基于控制流切片的代碼安全缺陷檢測方法

周寬久，楊 廣，賴曉晨，崔 凱，姚艷雙

（大連理工大學(xué) 軟件學(xué)院，遼寧 大連116620）

0 引 言

軟件代碼中的缺陷是導(dǎo)致軟件故障和漏洞問題的主要原因［1］，國家自然科學(xué)基金委也設(shè)立可信軟件重大研究計劃專門解決軟件可信性問題，通常的軟件缺陷如緩沖區(qū)溢出、格式字符串、內(nèi)存泄漏等無法通過安全子集檢測出來，而又是影響軟件可信性的主要原因，因此文章重點解決上述這些缺陷，從而達(dá)到提高軟件可信性的目的。

對于軟件代碼漏洞缺陷檢測的研究，國內(nèi)外成果很多，Koushik Sen最早提出了concolic（一種白盒測試方法）單元測試的概念［2］，通過符號執(zhí)行來計算程序的執(zhí)行路徑，研究如何賦初值的問題。Gulwani S提出一種基于有限回溯符號執(zhí)行（symbolic execution）的缺陷自動驗證方法，結(jié)合路徑條件和缺陷觸發(fā)條件進(jìn)行缺陷自動驗證［3］。Froihofer L等人則通過源碼插樁方式得到程序動態(tài)運(yùn)行的輸出信息和日志，可以有效分離系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯與檢測邏輯，增加程序動態(tài)分析的可靠性［4］。針對代碼檢測誤報率過高的問題，肖慶，官云戰(zhàn)等人提出了使用多項式時間復(fù)雜度的路徑敏感算法實現(xiàn)對代碼缺陷的靜態(tài)檢測，該方法通過控制流圖實現(xiàn)屬性狀態(tài)條件的合并，判斷不可達(dá)性，降低誤報率［1］。近年來模型驗證也成為代碼診斷領(lǐng)域研究的熱點，卞磊，劉超等人使用有窮狀態(tài)機(jī)模型對過程內(nèi)變量數(shù)據(jù)流異常進(jìn)行檢測，根據(jù)數(shù)據(jù)項的狀態(tài)遷移判斷過程內(nèi)的數(shù)據(jù)流是否異常［5］。周寬久等人提出了一種基于XML中間模型的代碼安全規(guī)范檢測方法，使用GJB安全子集對代碼安全進(jìn)行分析［6］。陳忠湘，詹瑾瑜等人提出一種帶控制流的函數(shù)分析模型，對函數(shù)間調(diào)用次序以及邏輯設(shè)計復(fù)雜度都有描述，輔助程序設(shè)計人員進(jìn)行分析［7］。

針對C/C＋＋的代碼檢測技術(shù)很多，多為通過抽象語法樹AST來獲取檢測信息，因此實現(xiàn)復(fù)雜、擴(kuò)展性差。文章在XML中間模型［6］的基礎(chǔ)上，提出控制流提取模型，獲取檢測信息，簡化控制流圖的獲取，降低路徑分析復(fù)雜度；將安全子集檢測與數(shù)據(jù)流異常檢測相結(jié)合，并將數(shù)據(jù)流分析擴(kuò)展到過程間、模塊間，從而提高代碼缺陷的檢測能力。

1 控制流提取模型

控制流提取模型將調(diào)用關(guān)系用ID節(jié)點表示，將ID屬性attributes中的IDTYPE記錄為 “CALL”，LINENUMBER記錄為進(jìn)行函數(shù)調(diào)用的行號，NAME同級增加FUNLINE，表示被調(diào)用函數(shù)的定義行號。屬性ASSIGNMENT表示為變量的相關(guān)賦值語句行號，形如line1：m1，line2：m2…line n：mn，m1…mn代表所賦具體值。控制流提取模型節(jié)點表示如圖1所示。

