CN108681672A - 一种基于A-Star的引导型符号执行方法及系统、Android应用程序 - Google Patents

一种基于A-Star的引导型符号执行方法及系统、Android应用程序 Download PDF

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Abstract

本发明属于计算机漏洞挖掘技术领域，公开了一种基于A‑Star的引导型符号执行方法及系统、Android应用程序，通过A‑Star算法引导程序执行危险区域得到漏洞相关的路径约束条件，采用汇编转换方法将原生库文件翻译并划分为基本块，并利用基本块重用方法和循环简化方法优化符号执行过程，实现对Android原生库漏洞的快速发现和定位问题。本发明采用循环简化方法，在路径遍历过程中，分指定次数循环和无限循环两种情况进行优化，减少循环次数，降低路径约束条件求解的难度。本发明采用基本块重用方法，存储已经分析过的基本块状态，防止符号执行技术重复分析程序中的基本块，减少符号执行时间，提高符号执行效率。

Description

一种基于A-Star的引导型符号执行方法及系统、Android应用 程序
技术领域
本发明属于计算机漏洞挖掘技术领域，尤其涉及一种基于A-Star(A*算法)的引导型符号执行方法及系统、Android应用程序。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：近几年随着Android应用市场的不断发展和漏洞挖掘的技术的不断发展，漏洞的数量在不断增多。从2008年Android正式进入大众市场以来，漏洞的数量在不断的增多，其中，从官方给出的数据看出2014年爆出大量的Android系统的漏洞，其中主要原因是SSL协议类库中出现了多个影响范围非常广泛的漏洞，影响到了大量的应用；当年漏洞总数的92％都是此类漏洞。除此之外，当年还出现TowelRoot本地提权漏洞和FakeID代码注入漏洞等多个非常严重的系统漏洞。安全问题，尤其是Android安全漏洞的研究和挖掘，己经引起国内外的广泛关注，成为了炙手可热的课题。利用漏洞挖掘技术，不仅能够帮助安全分析人员在应用程序发布之前快速发现其中潜在的安全漏洞，而且可以帮助程序开发人员在开发程序时提前预防漏洞的产生，保障用户的信息安全。目前国内外比较关注的漏洞挖掘技术有污染流传播分析、可达路径分析、符号执行、模糊测试等技术，而符号执行技术由于其能够遍历程序全部路径，完整分析程序的特点，已经成为近几年学术界关注的重点。传统符号执行技术为了完整分析程序，得到程序有效的路径特征，会遍历程序中所有路径。然而当对较大的程序进行分析时，传统符号执行技术是非常低效的，它会执行大量的与漏洞不相关的路径，生成冗余且复杂的路径约束条件。对这样的路径约束条件求解是困难的，并且无法达到发现漏洞的目的。尤其当对Android原生库文件使用符号执行技术时，如果产生大量的无用测试数据，那么在漏洞挖掘过程中，由于需要不断地启动Android模拟器中的程序测试数据，就会耗费大量的时间，同时得不到预期效果。
综上所述，现有技术存在的问题是：传统符号执行技术中采用深度优先遍历算法易产生路径爆炸；产生大量的无用测试数据，耗费大量的时间。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于A-Star的引导型符号执行方法及系统、Android应用程序。
本发明是这样实现的，一种基于A-Star的引导型符号执行方法，所述基于A-Star的引导型符号执行方法通过A-Star算法引导程序执行危险区域得到漏洞相关的路径约束条件，采用汇编转换方法将原生库文件翻译并划分为基本块，并利用基本块重用方法和循环简化方法优化符号执行过程，实现对Android原生库漏洞的快速发现和定位问题。
进一步，所述基于A-Star的引导型符号执行方法包括以下步骤：
步骤一，输入目标程序，反汇编，将目标程序的代码段转换为VEX中间语言的形式，读取目标程序数据段，数据段存储在一个连续的内存空间；
步骤二，目标程序的VEX中间语言形式划分为基本块，每个基本块的第一行与最后一行是跳转指令，中间是顺序执行的指令；遇到跳转指令，自动划分为下一个基本块；
