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基于多粒度语义分析的二进制漏洞搜索方法

计算机工程与科学 2021年第12期43卷 2169-2176页

作者：刘豪马慧芳龚楠闫彩瑞西北师范大学计算机科学与工程学院甘肃兰州730070

二进制文件相似度检测旨在通过比较来自不同平台、编译器、优化配置甚至是不同软件版本的2个二进制文件的相似程度来判断二者是否高度相似,其中二进制漏洞搜索为其在信息安全领域的应用之一。二进制漏洞的产生为现代软件应用带来了诸多... 详细信息

二进制文件相似度检测旨在通过比较来自不同平台、编译器、优化配置甚至是不同软件版本的2个二进制文件的相似程度来判断二者是否高度相似,其中二进制漏洞搜索为其在信息安全领域的应用之一。二进制漏洞的产生为现代软件应用带来了诸多问题,如操作系统易受攻击、隐私信息易被窃取等。二进制漏洞产生的主要原因是软件开发过程中进行了代码复用却没有进行严格的监管。据此,提出了一种基于多粒度语义特征分析的二进制漏洞搜索方法Taurus,该方法通过3种粒度的语义特征来搜索跨平台的潜在二进制漏洞。给定待检测二进制文件和漏洞数据库,需要对其与漏洞数据库中的每个二进制漏洞进行逐一搜索。首先,分别对2个二进制文件进行语义提取,以获取二者在基本块、函数和模块3个粒度下的语义特征,并执行相似度计算;然后,整合3种粒度下语义特征的相似度,以计算3种文件的整体相似度得分;最后,将待检测二进制文件与漏洞数据库中所有漏洞的相似度得分结果进行降序排序,便获得了该二进制文件的搜索结果报告。经过合理配置下的实验对比,结果表明,Taurus方法在准确性方面要优于基线方法。

关键词：漏洞搜索多粒度语义特征跨平台

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跨指令集架构二进制漏洞搜索技术研究

跨指令集架构二进制漏洞搜索技术研究

作者：徐威扬国防科技大学

学位级别：硕士

计算机软件技术的发展的同时也伴随着漏洞的出现,软件漏洞的识别是软件安全研究的关键问题。随着软件规模和数量的不断增长,以及同源软件在不同指令集架构上的广泛应用,现有软件漏洞搜索技术的发展难以满足软件市场的实际需求。目前常... 详细信息

计算机软件技术的发展的同时也伴随着漏洞的出现,软件漏洞的识别是软件安全研究的关键问题。随着软件规模和数量的不断增长,以及同源软件在不同指令集架构上的广泛应用,现有软件漏洞搜索技术的发展难以满足软件市场的实际需求。目前常用软件漏洞搜索的方法存在许多缺陷,例如需要软件源代码,只能检测单一指令集架构软件,使用应用范围较为狭隘的动态分析技术,或是耗费时间的语义分析技术。针对上述缺陷,需要在二进制层面来快速有效地识别软件漏洞。本文针对当前跨指令集架构二进制漏洞搜索中存在的关键问题展开两方面的研究工作。一方面提出了一种新的算法来高效地搜索跨指令架构软件中存在的漏洞,提高了现有二进制比对工具比对结果的准确率;另一方面将算法与图数据库、大数据平台相结合,提高了处理批量比对数据和维护漏洞标签库的能力。主要研究成果如下:1.提出一种多阶段搜索方法,可用于高效搜索软件中存在的已知漏洞。该方法的特点是能够支持跨指令集架构、不同编译器和编译优化级别条件下的二进制文件已知漏洞搜索。2.提出一种新的基于基本块图比对的函数匹配算法,该算法通过引入函数内部控制流程图的结构特征以及基本块内容特征进行比较,通过计算函数基本块集合间的相似度来确定函数的匹配关系。该算法的时间复杂度较传统的基本块级别的匹配算法有较大提升。3.实现了一个用于跨指令集架构已知漏洞搜索的工具CABS。该工具支持x86、MIPS、ARM三种指令架构,不同编译器和编译优化级别的二进制文件的匹配,能够高效地搜索二进制文件中存在的漏洞。实验表明,该方法能够准确地搜索软件中的Heartbleed漏洞、Linux工具中的提权漏洞以及路由器镜像中存在的后门等。

关键词：二进制比对指令集架构漏洞搜索特征匹配函数比对

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基于机器学习的跨架构漏洞搜索技术研究

基于机器学习的跨架构漏洞搜索技术研究

作者：吴昊战略支援部队信息工程大学

学位级别：硕士

物联网终端安全是当今网络安全的研究热点,利用固件漏洞是对终端安全影响最广泛的攻击手段之一,攻击者可以利用终端固件漏洞实现对物联网设备的持续性威胁。为便于开发,许多厂商使用了未验证的第三方开源库,造成同一漏洞可能存在于多源... 详细信息

