)議通信環(huán)境，使工控協(xié)議進行正常通信；對通信報文進行抓取，并將部分正常通信報文進行變異處理；

所述的對正常通信報文進行變異處理的方法具體為：以正常工控協(xié)議格式為模板，根據(jù)變異方法，將協(xié)議中的字段替換為變異數(shù)據(jù)，利用協(xié)議生成器，逐一生成大量的變異后的協(xié)議；所述的變異數(shù)據(jù)包括字節(jié)域數(shù)據(jù)變異元素和數(shù)據(jù)域變異元素；

所述的字節(jié)域數(shù)據(jù)變異元素是把協(xié)議中各字段的字節(jié)特征作為單位，把其中的特殊字節(jié)數(shù)據(jù)從各字段所要求的取值范圍中提取出來，并分為數(shù)值邊界值變異元素、格式化字符變異元素以及特殊值變異元素，作為變異元素生成變異后的協(xié)議報文；所述的字節(jié)域數(shù)據(jù)變異元素分為數(shù)值邊界值變異元素、格式化字符變異元素以及特殊值變異元素；

所述的數(shù)值邊界值變異元素是將協(xié)議中的字節(jié)值修改為字節(jié)的邊界值；所述的格式化字符變異元素是將協(xié)議中各個字節(jié)的數(shù)值修改為特殊的字符；所述的特殊值變異元素包含的是在協(xié)議的取值范圍中，將數(shù)值邊界值變異元素以及格式化字符變異元素去除，剩下的可以取值的元素；

所述的數(shù)據(jù)域變異元素是通過以數(shù)據(jù)域長度的不同，將不同功能類型碼f的長度值進行分類，確定生成的變異協(xié)議中數(shù)據(jù)域的長度，再利用不同類型的字節(jié)變異元素來填充數(shù)據(jù)域中的字節(jié)值；數(shù)據(jù)域變異元素分為空指針變異元素、功能區(qū)的緩沖區(qū)溢出變異元素、協(xié)議的緩沖區(qū)變異元素；

所述的空指針變異元素的取值范圍表示為[0，Min(f)]，Min(f)表示功能類型碼f對應(yīng)的數(shù)據(jù)域的最小長度；所述的功能區(qū)的緩沖區(qū)溢出變異元素的取值范圍是[Max(f)，Max(all)]，Max(f)表示功能類型碼f對應(yīng)的數(shù)據(jù)域的最大長度，Max(all)表示工控協(xié)議中所有的功能類型碼中數(shù)據(jù)域的最大長度；所述的協(xié)議的緩沖區(qū)變異元素的取值范圍是[Max(all)，+∞)；

步驟2：對正常通信報文和變異報文分別進行污點源數(shù)據(jù)標(biāo)記；

通過采取細粒度大小，以Modbus協(xié)議中各個字節(jié)作為污點標(biāo)記單位，一個字節(jié)被標(biāo)記為一個污點源數(shù)據(jù)TaintData；以一個三元組的形式對每一個污點數(shù)據(jù)進行描述，三元組中包含協(xié)議通信報文序號PID、協(xié)議字段編號PFID、字段偏移位置FOP，污點源數(shù)據(jù)表示為：

TaintData＝PID，PFID，F(xiàn)OP

其中，PID是通信報文作為污點數(shù)據(jù)的唯一序號；FOP是對工控協(xié)議結(jié)構(gòu)中各個字段進行編號；FOP是污點源數(shù)據(jù)在各個字段中的字節(jié)偏移量；

步驟3：將完成污點源數(shù)據(jù)標(biāo)記后的正常通信報文和變異報文分別發(fā)送到協(xié)議服務(wù)器中；

步驟4：協(xié)議服務(wù)器對正常通信報文和變異報文的污點源數(shù)據(jù)標(biāo)記進行識別，獲得當(dāng)前污點源的操作數(shù)執(zhí)行的指令類型；依據(jù)指定的細粒度污點傳播規(guī)則，進行污點傳播；

步驟5：判斷當(dāng)前操作數(shù)的污染情況；如果當(dāng)前操作數(shù)仍保持被污染狀態(tài)，則根據(jù)當(dāng)前危險函數(shù)的污染狀態(tài)，更新危險函數(shù)的調(diào)用狀態(tài)信息，返回步驟4；如果當(dāng)前操作數(shù)的污染情況被消除，則結(jié)束。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于動態(tài)污點分析的Modbus協(xié)議漏洞挖掘方法，其特征在于：所述的步驟4中指令類型包括賦值復(fù)制指令、算數(shù)計算指令以及特殊指令，特殊指令中又包含清零指令和單操作數(shù)指令；將所有的指令操作過程，抽象為一個映射過程F，表示為：

F(INS)：Y＝f(X)

其中，INS被定義為程序中的指令集合{ins_i}；X被定義為指令中源操作數(shù)的集合{x_i}；Y被定義為指令中目的操作數(shù)的集合{y_i}；f被定義為指令的運算方式；

針對污點傳播規(guī)則來說，也同樣將其看作是一個映射關(guān)系，表示為公式：

F_t(INS)：Y_t＝f_t(X_t)

其中，X_t被定義為指令的源操作數(shù)當(dāng)前存在的污點的集合{x_ti}；Y_t被定義為被傳遞的指令目的操作數(shù)的污點集合{y_tj}；對于其中任意取值的i和j對應(yīng)的x_ti以及y_tj，分別表示為指令的源操作數(shù)集合、指令的目的操作數(shù)集合中當(dāng)前的污點狀態(tài)；x_t1＝0表示指令中第一個源操作數(shù)不是污點數(shù)據(jù)，y_t1＝1表示指令運算后，第一個目的操作數(shù)被傳播為污點數(shù)據(jù)；

根據(jù)復(fù)制規(guī)則進行污點傳播的賦值復(fù)制指令包括：mov、cmov、movsz、repmovs、replpds；

賦值復(fù)制指令mov對應(yīng)的映射過程為公式：

F(mov dest，src)：dest＝src

賦值復(fù)制指令mov的污點傳播規(guī)則為公式：

F_t(mov dest，src)：dest_t＝src_t

依據(jù)計算規(guī)則進行污點傳播的算數(shù)計算指令包括：add、inc、div、mul；

算數(shù)計算指令add對應(yīng)的映射過程為公式：

F(add dest，src)：dest＝dest+src

算數(shù)計算指令add的污點傳播規(guī)則為公式：

其中，dest⁰與dest¹是為了將源操作數(shù)和目的操作數(shù)集合中的元素區(qū)分開；

需要指定特殊污點傳播規(guī)則的特殊指令包括sub、movsd、push、pop、call、ret；

當(dāng)sub指令的源操作數(shù)和目的操作數(shù)是同一個數(shù)據(jù)，進行相減操作后，得出的結(jié)果為0，是個常數(shù)，這時對于污點傳播過程來說，需要將源操作數(shù)的污點狀態(tài)漂白，運算結(jié)果不再帶有污點屬性；

movsd指令的污點傳播規(guī)則按照復(fù)制規(guī)則進行傳播，規(guī)則為公式：

F_t(movsd)：[dest]_t＝[src]_t。