圖1 控制流提取模型節(jié)點表示

部分標(biāo)識定義為：

（1）訪問標(biāo)號ACCESS：記錄類、結(jié)構(gòu)體和聯(lián)合體成員的訪問標(biāo)號。

（2）所屬結(jié)構(gòu)OWNER：成員的所在類、結(jié)構(gòu)體、聯(lián)合體或命名空間的名稱。

（3）虛函數(shù)標(biāo)記VIRTUAL：指示類成員函數(shù)是否是虛函數(shù)。

（4）運(yùn)算符重載OPERATE：記錄重載操作符。

（5）基類PARENT：記錄派生類的繼承基類。

（6）模板TEMPLATE：模板定義和聲明的模板參數(shù)信息。

2 控制流抽取與分析

獲取控制流圖是進(jìn)行控制流分析的基礎(chǔ)，更是進(jìn)行數(shù)據(jù)流跟蹤的前提，只有獲取控制流，確定程序執(zhí)行路徑，才能跟蹤變量數(shù)據(jù)流。

2.1 控制流提取模型到控制流轉(zhuǎn)化

利用提取模型對過程間、模塊間數(shù)據(jù)流進(jìn)行記錄，用ID節(jié)點中的LINENUMBER作為跳轉(zhuǎn)索引，實現(xiàn)控制流圖的構(gòu)建。過程間代碼到控制流提取模型的轉(zhuǎn)化，及提取模型到控制流圖的轉(zhuǎn)化都是通過對跳轉(zhuǎn)索引進(jìn)行跟蹤實現(xiàn)的。

下文示例代碼包含了一些常見的控制流結(jié)構(gòu)和過程間調(diào)用，在描述過程間控制流與數(shù)據(jù)流關(guān)系方面，具有一定代表性。

篇幅所致，僅列出與示例代碼相應(yīng)的控制流節(jié)點ID，將與控制流無關(guān)的ID刪除，使用XQuery技術(shù)對中間代碼進(jìn)行分析，獲得過程內(nèi)、過程間以及模塊間的控制流信息。

實際程序中轉(zhuǎn)移分支語句數(shù)目多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對一些不可達(dá)路徑進(jìn)行刪減顯得尤為重要。因此提出控制流切片及剪枝方法刪減代碼控制流圖數(shù)組信息。

2.1.1 控制流切片

程序切片是一種分析和理解程序的技術(shù)，通過從源程序中去除零條或多條語句來構(gòu)造，最早由Weiser于1979年提出，通過計算每個興趣點的切片來進(jìn)行程序的分析與理解［8］。文章提出的控制流切片與程序切片的定義接近，為源程序控制流零條或多條分支組成的代碼單元，同時也是一個控制流分析單元。

定義1 代碼控制流圖定義為六元組G＝＜E，P，Estart，Eend，Eentry，Eexit＞ ，其中，E代表節(jié)點集，由LINENUMBER［6］標(biāo)識，P為路徑集合，由控制流圖數(shù)組記錄；Estart與Eend為控制流切片起、終點集合，Eentry與Eexit為轉(zhuǎn)移路徑起、終點集合。

定義2 控制流切片定義為由主函數(shù)路徑（i＝0）起始，并交于主函數(shù)的控制流圖子圖，表示為控制流切片起、終點為estart，eend，控制流切片內(nèi)分支結(jié)構(gòu)的起、終點為einstart，einend。

定義3 控制流切片的函數(shù)調(diào)用為轉(zhuǎn)移路徑，起、終點為eentry，eexit。（Pf表示產(chǎn)生的新增路徑集合。主函數(shù)路徑中轉(zhuǎn)移路徑情況例外，表示為定義2中控制流切片

定義4 并接符號Λ表示將兩個路徑集合并接，P1ΛP2：｛＜p1，p2＞｜p1∈P1，p2∈P2｝，即路徑集合P1中的每條路徑均可能成為P2中所有路徑的前段路徑，路徑｛p1，p2｝構(gòu)成完整路徑。實現(xiàn)為將兩個數(shù)組并接，在并接過程的同時，若超過存儲范圍，則停止檢測。