步骤三，采用IDA获取目标程序主函数入口地址和结束地址，从入口地址开始读取目标程序基本块，将基本块中的变量变成符号值，模拟程序的执行过程，记录符号值的约束条件；
步骤四，采用A-Star算法引导程序读取漏洞函数所在路径的基本块，得到程序的执行路径和对应的路径约束条件；
步骤五，符号执行结束后，利用约束求解器求解路径约束条件，得到的实际值即为该条路径最终的测试数据；
步骤六，将测试数据输入作为目标程序的入口参数输入，运行目标程序，通过目标程序的状态分析路径状态，出现崩溃或者内存溢出则为漏洞。
进一步，所述步骤四包括：
(1)初始化danger表，形式是键值对<危险函数名，地址>方式，将总结的危险函数名按照字母排序存入danger表；采用IDA搜索并记录目标程序中危险函数所在的地址，存入danger表中；
(2)初始化open表，形式是键值对<地址，权重，路径约束条件>集合，其中地址存储的是程序执行中遇到的所有基本块首地址，权重是整数，路径约束条件就是执行该基本块的跳转条件；open表初始化为<目标程序主函数地址，0，1>；
(3)初始化close表，形式是键值对<地址，权重，路径约束条件>集合，其中地址存储的是程序执行中遇到的所有基本块首地址，权重是整数路径约束条件就是执行该基本块的跳转条件；close表初始化为<空，0，1>；
(4)初始化road表，形式是键值对<路径，约束条件>方式，其中路径存储的是一条执行路径上经过的基本块首地址集合，约束条件存储的是该条路径中所有分支条件的合取范式；road表初始化为<空，1>；
(5)取open表第一个键值对开始模拟执行基本块，遇到基本块的分支跳转时，分析分支条件和跳转后的位置是否是危险函数所在地址，并更新open表、close表和road表；
(6)循环(5)，直到将open表中所有地址分析完毕时，符号执行结束。
本发明的另一目的在于提供一种所述基于A-Star的引导型符号执行方法的基于A-Star的引导型符号执行系统，所述基于A-Star的引导型符号执行系统包括：
加载目标程序模块，用于输入目标程序；
汇编转换模块，用于反汇编输入目标程序，并将目标程序的代码段转换为VEX中间语言的形式，读取目标程序数据段；
读取入口地址模块，用于获取目标程序主函数入口地址和结束地址；
引导符号执行模块，用于引导程序读取漏洞函数所在路径的基本块，得到程序的执行路径和对应的路径约束条件；
求解路径约束条件模块，用于利用约束求解器求解路径约束条件，得到的实际值即为该条路径最终的测试数据；
输入目标程序模块，用于测试数据输入作为目标程序的入口参数输入；
运行目标程序模块，用于通过目标程序的状态分析路径状态。
进一步，所述求解路径约束条件模块包括：
初始化danger表单元，用于将总结的危险函数名按照字母排序存入danger表，采用IDA技术搜索并记录目标程序中危险函数所在的地址，存入danger表中；
初始化open表单元，用于将程序执行中遇到的所有基本块首地址，权重是整数，路径约束条件就是执行该基本块的跳转条件；
初始化close表单元，用于将程序执行中遇到的所有基本块首地址，权重是整数路径约束条件就是执行该基本块的跳转条件；
初始化road表单元，用于将一条执行路径上经过的基本块首地址集合，约束条件存储的是该条路径中所有分支条件的合取范式；
执行基本块单元，用于取open表第一个键值对开始模拟执行基本块；
循环模块，用于将open表中所有地址分析完毕时，符号执行结束。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述基于A-Star的引导型符号执行方法的Android应用程序。
本发明的另一目的在于提供一种搭载所述Android应用程序的计算机、手机、IPAD。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的基于A-Star的引导型符号执行方法。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明采用A*算法启发式地进行路径遍历，能够引导程序执行漏洞相关的路径；通过设置路径权重，快速收集权重大的漏洞路径约束条件，相比传统遍历算法DFS全遍历路径，大大减少了对时间的耗费，有效缓解路径爆炸问题。本发明采用循环简化方法，在路径遍历过程中，分指定次数循环和无限循环两种情况进行优化，减少循环次数，降低路径约束条件求解的难度。本发明采用基本块重用方法，存储已经分析过的基本块状态，防止符号执行技术重复分析程序中的基本块，减少符号执行时间，提高符号执行效率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于A-Star的引导型符号执行方法流程图。