物联网终端安全是当今网络安全的研究热点,利用固件漏洞是对终端安全影响最广泛的攻击手段之一,攻击者可以利用终端固件漏洞实现对物联网设备的持续性威胁。为便于开发,许多厂商使用了未验证的第三方开源库,造成同一漏洞可能存在于多源异构的多个物联网设备上,因此寻找二进制固件代码中的库函数漏洞成为了近年来的研究重点。本文对跨架构二进制漏洞函数搜索问题进行了研究,针对当前方案中存在的稳健特征的选择、跨架构漏洞的搜索以及跨版本函数的识别等问题,构建了基于机器学习的跨架构漏洞函数搜索模型,设计了面向模型的特征选择遗传算法和基于模型融合的函数嵌入生成算法,提出了完整执行路径的概念以识别函数补丁细粒度的改变,实现了在跨架构环境下对漏洞函数的精确搜索。本文主要的研究内容和创新点如下:1)对二进制函数稳健特征的选择问题进行了研究,针对当前方案选取的特征适应性不强,无法应对编译环境差异造成的二进制代码改变的问题,构建了二进制函数特征选择模型,设计了面向模型的遗传算法,从函数控制流图的基本块中筛选出在不同体系架构和编译环境下具有稳健性的特征,并结合数据流信息和函数调用信息作为最终选择的特征。2)对跨架构二进制漏洞函数搜索问题进行了研究,针对当前方案在跨架构环境下搜索精度不高的问题,在选取的稳健特征基础上,构建了基于模型融合的跨架构漏洞函数搜索模型,分别从函数内和函数间两个层次的特征中学习更完整的函数语义信息,实现了有效的跨架构二进制漏洞函数搜索方案。3)对跨版本二进制函数识别问题进行了研究,针对基于函数相似性的漏洞搜索方案的精度无法区分漏洞函数和补丁函数的问题,构建了Inst-CNN模型,解决了指令跨架构的比较问题,提出了完整执行路径的概念,准确捕获细粒度的补丁语义改变,实现在跨架构环境下识别跨版本函数的功能。论文完成了基于机器学习的跨架构漏洞搜索系统原型的设计,在第三方开源库和真实的设备固件上进行了测试,模型在几组评估中的AUC均高于常用的Gemini方案,说明该原型系统在漏洞函数搜索问题上具有更高的准确性。此外,系统原型能够在候选集中进一步区分跨版本的漏洞函数和补丁函数,减少了人工分析工作量,提高了搜索效率。在测试的过程中,发现了某品牌摄像头高危漏洞一款,并准确定位了受其影响的324款在售摄像头,获CNVD年度最具价值漏洞。

关键词：物联网安全跨架构二进制漏洞搜索补丁机器学习

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一种跨指令架构二进制漏洞搜索技术研究

信息网络安全 2017年第9期 21-25页

作者：徐威扬李尧唐勇王宝生国防科技大学网络工程系湖南长沙410073

计算机软件技术不断发展过程中,漏洞的出现无法避免,快速识别漏洞是保护计算机系统的关键。现有识别漏洞的方法多数是基于源代码的,即使基于二进制层面的方法也只是在单一指令架构上完成。针对以上问题,文章提出一种高效搜索二进制代码... 详细信息

计算机软件技术不断发展过程中,漏洞的出现无法避免,快速识别漏洞是保护计算机系统的关键。现有识别漏洞的方法多数是基于源代码的,即使基于二进制层面的方法也只是在单一指令架构上完成。针对以上问题,文章提出一种高效搜索二进制代码漏洞的方法。将不同指令架构的汇编代码规范化,提取漏洞特征与二进制文件特征,通过特征匹配算法找出二进制文件中存在漏洞之处。实验表明,该方法能够准确找到样例中存在的已知漏洞,如OpenSSL库中的Heartbleed漏洞、BusyBox中的提权漏洞以及路由器固件中存在的后门。

关键词：二进制比对漏洞搜索特征匹配

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一种跨指令架构二进制漏洞搜索技术研究

一种跨指令架构二进制漏洞搜索技术研究

基于代码嵌入的二进制代码相似性检测技术研究及应用

第32次全国计算机安全学术交流会

作者：徐威扬李尧唐勇王宝生国防科技大学网络工程系

关键词：二进制比对漏洞搜索特征匹配

来源： cnki会议评论

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基于代码嵌入的二进制代码相似性检测技术研究及应用

作者：熊敏中国科学技术大学

学位级别：硕士

二进制代码相似性检测(Binary Code Similarity Detection,BCSD)可以探测商业软件等不开源软件中的潜在漏洞,在防止漏洞的传播和维护软件供应链安全方面具有重要意义。代码嵌入技术利用神经网络模型将二进制函数的代码表示转化为数值向... 详细信息

