有效的嵌入式軟件安全測試

互聯(lián)嵌入式系統(tǒng)在我們的日常生活中變得越來越普遍，也更容易受到攻擊。嵌入式軟件安全測試的現(xiàn)有技術(shù)依賴于源代碼或二進制文件。但是，測試二進制代碼是檢測漏洞的困難方法，因為源代碼語義會丟失。這使得識別內(nèi)存安全違規(guī)和損壞變得困難。在嵌入式系統(tǒng)中，高級源代碼往往與手寫匯編代碼混合在一起，當前基于源代碼的工具無法直接處理這些代碼。

但是，有一個新框架可用，使您能夠?qū)?a href="http://www.ttokpm.com/soft/data/21-22/" target="_blank">嵌入式系統(tǒng)軟件執(zhí)行系統(tǒng)范圍的安全測試。開源的 Inception 框架引入了嵌入式系統(tǒng)中符號執(zhí)行的新技術(shù)。簡而言之，符號執(zhí)行是一種實現(xiàn)高代碼覆蓋率并在檢測到錯誤時生成測試用例的技術(shù)。我的EURECOM同事Giovanni Camurati和Aurélien Francillon，以及我將在論文中更多地談?wù)揑nception。

Inception背后的動機是幫助開發(fā)人員發(fā)現(xiàn)其連接的嵌入式系統(tǒng)中的漏洞。畢竟，嵌入式軟件中的漏洞可能會產(chǎn)生可怕的后果。例如，用于越獄某些智能手機的引導ROM漏洞無法在軟件中修補，因為引導加載程序在掩碼ROM中是硬編碼的。因此，能夠徹底測試此類低級嵌入式軟件至關(guān)重要。與僅使用二進制代碼相比，基于源代碼的測試可以更好地檢測錯誤。但是，高級編程語言 （C/C++） 通常與手寫匯編混合（以執(zhí)行手動優(yōu)化或啟用硬件功能）。在某些情況下，為板級支持包或?qū)Ｓ袔齑a提供二進制代碼。由于這些原因，測試嵌入式系統(tǒng)軟件需要對所有這些語言的大量支持。

Inception 如何發(fā)現(xiàn)漏洞

初始由三個關(guān)鍵組件組成：

Inception 轉(zhuǎn)換器從高級源代碼、手寫程序集、二進制庫和部分處理器硬件行為生成和合并 LLVM 位代碼。

基于 KLEE 的 Inception 符號虛擬機執(zhí)行符號執(zhí)行。它使用多種策略來管理不同級別的內(nèi)存抽象、與外圍設(shè)備的交互和中斷。

Inception Debugger是一個高性能的JTAG調(diào)試器，它將內(nèi)存訪問重定向到真實硬件。

Camurati，F(xiàn)rancillon和我使用53，000個測試驗證了我們的實現(xiàn)，這些測試將Inception執(zhí)行與Arm Cortex-M3芯片上的具體執(zhí)行進行了比較。在 USENIX 的演講中，我們將討論我們?nèi)绾卧?1624 個合成易受攻擊的程序、4 個真實的開源和工業(yè)應(yīng)用程序以及 20 個演示的基準上展示 Inception 的優(yōu)勢。在這次檢查中，我們發(fā)現(xiàn)了八個崩潰和兩個以前未知的漏洞，這突出了Inception框架在嵌入式設(shè)備固件測試方面的效果。

在實際的產(chǎn)品開發(fā)方案中，Inception 框架對于商業(yè)引導加載程序非常有用，因為它們具有低級代碼并且經(jīng)常解析不受信任的輸入。當真正的硬件尚不可用時，引導加載程序很難測試。我們分析了一個安全引導加載程序，它支持存儲在一次性可編程（OTP）內(nèi)存中的多個引導選項。在特定模式下執(zhí)行時，引導加載程序會填充一個結(jié)構(gòu)，其中包含有關(guān)要加載的應(yīng)用程序的信息。結(jié)構(gòu)位置保存在未初始化的SRAM位置（未初始化的指針稱為p_header）。如果無效寫入未觸發(fā)任何其他錯誤，引導加載程序仍可以在start_address時執(zhí)行并成功加載應(yīng)用程序，這使得問題難以在實際硬件上檢測到。它不會在FPGA原型上崩潰，因為SRAM在啟動時初始化為0，而硅片上的情況并非如此。此外，稍后嘗試檢測錯誤（例如在硅片上）將付出高昂的代價。因此，攻擊者可以獲得對p_header值的部分控制權(quán)。我們還在商用芯片的軟件開發(fā)工具包上測試了Inception。硬件原型尚不可用，因此我們將外設(shè)讀取配置為返回不受約束的符號值。Inception 發(fā)現(xiàn)了一個測試用例，其中逐位移位依賴于不受信任的值;該錯誤會導致外圍設(shè)備配置錯誤和意外行為。最后，我們將 Inception 框架應(yīng)用于正在開發(fā)的商業(yè)支付終端。我們 使用 其 FPGA 原型 來 重新 定向 大多數(shù) 外 設(shè) 和 其 中斷。Inception檢測到八個潛在漏洞。

增強嵌入式軟件測試

在嵌入式應(yīng)用程序中，手寫匯編和第三方二進制庫的使用相當普遍。通常，即使內(nèi)存變得更便宜并且編譯器效率提高，也有必要手動優(yōu)化代碼。程序集還用于直接與一些低級處理器功能交互。但是，這限制了傳統(tǒng)的基于源代碼的測試框架的使用。Inception 框架提供了一種強大的方法，可以在源代碼可用時增強嵌入式軟件測試。

審核編輯：郭婷