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智能家居固件安全分析关键技术研究

智能家居固件安全分析关键技术研究

作者：张启光南京邮电大学

学位级别：硕士

近年来,随着智能家居产业的飞速发展,智能门锁、智能网关、智能插座等智能家居设备逐渐进入人们的日常生活。然而,开发人员安全意识的疏忽导致针对智能家居设备的网络攻击事件也随之增多。在这些事件中,攻击者大多利用了设备固件中存在... 详细信息

近年来,随着智能家居产业的飞速发展,智能门锁、智能网关、智能插座等智能家居设备逐渐进入人们的日常生活。然而,开发人员安全意识的疏忽导致针对智能家居设备的网络攻击事件也随之增多。在这些事件中,攻击者大多利用了设备固件中存在的安全漏洞,因此对智能家居固件进行安全分析是提高智能家居设备安全性的重要手段之一。但是目前固件安全分析领域面临着逆向分析难度大、通信协议复杂多样等许多问题。为了解决这些问题,本文针对智能家居固件安全分析过程中的一些关键技术进行了研究,主要工作如下:1.很多情况下,函数名与函数的功能相关,根据函数名可以定位一些敏感函数,提高固件安全分析工作效率,但无操作系统和基于实时操作系统（Real Time Operating System,RTOS）的智能家居固件中通常不包含函数名信息,安全研究人员只能采用耗时耗力的逆向工程方法分析函数代码来推断其功能。为了解决这一问题,本文提出了一种基于二进制代码相似度比对（简称“二进制比对”）的固件库函数名恢复方法。该方法首先通过收集常用开源函数库构建出一个开源函数签名库,然后根据编译器的初始化函数特征识别出固件的编译环境,根据RTOS的特征字符串和部分系统函数识别出固件的RTOS类型,最后根据这些信息调取相应的开源函数签名库,并利用现有二进制比对工具识别出固件中包含的开源库函数,从而恢复函数名。本文基于该方法实现了一个原型系统并进行了实验评估。实验结果表明,该系统在测试集上能够正确识别出大部分野生固件的编译环境和RTOS类型,库函数名恢复的最佳效果达到73.1%;能够正确识别出全部自编译固件的编译环境和RTOS类型,库函数名的平均恢复效果达到41.1%,平均准确率高达91.7%。2.一些智能家居厂商使用私有通信协议实现设备间的交互,这些协议通常存在着很多安全隐患,但协议的射频参数不公开导致安全研究人员难以捕获到协议数据包,阻碍了协议的逆向分析和漏洞挖掘。为了解决这一问题,本文提出了一种固件私有通信协议射频参数提取方法。该方法针对设备中通信芯片有内置Flash和无内置Flash这两种情况,分别使用固件库函数名恢复方法识别出固件中负责配置射频参数的函数,提取其调用函数中的汇编指令,然后利用模拟执行和动态调试技术提取出函数的参数（包含存放射频参数的内存地址）,并利用构建的常用通信芯片射频参数格式信息知识库自动从函数参数中解析出射频参数各字段内容。为了验证该方法的有效性,本文以使用私有通信协议的某品牌智能门锁和某品牌安防设备作为目标进行了测试,成功提取出了射频参数。3.利用前述研究提出的固件库函数名恢复方法和固件私有通信协议射频参数提取方法,结合现有固件安全分析方法,对某品牌智能门锁进行了实例研究,包括固件提取、固件解包、反汇编、静态分析、动态调试、协议逆向等智能家居固件分析工作,获取了该智能门锁临时密码机制的工作流程和相关协议格式信息,为后续针对该智能门锁的漏洞挖掘工作奠定了基础,同时也验证了本文所提方法的有效性和实用性。

关键词：智能家居固件安全库函数识别协议逆向

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智能IoT固件安全研究数据集的构建与应用

智能IoT固件安全研究数据集的构建与应用

作者：曾文迪南京邮电大学

学位级别：硕士

近年来,物联网(Internet of Things,IoT)发展迅速,通过连接各种物体、设备和传感器等,实现不同平台之间互相通信和数据交换的功能,被誉为“万物互联”的时代先锋。然而,随着物联网应用场景的不断扩大,其中涉及到的数据安全、网络安全以... 详细信息