图2是本发明实施例提供的基于A-Star的引导型符号执行方法实现流程图。
图3是本发明实施例提供的基于A-Star的引导型符号执行系统结构示意图；
图中：1、加载目标程序模块；2、汇编转换模块；3、读取入口地址模块；4、引导符号执行模块；5、求解路径约束条件模块；6、输入目标程序模块；7、运行目标程序模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明通过A*算法引导程序执行危险区域得到漏洞相关的路径约束条件，采用汇编转换方法将原生库文件翻译并划分为基本块，并利用基本块重用方法和循环简化方法优化符号执行过程。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于A-Star的引导型符号执行方法包括以下步骤：
S101：输入目标程序，对其反汇编，并将目标程序的代码段转换为VEX中间语言的形式，读取目标程序数据段，将数据段存储在一个连续的内存空间中；
S102：将目标程序的VEX中间语言形式划分为基本块，要求每个基本块的第一行与最后一行是跳转指令，中间都是顺序执行的指令，即划分规则是遇到跳转指令，自动划分为下一个基本块；
S103：采用IDA技术获取目标程序主函数入口地址和结束地址，并从这个入口地址开始读取目标程序基本块，将基本块中的变量变成符号值，模拟程序的执行过程，记录符号值的约束条件；
S104：采用A*算法引导程序读取漏洞函数所在路径的基本块，得到程序的执行路径和对应的路径约束条件；
S105：符号执行结束后，利用约束求解器求解路径约束条件，得到的实际值即为该条路径最终的测试数据；
S106：将测试数据输入作为目标程序的入口参数输入，运行目标程序，通过目标程序的状态分析路径状态，如果出现崩溃或者内存溢出则为漏洞。
在本发明的优选实施例中，步骤S104具体包括：
(1)初始化danger表，形式是键值对<危险函数名，地址>方式，将总结的危险函数名按照字母排序存入danger表，采用IDA技术搜索并记录目标程序中危险函数所在的地址，存入danger表中；
(2)初始化open表，形式是键值对<地址，权重，路径约束条件>集合，其中地址存储的是程序执行中遇到的所有基本块首地址，权重是整数，路径约束条件就是执行该基本块的跳转条件。open表初始化为<目标程序主函数地址，0，1>；
(3)初始化close表，形式是键值对<地址，权重，路径约束条件>集合，其中地址存储的是程序执行中遇到的所有基本块首地址，权重是整数路径约束条件就是执行该基本块的跳转条件。close表初始化为<空，0，1>；
(4)初始化road表，形式是键值对<路径，约束条件>方式，其中路径存储的是一条执行路径上经过的基本块首地址集合，约束条件存储的是该条路径中所有分支条件的合取范式。road表初始化为<空，1>；
(5)取open表第一个键值对开始模拟执行基本块，遇到基本块的分支跳转时，分析分支条件和跳转后的位置是否是危险函数所在地址，并更新open表、close表和road表；
(6)循环(5)，直到将open表中所有地址分析完毕时，符号执行结束。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
如图2所示，本发明实施例提供的基于A-Star的引导型符号执行方法具体包括以下步骤：
步骤一，输入目标程序，对其反汇编，并将目标程序的代码段转换为VEX中间语言的形式，读取目标程序数据段，将数据段存储在一个连续的内存空间中；
步骤二，将目标程序的VEX中间语言形式划分为基本块，要求每个基本块的第一行与最后一行是跳转指令，中间都是顺序执行的指令，即划分规则是遇到跳转指令，自动划分为下一个基本块；
步骤三，采用IDA技术获取目标程序主函数入口地址和结束地址，并从这个入口地址开始读取目标程序基本块，将基本块中的变量变成符号值，模拟程序的执行过程，记录符号值的约束条件；
