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基于多目标优化算法NSGA-Ⅱ的软件多样化组合方法

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计算机科学 2024年第6期51卷 85-94页

作者：谢根琳程国振梁浩王庆丰解放军战略支援部队信息工程大学郑州450001

软件多样化因能有效提升系统弹性、增加恶意二进制分析的成本而被广泛应用于软件开发等场景中。而如何对现有软件多样化技术进行组合部署,以在获得更高安全增益的同时保持较低的性能开销,是当前软件多样化研究的核心问题之一。针对现有... 详细信息

软件多样化因能有效提升系统弹性、增加恶意二进制分析的成本而被广泛应用于软件开发等场景中。而如何对现有软件多样化技术进行组合部署,以在获得更高安全增益的同时保持较低的性能开销,是当前软件多样化研究的核心问题之一。针对现有软件多样化组合方法中搜索算法效率低、搜索空间小、安全性评估指标不全面、难以综合考量软件多样化对各类攻击的影响等问题,提出了一种基于多目标优化算法的软件多样化组合方法,将软件多样化组合问题构建为综合考量TLSH相似度、gadget质量分数和CPU时钟周期数指标的多目标优化模型,并设计了包括染色体编码、自适应交叉和变异算子,以及针对组合方案的有效性验证算法等在内的NSGA-Ⅱ求解算法。最后,在GNU核心工具组数据集上进行实验,结果表明,该组合方法可有效生成高安全增益、低性能开销的软件多样化组合方案。

关键词：软件多样化多目标优化 NSGA-Ⅱ算法多样化技术组合量化评估

软件多样化技术安全性评估与优化组合方法研究

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软件多样化技术安全性评估与优化组合方法研究

作者：谢根琳战略支援部队信息工程大学

学位级别：硕士

随着网络及软件市场规模的快速增长,“软件单一文化”问题所带来的安全威胁也愈发严重,而软件多样化技术可通过内存布局随机化等途径生成功能等价的软件变体,使攻击者对不同软件变体的攻击经验难复用、攻击效果难复现,有效缓解“软件单... 详细信息

随着网络及软件市场规模的快速增长,“软件单一文化”问题所带来的安全威胁也愈发严重,而软件多样化技术可通过内存布局随机化等途径生成功能等价的软件变体,使攻击者对不同软件变体的攻击经验难复用、攻击效果难复现,有效缓解“软件单一文化”问题所带来的安全威胁,降低大规模攻击风险,提升网络及软件系统的弹性和安全性,尽管其现有研究在防御机制优化和完善层面取得了一定的进展,但围绕软件多样化技术的安全性评估与优化组合方法研究仍存在一些不足之处,进而导致软件多样化技术在优化安全增益和性能开销、增强其可用性和适用范围等方面缺乏指导性。针对上述问题,本课题首先面向软件变体安全增益进行软件多样化技术的安全性评估方法研究,给出了可用于度量软件变体安全增益的评估指标,基于此,提出了综合考量软件变体安全增益和性能开销的软件多样化技术组合方法,最后聚焦于各多样化技术及其组合部署所生成的变体在分发至网络内各节点后所带来的安全性影响,设计了相应的变体分发及评估方法。主要研究内容及工作如下:1、针对目前面向软件变体安全增益的评估方法难以准确全面地反映软件多样化技术所带来的软件变体安全增益的问题,提出一种基于gadget特征分析的软件多样化技术安全性评估方法。首先,分析代码重用型攻击受软件多样化技术影响的攻击步骤,提取其gadget特征,并提出相应的gadget质量、实用性和分布三个指标,从而度量软件多样化技术对代码重用型攻击各攻击步骤的影响程度。然后,构建基于所提gadget指标的安全性评估算法,综合评估软件多样化技术所带来的软件变体安全增益。最后,通过对不同粒度的软件多样化技术进行评估实验,验证了所提评估方法的有效性,分析所得评估结果可知,细粒度的软件多样化技术能够更有效地增加攻击软件变体的成本,得出软件多样化技术可有效缓解代码重用型攻击的威胁,并在一定程度上提升软件安全性的结论。2、针对现有软件多样化技术的组合方法中搜索算法效率低、搜索空间小,安全性评估指标不全面,难以有效生成兼顾安全性和性能开销的组合方案的问题,提出一种基于多目标优化算法NSGA-II的软件多样化技术组合方法。首先,分析软件多样化技术组合问题,以及各不同粒度软件多样化技术的差异,构建综合考量TLSH相似度、gadget质量和CPU时钟周期数指标的多目标优化模型。然后,提出基于NSGA-II的软件多样化技术组合问题求解算法,其中包括染色体编码和初始种群生成算法、自适应交叉和变异算子,以及针对所生成组合方案的有效性验证算法等。最后,通过实例分析验证了所提组合方法的有效性,并将所提组合方法分别与基于随机策略、贪心策略和向后逐步回归法构建的组合方法进行对比实验,结果表明,所提组合方法生成的组合方案可在带来更高安全增益的同时,保持较低的性能开销。3、针对现阶段网络场景下的变体分发及评估方法中仅分析由不同商用软件引入的自然软件多样性对网络安全性的影响,且评估时所用的攻击策略较为单一的问题,提出一种面向网络场景的变体分发及评估方法。首先,构建综合冗余缓冲区插入、缓冲区维度增加等4种不同多样化技术,以及二叉攻击、步进式攻击等4种不同攻击策略的网络攻防模型,并提出一种基于节点可达路径内漏洞信息的多样性指标,以及一组网络安全性度量指标。然后,依据所提多样性指标,将网络场景下的变体分发问题构建为整数规划问题,并提出基于模拟退火算法的变体分发方法对该问题进行求解。最后,通过仿真实验验证了所提评估方法的有效性,并对比分析所提变体分发方法与随机着色等方法在均分发各多样化技术组合部署所生成的变体时对网络安全性的影响,结果表明,所提变体分发方法可更有效地延缓攻击在网络内的扩散,从而验证了所提变体分发方法的有效性。