近年来,物联网(Internet of Things,IoT)发展迅速,通过连接各种物体、设备和传感器等,实现不同平台之间互相通信和数据交换的功能,被誉为“万物互联”的时代先锋。然而,随着物联网应用场景的不断扩大,其中涉及到的数据安全、网络安全以及智能设备本身的安全问题也日益突显,物联网安全问题已经成为制约其发展的重要瓶颈之一,物联网安全已成为网络安全领域一个重要的热点研究方向。固件是物联网设备中的软件,负责管理设备中的硬件并实现特定的设备应用功能,物联网固件安全是保证物联网设备安全的重要一环,当前国内外大量工程技术和学术研究人员对固件安全分析、安全增强技术进行研究与实践,以提高物联网设备的安全性。固件安全研究在固件提取、方法实现、实验验证等环节需要用到大量固件相关资源,如固件样本、芯片信息和第三方组件等,但由于固件开发个性化、开发平台差异极大、固件种类繁多等特点使相关安全研究人员在研究过程中不得不耗费大量时间和精力收集与解析所需的相关固件资源。为了解决该问题,本文根据物联网固件安全研究对固件相关资源的需求,构建了一套涵盖固件样本、芯片信息和第三方组件源码的智能IoT固件安全研究数据集,提出了固件安全研究资源属性体系,并针对该体系中的部分属性信息设计了自动化获取方法,设计并实现了一个固件安全研究数据集管理系统,为研究人员在固件安全研究过程中从论文构建的数据集中根据资源属性快速获取所需固件资源样本提供强有力支撑。具体研究内容及取得的成果如下:1)固件样本库的构建。固件样本是指完整的物联网设备固件,固件逆向分析、仿真、漏洞检测、漏洞挖掘和大规模安全评估等固件安全研究中常常需要大量固件样本作为研究对象和测试用例。本文以物联网厂商官网公开固件、论文固件数据集、线下设备提取等三种途径为主要固件来源,设计实现了厂商官网固件获取网络爬虫,分析总结了从设备中提取固件的操作流程,成功搜集了43354个在设备厂商、类型、固件种类等方面具有代表性的固件样本。根据固件安全研究需求设计了一套固件样本属性体系,并针对部分属性设计并实现了自动化提取方法,成功获取到了1996个不同设备型号固件的指令集、操作系统、文件系统、是否加密等属性信息。2)芯片信息库的构建。芯片信息包括了芯片手册和芯片SDK这两种资源,其中芯片手册是对芯片特性和规格进行详细说明的技术文档,可以支撑固件提取、固件重托管、固件基址定位等技术的研究,而芯片SDK是针对特定芯片所依赖的所有组件的合集,可用于研究基于二进制代码相似度比对的固件函数名恢复和已知漏洞检测。本文利用网络爬虫搜集了757种芯片手册与196种芯片SDK,提出了芯片手册的12种资源属性、芯片SDK的5种资源属性,设计了一种从芯片手册和SDK中自动化提取芯片内存映射图这一重要属性的方法,成功提取出了757个芯片手册和111个芯片SDK中的芯片内存映射图。3)第三方组件源码库的构建与应用。第三方组件源码是指由独立软件供应商或社区开发并提供给第三方使用的软件组件或代码库,主要用于为基于二进制代码相似度比对的固件函数名恢复和已知漏洞检测技术研究提供支撑。本文根据《腾讯安全科恩实验室2018年IoT安全白皮书》与相关论文等资料搜集了111种物联网固件中常用的第三方组件源码,提出了9种组件源码属性,并设计了一种结合了动态分析与静态分析的第三方组件版本信息识别方法,最终通过实例研究验证了该方法的有效性。4)固件安全研究数据集管理系统的设计与实现。基于上述研究,本文设计并实现了一个便于安全研究人员使用的、基于Web的固件资源管理系统。固件安全研究人员可以按照自身需求使用关键词和属性字段筛选出需要的固件、芯片SDK、芯片手册以及第三方源码等固件研究所需的相关资源。最后,通过实例研究展示了该系统在固件安全研究中的应用。