情況3 如果控制流切片中分支結(jié)束，即轉(zhuǎn)移到einend，則圖2中（Pexit＝（Pstart，因為函數(shù)調(diào)用與內(nèi)嵌分支間沒有其他結(jié)構(gòu)，因此路徑集合不變。其中（Pin為嵌套分支路徑集合，（Pstart為進(jìn)入分支嵌套結(jié)構(gòu)前的路徑集合。

根據(jù)程序控制流切片的定義及性質(zhì)，針對主程序的分支情況進(jìn)行處理，對可能路徑進(jìn)行合并，考慮到嵌套的有限性，對控制流切片內(nèi)部條件分支以及轉(zhuǎn)移進(jìn)行同樣處理，以控制流切片為單位獲取代碼的可能執(zhí)行路徑，偽代碼描述如下：

可能執(zhí)行路徑獲取算法偽代碼：

圖2 控制流切片

使用上文闡述的可能路徑獲取算法，獲得示例代碼的可能執(zhí)行路徑，包括 ｛17，20，26｝，｛17，20，22，1，7，10，13，7，22，23，26｝， ｛17，20，22，1，7，10，13，14，7，22，23，26｝， ｛17，20，22，1，7，10，13，7，22，23，24，26｝， ｛17，20，22，1，7，10，13，14，7，22，23，24，26｝等。圖3描述示例代碼的控制流圖，基于提取模型，通過可能路徑獲取算法獲得代碼的可能執(zhí)行路徑信息，并保存在控制流圖數(shù)組中，利用數(shù)組信息對模型中CODELINE的屬性節(jié)點LINENUMBER進(jìn)行追蹤，并記錄所跟蹤變量的狀態(tài)變化。

圖3 過程間代碼控制流程

可能路徑獲取算法并未描述break與switch語句的處理方式，switch語句處理需要解析表達(dá)式，獲取正確路徑，處理方法與下文控制流剪枝處理方法相似；break語句處理方式與分支語句結(jié)束標(biāo)簽處理方式相同。

2.1.2 控制流剪枝

上文中，控制流圖數(shù)組信息包含的路徑數(shù)目巨大，因此根據(jù)分支條件，合理對控制流進(jìn)行剪枝具有重大意義。剪枝可用于包括if、while、for等的分支結(jié)構(gòu)中，主要分兩種情況：第一種情況，在條件語句中即可判斷真?zhèn)危鏵or（int i＝0；i＜＝10；i＋＋）。第二種情況，需要解析表達(dá)式，追蹤未知變量，如for（i＝p＊j；i＜＝10；i＋＋）中需追蹤p和j的賦值來判斷條件語句的真?zhèn)?。處理方式如下?/p>

情況1 可直接從提取模型中獲取變量值，＜ASSIGNMENT＞23：0＜/ASSIGNMENT＞表示在第23行，局部變量賦值為0。由于0＜＝10，因此必定進(jìn)入for模塊中，對該分支節(jié)點剪去一枝。

情況2 根據(jù)for節(jié)點ID行號LINENUMBER［6］標(biāo)識23（假設(shè)23行定義for）以及i的ID節(jié)點中＜ASSIGNMENT＞23：p＊j＜/ASSIGNMENT＞，發(fā)現(xiàn)相應(yīng)賦值為p＊j，經(jīng)過表達(dá)式解析分別查找p的ID節(jié)點以及j的ID節(jié)點，并在其ID節(jié)點的ASSIGNMENT內(nèi)尋找小于并最接近23的行號，發(fā)現(xiàn)p＝2，j＝k＋1，同理尋找k的ID節(jié)點，發(fā)現(xiàn)小于并最接近j＝k＋1行號的賦值記錄為k＝5；通過層層遞歸即可實現(xiàn)條件剪枝，圖4通過遞歸及簡單表達(dá)式解析求得12大于10，因此不執(zhí)行for循環(huán)，對該分支節(jié)點剪去一枝。情況2剪枝原理如圖4所示。

圖4 控制流剪枝情況2

將剪枝方法應(yīng)用到控制流抽取中，可以解決常見控制流抽取方法中路徑眾多的問題，在控制流切片起始點estart進(jìn)行控制流剪枝，解決了控制流圖數(shù)組元素過多的問題。