二进制代码相似性检测(Binary Code Similarity Detection,BCSD)可以探测商业软件等不开源软件中的潜在漏洞,在防止漏洞的传播和维护软件供应链安全方面具有重要意义。代码嵌入技术利用神经网络模型将二进制函数的代码表示转化为数值向量,在漏洞搜索等应用中取得了优势。同一源代码在不同编译配置下生成的二进制函数,虽然语义相同,但它们的控制流图(Control Flow Graph,CFG)差别较大,导致它们的汇编指令序列不相似,而且CFG中的代码路径也难以匹配。因此,基于函数的汇编指令序列、CFG或路径的代码嵌入方法在BCSD任务中的结果一般。为减少编译配置对相似性检测的干扰,本文先将函数表示为一组基本块树(Basic Block Tree,BBT),BBT由一个基本块和其直接相连的子节点组成。然后,构建代码嵌入模型将基于BBT的代码表示转化为向量,并应用于真实漏洞的搜索。本文的主要研究工作和贡献如下:(1)基于基本块树的二进制代码嵌入方法我们发现,尽管两个CFG整体结构差异较大,但它们之间匹配的BBT较多,而匹配的代码路径较少。因此,我们选择BBT作为CFG的局部特征,并提出了一种基于BBT的二进制代码嵌入方法。为设计基于BBT的代码表示,我们通过层序遍历将CFG分解为一组BBT。同时,使用前序遍历将每个BBT合并为一个汇编指令序列。为构建相应的代码嵌入模型BBTree,我们首先使用Word2vec模型和LSTM网络将BBT的汇编指令序列转化为向量。然后,将所有BBT向量输入Bi-GRU网络,其输出通过最大池化生成一个函数向量。在BCSD的二分类实验中,BBTree的曲线下面积(Area Under Curve,AUC)为0.942,明显高于Gemini 的 0.822 和 SAFE 的 0.897。(2)基于二进制代码相似性检测的搜索应用二进制代码相似性搜索任务的目标是在代码库中找到与待搜索函数Q匹配的目标函数T。这需要计算多对函数之间的相似度,并力求Q和T的相似度最接近。为此,本文提出了一个基于BBTree的二进制代码相似性搜索框架。该框架先使用BBTree把函数转化为向量,并将Q的向量与代码库中每个函数的向量分别计算余弦相似度,选择相似度得分前k名的函数作为候选函数集。然后,将Q的call指令序列与每个候选函数的call指令序列分别计算Jaccard相似度,以进一步定位T。实验结果表明,在漏洞搜索中,该框架的平均召回率为87.9%,明显优于 SAFE 的 59.1%和 Asm2Vec 的 78.3%。

关键词：代码表示代码嵌入模型代码搜索漏洞搜索

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基于代码嵌入的二进制代码相似性分析方法

网络安全与数据治理 2023年第3期42卷 58-67页

作者：熊敏薛吟兴徐云中国科学技术大学计算机科学与技术学院安徽合肥230026 安徽省高性能计算重点实验室安徽合肥230026

代码嵌入利用神经网络模型将二进制函数的代码表示转化为向量,在漏洞搜索等应用中展现了优势。现有的方法将函数表示为汇编指令序列、控制流图的拓扑结构或若干路径,都没有克服不同编译环境导致控制流图结构变化的干扰。为此,设计了基... 详细信息

代码嵌入利用神经网络模型将二进制函数的代码表示转化为向量,在漏洞搜索等应用中展现了优势。现有的方法将函数表示为汇编指令序列、控制流图的拓扑结构或若干路径,都没有克服不同编译环境导致控制流图结构变化的干扰。为此,设计了基于基本块树(Basic Block Tree, BBT)的代码表示以及构建了对应的代码嵌入模型BBTree。首先,二进制函数被表示为一系列BBT,每个BBT被处理为指令序列;其次,BBTree利用LSTM和Bi-GRU将基于BBT的代码表示转化为向量;最后,通过计算向量间的距离去高效衡量对应函数的相似性。在代码搜索中,BBTree的平均准确率比主流工具提升了24.8%;在漏洞搜索中,BBTree的平均召回率比主流工具提升了26.1%。

关键词：代码表示代码嵌入模型代码搜索漏洞搜索

基于神经机器翻译的二进制函数相似性检测方法

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信息工程大学学报 2021年第6期22卷 675-682页

作者：陈斌刘胜利胡安祥杨启超数字工程与先进计算国家重点实验室河南郑州450001

二进制函数相似性检测是检测软件中已知安全漏洞的一种重要手段,随着物联网设备急剧增长,越来越多的软件被编译到不同指令集架构的平台上运行,因此基于二进制的跨平台相似性检测方法更具通用性。针对目前基于深度神经网络的跨平台相似... 详细信息

二进制函数相似性检测是检测软件中已知安全漏洞的一种重要手段,随着物联网设备急剧增长,越来越多的软件被编译到不同指令集架构的平台上运行,因此基于二进制的跨平台相似性检测方法更具通用性。针对目前基于深度神经网络的跨平台相似性检测方法只能在基本块粒度进行相似性比对的不足,基于神经机器翻译的思想,提出一个通用的跨指令集架构的二进制函数相似性检测框架BFS,在函数粒度上通过无监督学习的方法自动捕获二进制函数的语义信息,生成二进制函数的嵌入向量。实验结果表明,BFS的P@10评价指标在88.0%以上,相较于现有方法提升了10.6百分点,并且能够有效检测出路由器固件中的已知真实漏洞。充分说明BFS检测框架在对二进制函数进行嵌入时,不仅能够保留较多原始语义信息,同时能够消除不同指令集架构以及编译优化选项的影响。

关键词：二进制代码相似性检测跨平台漏洞搜索神经机器翻译