改進(jìn)的CFCSS控制流檢測(cè)算法

李靜梅，吳艷霞，沈晶，張健沛

(哈爾濱工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

空間輻射環(huán)境中，宇宙射線、地磁俘獲輻射帶、太陽質(zhì)子事件都能導(dǎo)致航天器電子系統(tǒng)中的半導(dǎo)體器件發(fā)生單粒子效應(yīng)，單粒子效應(yīng)引發(fā)的瞬時(shí)故障嚴(yán)重影響航天器的可靠性和壽命.這些帶電粒子在航天器電子系統(tǒng)中產(chǎn)生的瞬時(shí)擾動(dòng)即使持續(xù)時(shí)間很短，但對(duì)某些應(yīng)用系統(tǒng)，可能是致命的破壞.1997年1月11日美國的Telstar401衛(wèi)星，因太陽引起的空間環(huán)境擾動(dòng)而損壞，導(dǎo)致北美的尋呼機(jī)和長(zhǎng)途電話大面積發(fā)射中斷，不良影響甚至波及到了金融、股票市場(chǎng)的正常運(yùn)行.研究表明在1992至2011年間，組合電路中的瞬時(shí)故障率將增加9個(gè)數(shù)量級(jí)［1］.

從上面的論述不難看出，微處理器瞬時(shí)故障問題正日益彰顯，是研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)問題.單粒子翻轉(zhuǎn)(single event upset，SEU)［2-3］、單粒子瞬態(tài)脈沖效應(yīng)(single event transient，SET)［4-5］等瞬時(shí)故障，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行程序的數(shù)據(jù)流、指令流及控制流錯(cuò)誤，但幾率最大、危害最大的是改變指令序列執(zhí)行順序的控制流錯(cuò)誤［6］.

文中首先分析總結(jié)了控制流檢測(cè)算法的原理，其次，分析CFCSS算法原理［7-8］，并簡(jiǎn)述其中存在的檢測(cè)混淆和檢測(cè)出錯(cuò)現(xiàn)象的原因;最后，根據(jù)CFCSS算法中存在的問題，修改了基礎(chǔ)基本塊的選擇方法和多調(diào)整簽名值賦值語句的插入位置，提出了改進(jìn)的ICFCSS算法(improved CFCSS).

1 控制流圖與基本塊

為了方便描述控制流檢測(cè)算法，在此引入幾個(gè)定義.

定義1 控制流圖(control flow graph，CFG)可表示為G={V，E}，V={vi|vi為控制流基本塊，1≤i≤n，n為控制流基本塊號(hào)}，E={(vi，vj)|表示控制流從vi跳轉(zhuǎn)到vj，vi為源基本塊，vj為目的基本塊}.

定義2 e－(vi)為基本塊vi的輸入邊，即直接指向vi的邊.e+(vi)為基本塊vi的輸出邊，即從vi引出的邊.pred(vi)表示vi的e－(vi)集合.suc(vi)表示vi的e+(vi)集合.deg－(vi)(deg+(vi))為基本塊vi的入(出)度，即Pred(vi)(Suc(vi))集合中元素的個(gè)數(shù).多扇入基本塊集VMI={vi|deg－(vi)＞1，i為控制流基本塊數(shù)}.多扇出基本塊集VMO= {vi|deg+(vi)＞1，i為控制流基本塊數(shù)}.

2 控制流檢測(cè)算法原理

將傳統(tǒng)的控制流錯(cuò)誤檢測(cè)能力分析方法中的基本塊結(jié)構(gòu)定義為圖1，稱為帶簽名檢測(cè)的基本塊(checking basic-block，CB).

圖1 帶簽名檢測(cè)的基本塊結(jié)構(gòu)Fig.1 General basic block with inserted signatures

控制流錯(cuò)誤檢測(cè)算法的一般過程為:首先，根據(jù)基本塊定義，以基本塊為單位生成程序的控制流圖;其次，根據(jù)簽名生成算法為每個(gè)基本塊生成編譯時(shí)簽名值;然后，分析源基本塊和目的基本塊之間關(guān)系，根據(jù)控制流檢測(cè)算法生成冗余檢測(cè)指令，將其插入源程序中，生成帶控制流檢測(cè)的程序;最后，在程序運(yùn)行時(shí)通過冗余檢測(cè)指令判斷是否發(fā)生控制流錯(cuò)誤.因此，控制流檢測(cè)算法主要描述以下4個(gè)方面的內(nèi)容:

1)確定檢測(cè)基本單位.控制流檢測(cè)錯(cuò)誤算法主要以基本塊為基本單位進(jìn)行控制流檢測(cè).