关键词：软件多样化安全增益量化评估优化组合变体分发

基于ROP/JOP gadgets性质的软件多样化评估方法

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网络与信息安全学报 2022年第6期8卷 135-145页

作者：迟宇宁郭云飞王亚文扈红超信息工程大学河南郑州450001

为应对信息化生活中的网络攻击及威胁,降低网络系统中同质化攻击快速蔓延的风险,增强网络和软件的安全性,软件多样化技术被应用到系统中。软件多样化旨在生成功能等价但内部发生变化的程序变体,从而改变单一的运行环境,缓解同质化攻击... 详细信息

为应对信息化生活中的网络攻击及威胁,降低网络系统中同质化攻击快速蔓延的风险,增强网络和软件的安全性,软件多样化技术被应用到系统中。软件多样化旨在生成功能等价但内部发生变化的程序变体,从而改变单一的运行环境,缓解同质化攻击。现有的多样化技术的评估指标ROP(return-oriented programming)gadgets幸存率难以直接体现安全性影响且评估方法单一,为了更加全面有效地评估软件多样化方法的有效性,提出基于ROP/JOP(jump-oriented programming)gadgets性质的软件多样化评估方法,通过分析常见的代码重用攻击,将抽象的量化转为具象的指标,从空间、时间及质量3个方面评估多样化方法的安全增益及效果。该方法根据gadgets的相似性、损坏度和可用性3个性质探讨软件多样化技术如何影响ROP/JOP攻击。用指令替换、NOP插入、控制流平坦等9种多样化方法对GNUcoreutils程序集进行多样化编译生成多样化程序集。对多样化程序集进行基于gadgets性质的实验,根据实验结果评估不同多样化方法的有效性及对攻击造成的影响。实验结果表明,该方法能够对软件多样化方法的安全增益进行准确评估,多样化技术会导致ROP/JOP攻击所需的攻击链空间增大,构造攻击链的时间变长且攻击成功率降低。不同的多样化方法产生的效果高低不一,对后续研究具有更高安全增益的多样化技术有指导作用。

关键词：软件多样化 ROP/JOP攻击 gadgets性质安全增益评估

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基于二进制重写的软件多样化方法

网络与信息安全学报 2023年第2期9卷 94-103页

作者：何本伟郭云飞王亚文王庆丰扈红超信息工程大学河南郑州450001

软件多样化是应对代码重用攻击的有效方法,但现有软件多样化技术大多基于源代码实现,相比二进制文件,程序源代码并不容易获得。二进制文件难以做到精准拆卸、区分代码指针和数据常量,使得对二进制文件的多样化转换有限,难以产生足够高... 详细信息