剪枝算法偽代碼描述：

算法中FUNCTION2函數(shù)為變量追蹤函數(shù)，追蹤變量的最近賦值記錄。使用剪枝算法對上文示例代碼的可能執(zhí)行路徑進(jìn)行剪枝，main函數(shù)中for（int i＝2；i＜＝3；i＋＋）的條件表達(dá)式i＜＝3為真，函數(shù)f2中for（int i＝1；i＜＝q；i＋＋）的條件表達(dá)式i＜＝q無法判斷，因為引入函數(shù)參數(shù)變量，main函數(shù)的if分支的條件無法判斷。剪枝算法處理后的可能執(zhí)行路徑為 ｛17，20，22，1，7，10，13，7，22，23，26｝， ｛17，20，22，1，7，10，13，14，7，22，23，26｝， ｛17，20，22，1，7，10，13，7，22，23，24，26｝， ｛17，20，22，1，7，10，13，14，7，22，23，24，26｝等。

2.2 安全規(guī)則子集

控制流異常與數(shù)據(jù)流異常是軟件運(yùn)行異常的兩個主要原因，控制流異常主要是由控制結(jié)構(gòu)的使用不當(dāng)帶來的，GJB安全子集中包含了大量描述代碼控制流安全的規(guī)則，文獻(xiàn)［6］中指出在 《GJB 5369－2005航天型號軟件C語言安全子集》中代碼控制流相關(guān)規(guī)則（程序風(fēng)格類，宏指令類以及過程類）所占比例已超過61%，還有一部分描述變量定義與數(shù)據(jù)操作的安全規(guī)則，因此文章使用GJB安全子集對代碼控制流進(jìn)行安全性檢測。安全子集中對代碼安全隱患描述詳盡，但無法檢測出變量的狀態(tài)變化，更無法對變量數(shù)據(jù)流進(jìn)行跟蹤，挖掘數(shù)據(jù)流錯誤，安全子集中關(guān)于數(shù)據(jù)變量的安全缺陷描述僅限于數(shù)據(jù)變量的定義和操作，因此將變量數(shù)據(jù)流跟蹤與GJB安全子集檢測相結(jié)合，從安全缺陷檢測及數(shù)據(jù)流異常檢測兩個角度挖掘代碼的安全隱患，增強(qiáng)代碼缺陷的挖掘能力。

此外，采用的控制流提取模型還增添了對 《MIRA C＋＋：2008》的支持，將代碼安全缺陷檢測擴(kuò)展到過程間、模塊間。

3 數(shù)據(jù)流異常分析

通過控制流提取模型獲取控制流圖，從而得到代碼的可能執(zhí)行路徑，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)變量的跟蹤，檢測數(shù)據(jù)流異常。

3.1 數(shù)據(jù)流異常檢測狀態(tài)機(jī)

數(shù)據(jù)流異?？煞譃檫^程內(nèi)、過程間以及模塊間數(shù)據(jù)流異常。與控制流異常相比，數(shù)據(jù)流異常更為常見，由數(shù)據(jù)流異常導(dǎo)致的錯誤要占到錯誤總數(shù)的15%以上［5］。文獻(xiàn)［9］指出使用數(shù)據(jù)流分析方法可以精確地分析程序，檢測程序信息流安全，并且寬容性更大。文獻(xiàn) ［5］使用有窮自動機(jī)對過程內(nèi)的一般變量進(jìn)行數(shù)據(jù)流檢測，在一定程度上提高了過程內(nèi)數(shù)據(jù)流異常審查效率。文章提出控制流提取模型，基于該模型獲取代碼可能執(zhí)行路徑，并使用有窮狀態(tài)機(jī)對變量數(shù)據(jù)流進(jìn)行跟蹤。