2)簽名生成算法(SIN_GEN).基于簽名的控制流檢測(cè)技術(shù)是將編譯時(shí)生成的簽名作為檢測(cè)算法的一個(gè)參數(shù)，根據(jù)簽名值的特征進(jìn)行判斷.簽名值可以通過控制流圖中基本塊的位置信息表示，也可以通過編碼等方式表示.

3)簽名檢測(cè)算法(SIN_FUN).簽名檢測(cè)算法是控制流檢測(cè)技術(shù)的核心，通過簡(jiǎn)單、有效的方法判斷是否發(fā)生控制流錯(cuò)誤.

4)檢測(cè)指令插入位置.根據(jù)具體的檢測(cè)方法將控制流檢測(cè)指令插入到基本塊首部、中間或尾部，不同的控制流檢測(cè)方法其檢測(cè)指令插入的位置各不相同.

3 CFCSS算法原理及存在問題分析

3.1 CFCSS算法原理

CFCSS算法是基于匯編語言的控制流檢測(cè)算法，以基本塊為單位進(jìn)行檢測(cè)，算法描述如下.

輸入:待加固的匯編語言.

1)根據(jù)基本塊定義方法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)匯編程序劃分基本塊，構(gòu)建程序流圖.為每個(gè)基本塊vj∈V分配唯一編譯時(shí)簽名值sj，si≠sj，其中if i≠j，i，j=1，2，…N，N是程序中總的基本塊數(shù).

2)分析基本塊間關(guān)系，插入為G和D賦值的語句，G為運(yùn)行時(shí)生成的源基本塊簽名值，D為編譯時(shí)生成調(diào)整簽名值.對(duì)于每個(gè)基本塊vj，j=1，2，…，N，判斷其deg－(vj)是否大于1.

1)如果deg－(vj)=1，pred(vj)={vi}，生成簽名差dj=si⊕sj;生成簽名檢測(cè)函數(shù):G=G⊕dj，br(G≠sj)，將其插入到基本塊入口.

2)如果deg－(vj)＞1，pred(vj)={vi，vk，…，vn}，引入調(diào)整簽名值D.

①如果存在集合S={vi|deg+(vi)＞1，vi∈pred(vj)}，任選集合S中一個(gè)基本塊作為基礎(chǔ)基本塊，生成基本塊vj的簽名差dj=si⊕sj.對(duì)于基本塊vi，插入指令Dn=si⊕si，該指令必須位于br(G≠si) error指令之后.對(duì)其余基本塊vn∈pred(vj)－vi，插入指令Dn=si⊕sn，該指令必須位于br(G≠sn) error指令之后.生成簽名檢測(cè)函數(shù):G=G⊕dj，G= G⊕D，br(G≠sj)error，將其插入到基本塊首部.

②如果不存在集合S={vi|deg+(vi)＞1，vi∈pred(vj)}，任選{vi，vk，…，vn}中一個(gè)基本塊作為基礎(chǔ)基本塊，生成基本塊vj的簽名差dj=si⊕sj，對(duì)其余基本塊vn∈pred(vj)－vi，插入指令Dn=si⊕sn，該指令必須位于br(G≠sn)error指令之后;生成簽名檢測(cè)函數(shù):G=G⊕dj，G=G⊕D，br(G≠sj)error，將其插入到基本塊首部.

輸出:帶有控制流檢測(cè)指令的匯編語言，圖2為插入檢測(cè)指令后的基本塊.