软件多样化是应对代码重用攻击的有效方法,但现有软件多样化技术大多基于源代码实现,相比二进制文件,程序源代码并不容易获得。二进制文件难以做到精准拆卸、区分代码指针和数据常量,使得对二进制文件的多样化转换有限,难以产生足够高的随机化熵,容易被攻击者暴力破解。针对此问题,提出一种面向二进制文件的软件多样化方法,指令偏移随机化,该方法基于静态二进制重写技术在程序指令前以一定概率插入不同字节长度的无操作(NOP)指令,不仅能够减少程序中非预期的gadget数量,还使原指令地址发生随机偏移,打乱程序原有的内存布局,增加了代码重用攻击的成本。同时,针对所提方法设计了基于“热”代码的优化策略,通过动态插桩获得二进制文件中基本块的执行次数,以此调整每个基本块中NOP指令的插入概率,在执行频率更高的基本块中插入更少的NOP指令,可以保证较低性能开销的同时产生更高的随机化熵。实验部分使用SPEC基准测试程序,从性能开销、gadget存活率、文件大小等角度对优化后的方法进行实例测试,结果表明:当插入概率为15%时效果最好,程序中gadget平均存活率趋于稳定且小于1.49%,增加攻击者重复利用相同gadget攻击链攻击难度的同时,该安全性下仅额外增加了4.1%的运行开销和7.7%的文件膨胀率。

关键词：软件多样化二进制重写 NOP指令插入代码重用攻击

基于多目标优化算法NSGA-II的软件多样化组合方法

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计算机科学 2023年

作者：谢根琳程国振梁浩王庆丰解放军战略支援部队信息工程大学

软件多样化因有效提升系统弹性、增加恶意二进制分析的成本而被广泛应用于软件开发等场景中。而如何对现有软件多样化技术进行组合部署以在获得更高安全增益的同时，保证较低的性能开销是当前软件多样化研究的核心问题之一。针对现有软... 详细信息

软件多样化因有效提升系统弹性、增加恶意二进制分析的成本而被广泛应用于软件开发等场景中。而如何对现有软件多样化技术进行组合部署以在获得更高安全增益的同时，保证较低的性能开销是当前软件多样化研究的核心问题之一。针对现有软件多样化组合方法中搜索算法效率低、搜索空间小，安全性评估指标不全面，难以综合考量软件多样化对各类攻击的影响等问题，提出了一种基于多目标优化算法的软件多样化组合方法，将软件多样化组合问题构建为综合考量TLSH相似度、gadget质量分数和CPU时钟周期数指标的多目标优化模型，并设计了包括染色体编码、自适应交叉和变异算子，以及针对组合方案的有效性验证算法等在内的NSGA-II求解算法。最后，在GNU核心工具组数据集上进行实验，结果表明，该组合方法可有效生成高安全增益，低性能开销的软件多样化组合方案。

关键词：软件多样化多目标优化 NSGA-II算法多样化技术组合量化评估

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基于软件多样化的拟态安全防御策略

计算机科学 2018年第2期45卷 215-221页

作者：张宇嘉庞建民张铮邬江兴数学工程与先进计算国家重点实验室郑州450001 国家数字交换系统工程技术研究中心郑州450001

随着逆向工程的不断发展,软件产业的利益在很长一段时间内受到了来自盗版产业和恶意行为的破坏。为了找到一种低成本的高效抗逆向方法,人们引入了原本为恶意软件用于隐藏自身恶意行为的混淆技术来提高逆向工程的门槛。但是,现存的大多... 详细信息

随着逆向工程的不断发展,软件产业的利益在很长一段时间内受到了来自盗版产业和恶意行为的破坏。为了找到一种低成本的高效抗逆向方法,人们引入了原本为恶意软件用于隐藏自身恶意行为的混淆技术来提高逆向工程的门槛。但是,现存的大多数混淆方法都是语言相关或者依赖目标平台的,对逆向的作用往往极其有限。鉴于此,提出一种基于LLVM的新的编译时的混淆实现方法,并结合拟态防御思想提出一种新的软件防御策略,其能有效防御针对软件的多种恶意攻击。