指針變量具有特殊性，可定義為空指針，同時與有效指針狀態(tài)所能進(jìn)行的轉(zhuǎn)化不同，不能進(jìn)行正常的引用及刪除。當(dāng)引用指向空地址單元的指針時，會產(chǎn)生嚴(yán)重的空指針引用故障［10］。同時，數(shù)組訪問越界、懸空指針訪問等安全隱患通常也是黑客利用的手段［11］。文章在文獻(xiàn) ［5］狀態(tài)機(jī)的基礎(chǔ)上，將指針單獨劃出，將變量類型C分為指針型變量P以及一般型變量G，解決空指針狀態(tài)跟蹤問題。

定義5 文章引用Mealy狀態(tài)機(jī)的形式定義［5］M＝（Q，Σ，Δ，δ，λ，qs），其中，Mealy機(jī)的狀態(tài)集合Q＝｛＜q，c＞｜q∈S，c∈C｝，S＝｛qs，qn，qd，qr，qk，E｝，C＝｛P，G｝。其中，qs為被跟蹤變量的首次出現(xiàn)，qn表示將指針變量賦值為空，qd為定義或賦值后的狀態(tài)，qr為引用或解引用后的狀態(tài)，qk表示釋放變量空間后的狀態(tài)，E為數(shù)據(jù)流異常狀態(tài)。輸入字母表Σ＝｛d，r，k，n｝，d代表變量定義，r變量引用，k清除變量，n設(shè)置空指針。狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)δ：（Q，Σ）→Q。輸出函數(shù)λ：（Q，Σ）→Δ，輸出字母表Δ＝｛E，R｝，R表示在某一檢測點非E的任何狀態(tài)，即暫時正確狀態(tài)。錯誤狀態(tài)集ES＝｛＜q，c＞｜q∈S－｛R｝，c∈C｝，錯誤狀態(tài)為穩(wěn)定狀態(tài)，即產(chǎn)生錯誤后不能進(jìn)入其他狀態(tài)。

定義6 基于上文定義5中的Mealy狀態(tài)機(jī)，定義數(shù)據(jù)流異常，定義檢測主體集合M＝｛a1，a2，…，an｝，a∈Q，a為檢測主體，檢測變量。客體集合N＝｛n1，n2，…，nn｝，n∈Σ。因此變量的生存序列（狀態(tài)輸出布爾值序列）為L＝｛λ｛a，n1｝，λ｛a，n2｝，…λ｛a，nn｝｝。將數(shù)據(jù)流異常定義為L∩｛E｝≠Φ。即在變量的生存序列中出現(xiàn)不合法行為，正是對數(shù)據(jù)流檢測的重點。

3.2 數(shù)據(jù)流異常檢測狀態(tài)機(jī)

狀態(tài)遷移表示變量當(dāng)前狀態(tài)與類型的笛卡爾乘積到下一狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，依據(jù)文獻(xiàn)［5］中對狀態(tài)變遷的描述，將變量分為一般變量及指針變量，具體如下：

根據(jù)變量的狀態(tài)集合及變遷條件可得Mealy機(jī)的狀態(tài)遷移圖如圖5和圖6所示。

4 構(gòu)建系統(tǒng)框架原型

系統(tǒng)通過對源代碼文件進(jìn)行詞法、語法分析獲得控制流提取模型，基于該模型，設(shè)立兩個主線程，分別用來對代碼進(jìn)行安全子集檢測和數(shù)據(jù)流異常檢測，并將檢測結(jié)果以異常報表的形式輸出，系統(tǒng)設(shè)計原型如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架模型

5 相關(guān)實驗

為驗證所提方法，修改文獻(xiàn) ［6］中靜態(tài)檢測工具，自行設(shè)計面向?qū)ο笳Z言的檢測系統(tǒng)CPP－CSV。引入控制流切片模型，同時結(jié)合數(shù)據(jù)流異常檢測算法對linux－0.11內(nèi)核kernel目錄下的3個常用文件signal.c，panic.c，printk.c進(jìn)行檢測，其中，signal.c主要負(fù)責(zé)對信號進(jìn)行判斷，在系統(tǒng)調(diào)用等方面作用巨大。panic.c中包含一些處理系統(tǒng)運(yùn)行故障的函數(shù)，如Panic（）等。printk.c包含一些內(nèi)核態(tài)輸出函數(shù)，廣泛用于嵌入式開發(fā)中。