圖2 帶檢測(cè)指令的基本塊Fig.2 The basic block with checking instructions

3.2 CFCSS算法中存在的問題

3.2.1 混淆現(xiàn)象

圖3中基本塊deg+(v1)＞1，優(yōu)先選擇其為基礎(chǔ)基本塊，將調(diào)整簽名值設(shè)為0，即基本塊v1的D= 0，因此，基本塊v3、v4的簽名差d3=s1⊕s3、d4=s1⊕s4，基本塊v2中插入調(diào)整簽名D=s1⊕s2.此時(shí)如果發(fā)生從基本塊v2錯(cuò)誤跳轉(zhuǎn)到v3，在基本塊v3首部進(jìn)行控制流檢測(cè)，更新特殊寄存器G:

更新后的G等于s3，CFCSS算法無法檢測(cè)此類型的控制流錯(cuò)誤跳轉(zhuǎn).

圖3 混淆導(dǎo)致無法檢測(cè)的控制流錯(cuò)誤Fig.3 An undetectable control flow error caused by aliasing

3.2.2 檢測(cè)出錯(cuò)現(xiàn)象

圖4中，當(dāng)deg－(vi)＞1時(shí)，優(yōu)先選擇基本塊vi為基礎(chǔ)基本塊，將其調(diào)整簽名值設(shè)為0.根據(jù)算法，可選擇基本塊 v5作為簽名差 d5=s1⊕s5，同時(shí)deg－(v1)＞1，所以基本塊v5的源基本塊的調(diào)整簽名值分別為:D1=s1⊕s1，D2=s1⊕s2，D3=s1⊕s3，基本塊v6的簽名差是d6=s3⊕s6，那么從基本塊v3處跳轉(zhuǎn)到基本塊v6的正確控制流進(jìn)行檢測(cè)，更新的G為G=G6=f(Gprev，d6)⊕D=(G3⊕d6)⊕(s1⊕s3)= (s3⊕(s3⊕s6))⊕(s1⊕s3)≠s6，CFCSS算法將正確的控制流檢測(cè)為發(fā)生錯(cuò)誤跳轉(zhuǎn).

圖4 控制流檢測(cè)錯(cuò)誤Fig.4 Control flow checking error

上述闡述說明，CFCSS算法存在的檢測(cè)漏洞和檢測(cè)出錯(cuò)現(xiàn)象都會(huì)導(dǎo)致算法檢測(cè)能力的降低.

4 ICFCSS算法原理

造成檢測(cè)漏洞和檢測(cè)出錯(cuò)現(xiàn)象的主要原因是調(diào)整簽名D的生成算法存在問題，根據(jù)匯編語言結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文修改了CFCSS算法中調(diào)整簽名D的生成算法，提出了ICFCSS算法.

4.1 ICFCSS算法描述

匯編級(jí)控制流圖的基本塊滿足e+(vi)≤2，控制流圖由多(單)扇出、多扇入基本塊構(gòu)成，如圖5所示.

圖5 匯編語言結(jié)構(gòu)分類Fig.5 Classification of the assembly language structures

圖5中基本塊v1的deg－(v1)=1，為單扇入結(jié)構(gòu).通過分析得出:基本塊v1的結(jié)束標(biāo)識(shí)為絕對(duì)跳轉(zhuǎn)指令或者為不改變程序控制流的順序指令.

圖5中基本塊v3的deg－(v3)＞1，為多扇出結(jié)構(gòu)，通過分析得出:基本塊v3的結(jié)束標(biāo)識(shí)為條件跳轉(zhuǎn)指令，suc(v3)={v2，v1}，基本塊v3跳轉(zhuǎn)執(zhí)行到基本塊v2、v1中任一基本塊，順序執(zhí)行另一基本塊.

圖5中基本塊v1的deg+(v1)＞1，為多扇入結(jié)構(gòu).通過分析得出:基本塊v1的開始標(biāo)識(shí)一定為形如00106$的標(biāo)號(hào).

4.2 算法描述

Foreach 每個(gè)基本塊vj分配唯一編譯時(shí)簽名值sj，其中si≠sj，if i≠j，i、j=1，2，…，N，N為程序中基本塊總數(shù).