关键词：物联网固件固件安全数据集

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一种嵌入式设备固件安全更新方案

电子科技 2023年第8期36卷 14-18,64页

作者：曾祥义刘伟肖昊合肥工业大学微电子学院安徽合肥230009

针对嵌入式设备固件更新的安全问题,文中提出了一种基于哈希、对称、非对称加密算法的多重校验固件安全更新方案。通过主密钥对、临时密钥对、共享密钥以及哈希链等设计,从身份认证、数据加密、完整性校验等多个方面对固件更新进行安全... 详细信息

针对嵌入式设备固件更新的安全问题,文中提出了一种基于哈希、对称、非对称加密算法的多重校验固件安全更新方案。通过主密钥对、临时密钥对、共享密钥以及哈希链等设计,从身份认证、数据加密、完整性校验等多个方面对固件更新进行安全防护,可以有效预防非法用户、固件篡改、固件数据泄露、重放攻击、固件回滚等攻击。文中对此安全更新方案进行了具体实现,实验结果显示该方案相较于无任何安全防护的ISP(In System Programming)和IAP(In Application Pragramming)技术,在时间成本方面分别增加约7%和11%的情况下实现了对固件更新的全流程安全防护,为嵌入式设备的固件更新提供了一种安全、可靠的更新方法。

关键词：固件更新固件安全嵌入式系统身份认证数字签名哈希链完整性校验对称加密

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智能IoT固件安全研究样本库的设计与实现

软件 2023年第3期44卷 17-20,36页

作者：曾文迪吴礼发南京邮电大学计算机学院、软件学院、网络空间安全学院江苏南京210023

随着物联网设备的爆发式增长,人们对物联网设备的安全性也愈发重视,大量研究人员对物联网设备的安全性进行研究。为了给物联网固件安全研究提供分析和实验样本,本文广泛搜集、整理了主流物联网厂商的设备固件,设计了固件信息分析与提取... 详细信息

随着物联网设备的爆发式增长,人们对物联网设备的安全性也愈发重视,大量研究人员对物联网设备的安全性进行研究。为了给物联网固件安全研究提供分析和实验样本,本文广泛搜集、整理了主流物联网厂商的设备固件,设计了固件信息分析与提取方法对收集的固件进行处理,最后使用Django开源Web应用框架实现了可视化的固件样本管理系统,为相关物联网固件安全研究提供有力支撑。

关键词：物联网设备管理系统网络爬虫固件安全

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物联网固件安全缺陷检测研究进展

信息安全学报 2021年第3期6卷 141-158页

作者：张弛司徒凌云王林章计算机软件新技术国家重点实验室(南京大学) 南京210023 南京大学计算机科学与技术系南京210023

固件是物联网设备的基础使能软件,其中存在的安全缺陷是物联网设备遭受攻击的根本原因之一。由于物联网设备资源受限,难以部署完善的安全防护机制,身处不安全的网络环境中,其固件缺陷一旦被恶意利用,轻则使设备宕机,重则威胁安全攸关领... 详细信息

固件是物联网设备的基础使能软件,其中存在的安全缺陷是物联网设备遭受攻击的根本原因之一。由于物联网设备资源受限,难以部署完善的安全防护机制,身处不安全的网络环境中,其固件缺陷一旦被恶意利用,轻则使设备宕机,重则威胁安全攸关领域基础设施,造成巨大的生命财产损失。因此,有效的固件安全缺陷检测已然成为保障物联网设备安全的关键,也成为学术界和工业界研究的热点。面对物联网设备数量的高速增长、固件自身规模和复杂性的不断攀升、固件类型的日益多样化、固件缺陷的持续增多,现有的物联网固件安全缺陷检测研究面临挑战。本文归纳了典型物联网固件实现缺陷类型,分析了典型缺陷产生机理,从静态分析、符号执行、模糊测试、程序验证、基于机器学习的方法等角度综述了现有固件缺陷检测方法。通过对不同方法优势与不足的分析,为进一步提升固件安全缺陷检测方法的智能化、精准化、自动化、有效性、可扩展性提供指导。在此基础上,本文展望了未来可以开展的研究工作。