关键词：混淆软件多样化拟态防御

拟态防御技术结合软件多样化在软件安全产业中的应用

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中国工程科学 2016年第6期18卷 74-78页

作者：庞建民张宇嘉张铮邬江兴中国人民解放军信息工程大学数学工程与先进计算国家重点实验室郑州450001 中国人民解放军信息工程大学国家数字交换系统工程技术研究中心郑州450002

随着互联网的飞速发展,计算机软件全球化的进程不断推进。大量相同软件安装在数以万计的计算机中,容易导致黑客利用软件的漏洞,攻击安装了该软件的所有计算机。传统的软件安全措施是依靠对漏洞进行修补,其只能起到亡羊补牢的作用。软件... 详细信息

随着互联网的飞速发展,计算机软件全球化的进程不断推进。大量相同软件安装在数以万计的计算机中,容易导致黑客利用软件的漏洞,攻击安装了该软件的所有计算机。传统的软件安全措施是依靠对漏洞进行修补,其只能起到亡羊补牢的作用。软件多样化技术可以使这种情况得到缓解,但其并没有从根本上消除漏洞带来的威胁。本文提出将拟态防御技术与软件多样化技术相结合应用于软件安全产业,可以消除漏洞带来的威胁。

关键词：软件多样化拟态防御软件安全产业

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基于LLVM的多样化编译方法

计算机工程 2024年

作者：陈迎超王俊超庞建民岳峰信息工程大学网络空间安全学院

现有的软件多样化工具对多个C/C++源文件组成的项目多样化时，大多数都是对单个C/C++源文件中的所有函数采用相同的多样化方法，这就导致了对每个函数或每个源文件多样化方式单一，多样化方式缺乏针对性问题。为此，基于LLVM中间表示，... 详细信息

现有的软件多样化工具对多个C/C++源文件组成的项目多样化时，大多数都是对单个C/C++源文件中的所有函数采用相同的多样化方法，这就导致了对每个函数或每个源文件多样化方式单一，多样化方式缺乏针对性问题。为此，基于LLVM中间表示，提出了一种分组混淆和代码感知相结合的多样化编译方法。首先设计基于不同角度形成的混淆技术预选库，包含了多种混淆技术分组方案。然后编译时通过对遍历的每个函数进行代码分析和处理，感知到函数的混淆特征，针对性地选择相应的多样化分组策略，进而随机选择组内的多样化技术进行混淆，从而实现对每个函数所采用的多样化方案都大不相同，使得生成的异构执行体集合更加多样化，为拟态防御技术和移动目标防御技术提供了基础软件支撑。为验证该方法的有效性，选择标准测试集和典型案例，从安全性和性能这两方面进行验证。结果表明该方法在能够保证安全性的同时，对性能也几乎没有影响，从而验证了本文提出的多样化编译方法在实际应用中的有效性和可行性。

关键词：多样化编译代码混淆软件保护软件多样化主动防御

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一种基于多粒度特征的软件多样性评估方法

计算机科学 2022年第12期49卷 118-124页

作者：迟宇宁郭云飞王亚文扈红超解放军战略支援部队信息工程大学信息技术研究所郑州450001

针对现有软件多样性评估方法普遍采用单一特征,无法准确表征软件特性进而导致评估准确度较低的问题,提出了一种基于多粒度特征的软件多样性评估方法。该方法从程序的指令、函数、基本块、二进制文件4个粒度进行分析,首先通过小素数乘积... 详细信息

针对现有软件多样性评估方法普遍采用单一特征,无法准确表征软件特性进而导致评估准确度较低的问题,提出了一种基于多粒度特征的软件多样性评估方法。该方法从程序的指令、函数、基本块、二进制文件4个粒度进行分析,首先通过小素数乘积法、动态权重分配等算法获取不同粒度的差异度特征,然后根据差异度分析该粒度的多样性,进而探讨多样化技术的有效性。实验部分采用GNU核心程序集,对指令替换、控制流平坦、伪控制流、NOP插入等7种软件多样化方法进行了综合评估,分析了不同软件多样化方法对不同粒度的特征带来的差异程度和多样性,验证了评估算法的适用性。实验结果表明,该评估方法能够从纵向和横向两个方向对软件多样化方法的有效性进行准确评估,对后续多样化技术的研究具有参考价值。

关键词：软件多样化多粒度特征多样性分析小素数乘积法量化评估