End for

Foreach 每個(gè)基本塊vj，生成簽名差d、多調(diào)整簽名M及控制流檢測(cè)函數(shù)，其中檢測(cè)函數(shù)中的G、M為2個(gè)特殊寄存器

if pred(vj)只有一個(gè)基本塊vi，

生成基本塊vj的簽名差dj:dj=sj⊕sj，在基本塊vj首部插入控制流檢測(cè)函數(shù):G=G⊕dj，br(G≠sj) error，dj為剛生成的立即數(shù)

elseif pred(vj)由一系列基本塊vi，vk，…，vm組成，引入多調(diào)整簽名M，

if存在集合 S={vi|deg－(vi)=1，vi∈pred(vj)}，

任選集合S中一基本塊vi作為基礎(chǔ)基本塊，生成基本塊vj的簽名差dj:dj=si⊕sj，由于deg－(vi)=1，則基本塊vi的結(jié)束標(biāo)識(shí)為絕對(duì)跳轉(zhuǎn)指令或非跳轉(zhuǎn)指令.

if基本塊vi結(jié)束標(biāo)識(shí)為絕對(duì)跳轉(zhuǎn)指令

在其之前插入指令Mn=0

elseif基本塊vi結(jié)束標(biāo)識(shí)為非跳轉(zhuǎn)指令

在基本塊vi最后一條指令之后插入指令Mn=0

End if

Foreach 基本塊vn∈S－vi

if基本塊vn結(jié)束標(biāo)識(shí)為絕對(duì)跳轉(zhuǎn)指令

在其之前插入指令Mn=si⊕sn

elseif基本塊vn結(jié)束標(biāo)識(shí)為非跳轉(zhuǎn)指令

在基本塊vi最后一條指令之后插入指令Mn= si⊕sn

End if

End for

Foreach 基本塊 vm∈pred(vj)－S－vi，由于deg－(vm)＞1，則基本塊vm的結(jié)束標(biāo)識(shí)為條件跳轉(zhuǎn)指令，基于匯編語言的條件跳轉(zhuǎn)指令可以理解為順序執(zhí)行和跳轉(zhuǎn)指令的合體，設(shè)suc(vm)={vj，vk}

if基本塊vj為基本塊vm跳轉(zhuǎn)后執(zhí)行的基本塊

在基本塊vm的條件跳轉(zhuǎn)指令之前插入指令

Mm=si⊕sm

elseif基本塊vj為基本塊vm順序執(zhí)行后的基本塊

在基本塊vm的條件跳轉(zhuǎn)指令之后插入指令

Mm=si⊕sm

End if

End for

elseif如果不存在集合S={vi|deg－(vi)=1，vi∈pred(vj)}

任選{vi，vk，…，vn}中一基本塊vi作為基礎(chǔ)基本塊，生成基本塊vj的簽名差dj:dj=si⊕sjForeach 基本塊vn∈pred(vj)－vi，設(shè)suc(vn)= {vj，vk}

if基本塊vj為基本塊vn跳轉(zhuǎn)后執(zhí)行的基本塊

在基本塊vn的條件跳轉(zhuǎn)指令之前插入指令

Mn=si⊕sn

elseif基本塊vj為基本塊vn順序執(zhí)行后的基本塊

在基本塊vn的條件跳轉(zhuǎn)指令之后插入指令

Mn=si⊕sn

End if

End for

End if

在基本塊vj首部插入控制流檢測(cè)函數(shù):G=G⊕dj，G=G⊕M，br(G≠sj)error

End if

End for

ICFCSS算法根據(jù)匯編語言結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在編譯時(shí)分析基本塊結(jié)束指令類型，在基本塊相應(yīng)位置插入多調(diào)整簽名M的賦值語句，具體示例如圖6.

圖6 修改后的帶多態(tài)調(diào)整簽名的基本塊Fig.6 Modified basic block with multi-adjusting signature

CFCSS算法和ICFCSS算法主要不同:

1)調(diào)整簽名D和多調(diào)整簽名M的賦值語句位置和數(shù)目不同.在編譯時(shí)CFCSS算法的調(diào)整簽名D的賦值語句插入到檢測(cè)判斷指令后的固定位置，而ICFCSS算法需要判斷基本塊結(jié)束指令類型，在相應(yīng)指令的前后插入多調(diào)整簽名M的賦值語句.同時(shí)，根據(jù)CFCSS算法在每個(gè)基本塊中最多插入一條為調(diào)整簽名D賦值的語句，而ICFCSS算法在基本塊中最多插入2條為多調(diào)整簽名M賦值的語句.