关键词：物联网设备实时操作系统固件安全缺陷检测

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固件安全检测技术概述

保密科学技术 2021年第11期 3-9页

作者：李丰朴爱花霍玮刘宝旭邹维中国科学院信息工程研究所

本文归纳了影响固件安全的常见问题以及固件安全检测技术面临的挑战。在此基础上,介绍了利用漏洞分析与风险评估系统(VARAS)对固件进行安全检测的技术架构,并重点就其中用于静态审计固件自研代码漏洞,以及检测固件代码复用引入的漏洞的... 详细信息

本文归纳了影响固件安全的常见问题以及固件安全检测技术面临的挑战。在此基础上,介绍了利用漏洞分析与风险评估系统(VARAS)对固件进行安全检测的技术架构,并重点就其中用于静态审计固件自研代码漏洞,以及检测固件代码复用引入的漏洞的技术方案做以阐述。

关键词：固件安全漏洞分析风险评估检测

基于N-Gram算法的智能家居设备固件安全检测方案

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电信工程技术与标准化 2020年第12期33卷 60-63页

作者：徐冬冬王晓明中移(杭州)信息技术有限公司杭州311100

本文提出基于N-Gram的智能家居设备固件安全检测方案。该方案主要采用N-Gram算法提取设备固件中可以代表智能家居设备固件的特征子序列,将单个设备固件特征向量化,在向量空间里将安全的设备固件与存在漏洞的设备固件进行特征比对,从而... 详细信息

本文提出基于N-Gram的智能家居设备固件安全检测方案。该方案主要采用N-Gram算法提取设备固件中可以代表智能家居设备固件的特征子序列,将单个设备固件特征向量化,在向量空间里将安全的设备固件与存在漏洞的设备固件进行特征比对,从而实现了利用智能家居市场上已知漏洞去检测其它智能家居设备的相似漏洞的功能,同时提高了安全工程师对设备固件的漏洞发现效率。

关键词：智能家居固件安全 N-Gram

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物联网设备的固件安全检测平台设计与建设

内蒙古科技与经济 2022年第15期 102-103,113页

作者：王蓓刘妍蕾潘涛内蒙古电力科学研究院内蒙古呼和浩特010000

分析了物联网的发展及物联网设备安全形势,研究了物联网固件安全检测技术,明确了固件安全检测平台建设目标,对平台功能进行了设计与研究,以期为物联网固件安全检测工作奠定基础。

关键词：物联网固件安全检测

基于国产化IT基础设施的通用固件安全模型研究

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软件导刊 2021年第10期20卷 44-49页

作者：徐辰福安婧韦晓鹏成都市陨石慢游科技有限公司四川成都610096 辽宁轨道交通职业学院辽宁沈阳110023

随着国内IT基础设施产业的不断发展,国产芯片、操作系统和应用系统得到了大范围应用。固件作为底层硬件设备与操作系统之间的纽带,其安全性直接影响国产化IT基础设施产业链的长久发展。分析国产化IT基础设施固件安全的现状,针对固件安... 详细信息

随着国内IT基础设施产业的不断发展,国产芯片、操作系统和应用系统得到了大范围应用。固件作为底层硬件设备与操作系统之间的纽带,其安全性直接影响国产化IT基础设施产业链的长久发展。分析国产化IT基础设施固件安全的现状,针对固件安全存在的威胁提出通用固件安全模型。基于该模型,用户可实现国产化IT基础设施产业固件的安全评估,了解固件面临的安全威胁和安全风险;针对威胁和风险,搭建固件安全防护体系,补齐短板;制定固件安全标准,推动固件安全领域的持续健康发展。

关键词：国产IT基础设施固件安全通用安全模型安全评估安全防护