表1 實驗結(jié)果數(shù)據(jù)

實驗結(jié)果分析：通過實驗得出如下分析結(jié)果，對3個Linux內(nèi)核文件進(jìn)行檢測，共檢測出缺陷總數(shù)為38類161處，其中控制流相關(guān)缺陷為23類66處，數(shù)據(jù)定義類相關(guān)缺陷為12類84處，變量數(shù)據(jù)流異常為3類11處。

從圖8中的統(tǒng)計結(jié)果可以看出，程序中控制流缺陷種類較多，情況復(fù)雜，并不集中的表現(xiàn)為幾類缺陷。數(shù)據(jù)定義類缺陷具有類型集中，出現(xiàn)頻率高的特點，例如，在signal.c文件中僅6類數(shù)據(jù)定義類缺陷就出現(xiàn)了高達(dá)54次，給程序帶來了嚴(yán)重的安全隱患。圖8中可看出，數(shù)據(jù)流異常缺陷出現(xiàn)頻率和種類均比前兩類缺陷低，但部分?jǐn)?shù)據(jù)流異常檢測在不進(jìn)行跟蹤的前提下難以實現(xiàn)，如空指針引用等。這3個文件的數(shù)據(jù)流異常多表現(xiàn)為變量定義后未使用，并直接結(jié)束（kill）。此外，未定義便引用的情況，雖然少見但危險性極高、難以檢測。

控制流相關(guān)缺陷及數(shù)據(jù)定義類相關(guān)缺陷均為違反安全子集的情況，為不可忽略的安全隱患。變量數(shù)據(jù)流異常為Mealy機(jī)檢測出來的安全隱患，如signal.c文件中有7處對變量定義，但未使用就退出了，導(dǎo)致資源的浪費，使得程序晦澀難懂。由于系統(tǒng)仍處于開發(fā)階段，部分算法需要完善，難免帶來一些檢測的誤報漏報，通過人工分析對系統(tǒng)的誤報漏報進(jìn)行修正，共發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)漏報誤報總數(shù)為3類5處。如表1所示，3個文件的檢測準(zhǔn)確率分別為97.4%、90.0%、97.3%；實驗結(jié)果分析見表2。

圖8 實驗結(jié)果

表2 實驗結(jié)果分析

實驗結(jié)果的分析表明提出的方法具有可行性，保留了原有安全子集的檢測能力，同時提供變量的跟蹤能力。所提方法可有效解決變量跟蹤問題，檢測代碼中隱含的安全缺陷，在提高代碼安全性、可靠性等方面有著重要作用。

6 結(jié)束語

文章提出一種控制流提取模型，基于該模型可以方便構(gòu)造程序控制流圖，獲取程序可能執(zhí)行路徑，解決了常見的基于抽象語法樹獲取控制流圖難度大、擴(kuò)展性差的缺點；在該模型的基礎(chǔ)上獲取控制流切片，同時增添對面向?qū)ο笳Z言及過程間調(diào)用的支持，在利用安全子集對代碼進(jìn)行控制流規(guī)范檢測的同時，使對代碼數(shù)據(jù)流跟蹤成為可能，從而彌補(bǔ)了安全子集不能分析變量數(shù)據(jù)流的缺陷，解決了過程間、模塊間數(shù)據(jù)流異常難以分析的問題；此外，還提出了一種控制流化簡方法，采用控制流切片與剪枝手段減少控制流信息數(shù)組中元素數(shù)量，并使用Mealy機(jī)的方式對數(shù)據(jù)流進(jìn)行分類跟蹤，解決了空指針跟蹤問題，提高異常檢測能力。利用該方法對實際Linux內(nèi)核文件進(jìn)行檢測，取得了良好的效果，檢測準(zhǔn)確率達(dá)94.9%。

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