2)基礎(chǔ)基本塊的選擇原則不同.設(shè)存在vi∈pred(vj)，CFCSS算法選擇原則:如果存在deg－(vi)＞1時(shí)，優(yōu)先選擇基本塊vi作為基礎(chǔ)基本塊，將其調(diào)整簽名D設(shè)為0.ICFCSS算法選擇原則:如果存在deg－(vi)=1時(shí)，優(yōu)先選擇基本塊vi作為基礎(chǔ)基本塊，將其多調(diào)整簽名M設(shè)為0.

4.3 ICFCSS算法示例分析

圖7和圖3具有相同的控制流結(jié)構(gòu)，圖7中基本塊 v3的 pred(v3)={v1，v5}，基本塊 v4的pred(v4)={v1，v2}，基本塊v2的deg－(v2)=1，基本塊v5的deg－(v5)=1.根據(jù)ICFCSS算法，如果多扇入基本塊為 vj，存在基本塊 vi∈pred(vj)，當(dāng)deg－(vi)=1時(shí)，優(yōu)先選擇vi作為基礎(chǔ)基本塊，將基本塊vi的M設(shè)為0.因此設(shè)置基本塊v2、v5分別為基本塊v4、v3的基礎(chǔ)基本塊.通過分析基本塊v2、v5的出度數(shù)得出，基本塊v2、v5的結(jié)束標(biāo)識(shí)為絕對(duì)跳轉(zhuǎn)指令或者是除跳轉(zhuǎn)指令以外的其他順序指令，因此在基本塊v2、v5的絕對(duì)跳轉(zhuǎn)指令之前或順序指令之后插入M=0.由于基本塊v1的deg－(v1)＞1，此基本塊結(jié)束標(biāo)識(shí)一定為條件分支跳轉(zhuǎn)指令，即目的基本塊v4、v3中必有一個(gè)為順序執(zhí)行的程序.設(shè)v3為順序執(zhí)行的基本塊，因此在基本塊v1的條件跳轉(zhuǎn)指令之前插入對(duì)基本塊v4的多調(diào)整簽名M的賦值語句M=s1⊕s2，在基本塊v1的條件跳轉(zhuǎn)指令之后插入對(duì)基本塊v3的多調(diào)整簽名M的賦值語句M=s1⊕s5.此時(shí)發(fā)生如圖7虛線所示的控制流錯(cuò)誤時(shí)，更新G為

G=G3=f(Gprev，d3)⊕M=(G3⊕d3)⊕0000= (s3⊕(s3⊕s5))≠s3

可以檢測(cè)出此種錯(cuò)誤.

圖7 基于ICFCSS算法的控制流錯(cuò)誤跳轉(zhuǎn)示例Fig.7 Example of control flow error jumping based on ICFCSS algorithm

圖4中，根據(jù)ICFCSS檢測(cè)算法，當(dāng)deg－(vi)= 1時(shí)，優(yōu)先選擇基本塊vi作為基礎(chǔ)基本塊，將其多調(diào)整簽名值設(shè)為0.基本塊v5的pred(v5)={v1，v2，v3}，根據(jù)算法選擇基本塊v2作為基礎(chǔ)基本塊，基本塊v5簽名差d5=s5⊕s2，那么對(duì)于基本塊v5而言其M=s2⊕s3.基本塊v6的pred(v6)={v7，v3}，此時(shí)基本塊v6的簽名差是d6=s7⊕s6，那么對(duì)于基本塊v6而言，其M=s7⊕s3.如果按基本塊v3跳轉(zhuǎn)到基本塊v6的正確控制流跳轉(zhuǎn)進(jìn)行檢測(cè)，由于deg+(v3)＞1，所以基本塊v3的結(jié)束標(biāo)識(shí)為條件判斷語句.經(jīng)過判斷，基本塊v3順序執(zhí)行到基本塊v6，那么在執(zhí)行條件判斷語句之后插入M=s7⊕s3.如果基本塊v3跳轉(zhuǎn)執(zhí)行到基本塊v6，那么在執(zhí)行條件判斷語句之前插入M=s7⊕s3.更新的G為G=G6=f(Gprev，d6)⊕M=(G3⊕d6)⊕(s7⊕s3)=(s3⊕(s7⊕s6))⊕(s7⊕s3)=s6，ICFCSS算法沒有出現(xiàn)將正確的控制流檢測(cè)為錯(cuò)誤情況.