步骤四，初始化danger表，形式是键值对<危险函数名，地址>方式，将总结的危险函数名按照字母排序存入danger表，采用IDA技术搜索并记录目标程序中危险函数所在的地址，存入danger表中；
步骤五，初始化open表，形式是键值对<地址，权重，路径约束条件>集合，其中地址存储的是程序执行中遇到的所有基本块首地址，权重是整数，路径约束条件就是执行该基本块的跳转条件。open表初始化为<目标程序主函数地址，0，1>；
步骤六，初始化close表，形式是键值对<地址，权重，路径约束条件>集合，其中地址存储的是程序执行中遇到的所有基本块首地址，权重是整数路径约束条件就是执行该基本块的跳转条件。close表初始化为<空，0，1>；
步骤七，初始化road表，形式是键值对<路径，约束条件>方式，其中路径存储的是一条执行路径上经过的基本块首地址集合，约束条件存储的是该条路径中所有分支条件的合取范式。road表初始化为<空，1>；
步骤八，取open表第一个键值对开始模拟执行基本块，遇到基本块的分支跳转时，分析分支条件和跳转后的位置是否是危险函数所在地址，并更新open表、close表和road表；
执行open表中第一个键值对，将open表第一个地址存入road表路径中，将open表第一个约束条件合取road表约束条件并替换road表约束条件；
分析基本块是否已经读取过，即在close表中查找是否存在该基本块的地址，如果不存在，则表示没有读取过，需要顺序执行基本块，按照步骤三进行，如果存在，表示已经读取过，可以直接从close表中取出该基本块的地址、权重和分支条件更新road表，然后继续读取open表；
分析基本块的分支跳转，如果下一个基本块是危险函数地址，那么计算当前基本块地址和危险函数地址的差值，加上当前基本块地址的权重记为危险函数地址的权重，按照权重从小到大的顺序将危险函数地址、权重和执行该基本块的分支条件插入open表中，并将当前基本块地址和权重从open表中删除，存入close表中；
如果不是危险函数地址，舍弃该地址信息，将当前基本块地址存入close表中。
步骤九，循环步骤八，直到将open表中所有地址分析完毕时，符号执行结束。
步骤十，符号执行结束后，利用约束求解器求解路径约束条件，得到的实际值即为该条路径最终的测试数据；
步骤十一，将测试数据输入作为目标程序的入口参数输入，运行目标程序，通过目标程序的状态分析路径状态，如果出现崩溃或者内存溢出则为漏洞。
如图3所示，本发明实施例提供的基于A-Star的引导型符号执行系统包括：
加载目标程序模块1，用于输入目标程序；
汇编转换模块2，用于反汇编输入目标程序，并将目标程序的代码段转换为VEX中间语言的形式，读取目标程序数据段；
读取入口地址模块3，用于获取目标程序主函数入口地址和结束地址；
引导符号执行模块4，用于引导程序读取漏洞函数所在路径的基本块，得到程序的执行路径和对应的路径约束条件；
求解路径约束条件模块5，用于利用约束求解器求解路径约束条件，得到的实际值即为该条路径最终的测试数据；
输入目标程序模块6，用于测试数据输入作为目标程序的入口参数输入；
运行目标程序模块7，用于通过目标程序的状态分析路径状态。
本发明通过A*算法引导程序执行危险区域得到漏洞相关的路径约束条件，采用汇编转换方法将原生库文件翻译并划分为基本块，并利用基本块重用方法和循环简化方法优化符号执行过程，实现对Android原生库漏洞的快速发现和定位问题。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于A-Star的引导型符号执行方法，其特征在于，所述基于A-Star的引导型符号执行方法通过A-Star算法引导程序执行危险区域得到漏洞相关的路径约束条件，采用汇编转换方法将原生库文件翻译并划分为基本块，并利用基本块重用方法和循环简化方法优化符号执行过程，实现对Android原生库漏洞的快速发现和定位问题。
2.如权利要求1所述的基于A-Star的引导型符号执行方法，其特征在于，所述基于A-Star的引导型符号执行方法包括以下步骤：
步骤一，输入目标程序，反汇编，将目标程序的代码段转换为VEX中间语言的形式，读取目标程序数据段，数据段存储在一个连续的内存空间；