5 實(shí)驗(yàn)及分析

采用R80515微處理器作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過源碼開放的SDCC編譯器將待加固的程序編譯成匯編代碼，采用Flex++詞法分析器編寫預(yù)處理程序，應(yīng)用正則表達(dá)式方法分析生成的匯編語言，在此基礎(chǔ)上劃分基本塊，產(chǎn)生加入控制流檢測(cè)算法的控制流圖.最后，通過解釋器、鏈接器生成機(jī)器碼，通過軟件模擬器測(cè)試加固程序.通過二項(xiàng)分布的概率模型將錯(cuò)誤灌入修改操作指令等信息的0、1代碼，造成分支消減、生成分支、改變分支操作等錯(cuò)誤運(yùn)行現(xiàn)象.對(duì)以下4種標(biāo)準(zhǔn)程序進(jìn)行故障注入:初始數(shù)據(jù)為20 ×20的矩陣相乘(MM)、冒泡排序(BS)、快速排序(QS)及插入排序(IS).

在插入控制流檢測(cè)指令之后，程序執(zhí)行結(jié)果可分為5種情況:

1)程序發(fā)生控制流錯(cuò)誤，未檢測(cè)出控制流錯(cuò)誤，程序運(yùn)行結(jié)果正確，如:當(dāng)指令之間存在WRW相關(guān);

2)程序發(fā)生控制流錯(cuò)誤，未檢測(cè)出控制流錯(cuò)誤，程序運(yùn)行結(jié)果錯(cuò)誤;

3)程序發(fā)生控制流錯(cuò)誤，檢測(cè)出控制流錯(cuò)誤，程序運(yùn)行結(jié)果正確;

4)程序未發(fā)生控制流錯(cuò)誤，而檢測(cè)出控制流錯(cuò)誤，程序運(yùn)行結(jié)果正確;

5)程序未發(fā)生控制流錯(cuò)誤，而檢測(cè)出控制流錯(cuò)誤，程序運(yùn)行結(jié)果錯(cuò)誤.其中，第1、3、4種情況都不會(huì)影響程序的下一步運(yùn)行，第2、5種情況會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤擴(kuò)散，所以測(cè)試時(shí)比較算法的未檢測(cè)出錯(cuò)誤情況.

表1 未檢測(cè)出錯(cuò)誤比較Table 1 Result comparison of the undetected error %

表2 空間開銷比較Table 2 Memory overhead comparison %

表3 時(shí)間開銷比較Table 3 Performance overhead comparison %

從表1得出ICFCSS算法的未檢測(cè)出錯(cuò)誤率明顯低于CFCSS算法，但從表2得出ICFCSS算法的代碼空間開銷和時(shí)間開銷略高于CFCSS算法.ICFCSS算法雖然略微增加了檢測(cè)代碼的空間和時(shí)間開銷，但很大程度提高了CFCSS算法的檢錯(cuò)能力，且算法的時(shí)間復(fù)雜性是線性對(duì)數(shù)階的，空間復(fù)雜性是線性階的，實(shí)用性較強(qiáng).

6 結(jié)束語

本文提出的ICFCSS控制流檢測(cè)方法，修改了CFCSS算法的基礎(chǔ)基本塊選擇方法和多調(diào)整簽名M賦值語句的插入位置，解決了CFCSS算法中存在的檢測(cè)混淆現(xiàn)象和檢測(cè)出錯(cuò)現(xiàn)象.ICFCSSHS算法的平均未檢測(cè)出錯(cuò)誤率僅為2.9%，生成的冗余代碼空間和執(zhí)行時(shí)間開銷也較低，具有一定實(shí)用價(jià)值.但此方法只適用在目的基本塊首部判斷控制流跳轉(zhuǎn)情況，無法檢測(cè)基本塊內(nèi)控制流錯(cuò)誤跳轉(zhuǎn)，有待進(jìn)一步改進(jìn)檢測(cè)算法，降低未檢測(cè)出錯(cuò)率.

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