步骤二，目标程序的VEX中间语言形式划分为基本块，每个基本块的第一行与最后一行是跳转指令，中间是顺序执行的指令；遇到跳转指令，自动划分为下一个基本块；
步骤三，采用IDA获取目标程序主函数入口地址和结束地址，从入口地址开始读取目标程序基本块，将基本块中的变量变成符号值，模拟程序的执行过程，记录符号值的约束条件；
步骤四，采用A-Star算法引导程序读取漏洞函数所在路径的基本块，得到程序的执行路径和对应的路径约束条件；
步骤五，符号执行结束后，利用约束求解器求解路径约束条件，得到的实际值即为该条路径最终的测试数据；
步骤六，将测试数据输入作为目标程序的入口参数输入，运行目标程序，通过目标程序的状态分析路径状态，出现崩溃或者内存溢出则为漏洞。
3.如权利要求2所述的基于A-Star的引导型符号执行方法，其特征在于，所述步骤四包括：
(1)初始化danger表，形式是键值对<危险函数名，地址>方式，将总结的危险函数名按照字母排序存入danger表；采用IDA搜索并记录目标程序中危险函数所在的地址，存入danger表中；
(2)初始化open表，形式是键值对<地址，权重，路径约束条件>集合，其中地址存储的是程序执行中遇到的所有基本块首地址，权重是整数，路径约束条件就是执行该基本块的跳转条件；open表初始化为<目标程序主函数地址，0，1>；
(3)初始化close表，形式是键值对<地址，权重，路径约束条件>集合，其中地址存储的是程序执行中遇到的所有基本块首地址，权重是整数路径约束条件就是执行该基本块的跳转条件；close表初始化为<空，0，1>；
(4)初始化road表，形式是键值对<路径，约束条件>方式，其中路径存储的是一条执行路径上经过的基本块首地址集合，约束条件存储的是该条路径中所有分支条件的合取范式；road表初始化为<空，1>；
(5)取open表第一个键值对开始模拟执行基本块，遇到基本块的分支跳转时，分析分支条件和跳转后的位置是否是危险函数所在地址，并更新open表、close表和road表；
(6)循环(5)，直到将open表中所有地址分析完毕时，符号执行结束。
4.一种如权利要求1所述基于A-Star的引导型符号执行方法的基于A-Star的引导型符号执行系统，其特征在于，所述基于A-Star的引导型符号执行系统包括：
加载目标程序模块，用于输入目标程序；
汇编转换模块，用于反汇编输入目标程序，并将目标程序的代码段转换为VEX中间语言的形式，读取目标程序数据段；
读取入口地址模块，用于获取目标程序主函数入口地址和结束地址；
引导符号执行模块，用于引导程序读取漏洞函数所在路径的基本块，得到程序的执行路径和对应的路径约束条件；
求解路径约束条件模块，用于利用约束求解器求解路径约束条件，得到的实际值即为该条路径最终的测试数据；
输入目标程序模块，用于测试数据输入作为目标程序的入口参数输入；
运行目标程序模块，用于通过目标程序的状态分析路径状态。
5.如权利要求4所述的基于A-Star的引导型符号执行系统，其特征在于，所述求解路径约束条件模块包括：
初始化danger表单元，用于将总结的危险函数名按照字母排序存入danger表，采用IDA技术搜索并记录目标程序中危险函数所在的地址，存入danger表中；
初始化open表单元，用于将程序执行中遇到的所有基本块首地址，权重是整数，路径约束条件就是执行该基本块的跳转条件；
初始化close表单元，用于将程序执行中遇到的所有基本块首地址，权重是整数路径约束条件就是执行该基本块的跳转条件；
初始化road表单元，用于将一条执行路径上经过的基本块首地址集合，约束条件存储的是该条路径中所有分支条件的合取范式；
执行基本块单元，用于取open表第一个键值对开始模拟执行基本块；
循环模块，用于将open表中所有地址分析完毕时，符号执行结束。
6.一种实现权利要求1～3任意一项所述基于A-Star的引导型符号执行方法的Android应用程序。
7.一种搭载权利要求7所述Android应用程序的计算机、手机、IPAD。
8.一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1-3任意一项所述的基于A-Star的引导型符号执行方法。
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