基于函數(shù)識(shí)別的主動(dòng)防御技術(shù)研究

摘 要：隨著日益增加的系統(tǒng)安全脆弱性以及廣泛使用的因特網(wǎng)技術(shù)，病毒等破壞性代碼也日益猖獗，嚴(yán)重威脅著網(wǎng)絡(luò)安全。本文介紹一種靜態(tài)分析可執(zhí)行程序代碼的新方法，針對(duì)程序中使用的API函數(shù)及庫函數(shù)序列靜態(tài)地分析程序的行為，實(shí)現(xiàn)在不運(yùn)行程序的前提下預(yù)警防范一些不安全行為，并基于此提出了一種基于函數(shù)識(shí)別的主動(dòng)防御技術(shù)。

關(guān)鍵詞：函數(shù)識(shí)別；靜態(tài)分析；主動(dòng)防御

中圖分類號(hào)：TP393.08

計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展使得信息系統(tǒng)的安全性變得更加脆弱，正是這些安全脆弱性導(dǎo)致病毒等不安全代碼的產(chǎn)生與泛濫。不安全代碼不僅給企業(yè)及用戶帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失，而且使國家的安全面臨著嚴(yán)重威脅。

隨著Internet的開放性以及信息共享的進(jìn)一步增強(qiáng)，惡意代碼編寫者的水平越來越高，他們利用各種隱藏加密技術(shù)、模糊變換技術(shù)等提高代碼的生存能力。目前大多數(shù)商用反病毒軟件使用基于“特征匹配”方法的檢測系統(tǒng)，這種技術(shù)依賴于對(duì)已知病毒的專屬信息特征的分析和提取，因而對(duì)未知或變形的惡意代碼無法適用。基于語義的靜態(tài)分析技術(shù)通?？梢詽M足分析代碼的任何要求，但由于分析過程相當(dāng)復(fù)雜耗時(shí)，通常較難實(shí)現(xiàn)。本文描述的基于可識(shí)別函數(shù)序列的代碼靜態(tài)分析方法則是一種粗粒度的基于函數(shù)語義的惡意代碼主動(dòng)防御技術(shù)，能比較高效準(zhǔn)確地識(shí)別程序行為，從而檢測出未知惡意代碼及一些變形代碼。

1 代碼分析方法

代碼的分析方法主要有兩種：靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析。靜態(tài)分析是在不執(zhí)行代碼的前提下檢查代碼以確定動(dòng)態(tài)執(zhí)行時(shí)的屬性，通常分為源代碼分析、反匯編分析、二進(jìn)制統(tǒng)計(jì)分析三種情況。動(dòng)態(tài)分析則通過檢測代碼運(yùn)行情況以檢測程序行為，因此它依賴于代碼的運(yùn)行環(huán)境和不同的監(jiān)測目標(biāo)，也導(dǎo)致動(dòng)態(tài)分析的不完全。

靜態(tài)分析相比于動(dòng)態(tài)分析具有自身優(yōu)勢，首先它并不受限于代碼的一次執(zhí)行過程因此能由代碼推導(dǎo)出所有執(zhí)行的特性。而動(dòng)態(tài)分析技術(shù)得到的特征是由代碼一次執(zhí)行或多次執(zhí)行的特性。此外，靜態(tài)分析能在代碼中惡意行為被激活之前檢測出以防止進(jìn)一步破壞系統(tǒng)，起到提前預(yù)警防護(hù)的作用。但是靜態(tài)分析可能會(huì)得到大量冗余信息，分析結(jié)果也容易被代碼分析得到的冗余信息迷惑，動(dòng)態(tài)分析則可以確切地，有針對(duì)性地得到分析所需要的具體數(shù)據(jù)。

雖然兩種分析技術(shù)有很大差別，但并不是相互對(duì)立的，代碼的程序和行為之間有著強(qiáng)烈的依賴關(guān)系，決定了動(dòng)態(tài)和靜態(tài)分析相結(jié)合能達(dá)到更好的分析效果?？梢韵壤渺o態(tài)分析技術(shù)獲得基本屬性，對(duì)于無法靜態(tài)檢測出的屬性則采用動(dòng)態(tài)監(jiān)控。本文描述的技術(shù)是采用靜態(tài)分析方法，在反匯編的基礎(chǔ)上識(shí)別函數(shù)序列，并以圖形結(jié)構(gòu)形式顯示，通過分析調(diào)用結(jié)構(gòu)圖來分析代碼的功能。

2 基本原理

2.1 理論依據(jù)

Windows是一個(gè)分層的操作系統(tǒng)，總體架構(gòu)分為應(yīng)用層和核心層。為了保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止一些惡意行為破壞操作系統(tǒng)核心，應(yīng)用層無法直接訪問操作系統(tǒng)資源，而必須通過核心層提供的接口調(diào)用操作系統(tǒng)提供的功能函數(shù)。Windows核心層是以函數(shù)的方式提供服務(wù)的，這些服務(wù)函數(shù)統(tǒng)稱為Application Programming Interface，簡稱API函數(shù)。

惡意代碼與一般程序的區(qū)別在于執(zhí)行一些特殊的動(dòng)作來破壞系統(tǒng)，這就必然要通過調(diào)用API函數(shù)達(dá)到隱藏、復(fù)制等目的。因此通過分析惡意代碼調(diào)用的API函數(shù)序列就可以基本判定程序執(zhí)行的功能和動(dòng)機(jī)，比如要讀寫文件就必然調(diào)用CreateFile（），OpenFile（），NtOpenFile（），ZwOpenFile（）等函數(shù)，要訪問網(wǎng)絡(luò)就必然要使用Socket函數(shù)。用戶在實(shí)際編寫應(yīng)用程序時(shí)通常不直接調(diào)用API函數(shù)而是通過編程環(huán)境自帶的庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能，在靜態(tài)編譯的情況下，庫函數(shù)直接存在于執(zhí)行體的反匯編代碼中，因此我們可以通過庫函數(shù)來識(shí)別可執(zhí)行程序的部分功能。

2.2 API函數(shù)調(diào)用方式

API函數(shù)調(diào)用分為靜態(tài)調(diào)用和動(dòng)態(tài)調(diào)用兩種，前者是在啟動(dòng)程序的時(shí)候裝入動(dòng)態(tài)鏈接庫和API函數(shù)，在使用函數(shù)的時(shí)候直接使用CALL指令調(diào)用函數(shù)。動(dòng)態(tài)調(diào)用則是在程序運(yùn)行的過程中再裝入動(dòng)態(tài)鏈接庫文件和執(zhí)行函數(shù)，然后調(diào)用該API函數(shù)的方法。

2.2.1 靜態(tài)調(diào)用

高級(jí)語言編寫的代碼通常采用靜態(tài)調(diào)用API函數(shù)的方式，即使用call指令調(diào)用相應(yīng)的API函數(shù)。調(diào)用過程又分為直接調(diào)用和間接調(diào)用兩種情況，直接使用call指令調(diào)用引入表中相應(yīng)的地址或先將引入表中的地址轉(zhuǎn)存到一個(gè)寄存器中然后通過寄存器調(diào)用API函數(shù)。

2.2.2 動(dòng)態(tài)調(diào)用

動(dòng)態(tài)鏈接機(jī)制使得程序可以在運(yùn)行時(shí)鏈接函數(shù)庫，函數(shù)庫存在于自身的可執(zhí)行文件里而不是像靜態(tài)鏈接那樣被拷貝到程序可執(zhí)行文件里。這些動(dòng)態(tài)函數(shù)庫（DLL）只在被加載和執(zhí)行階段才鏈接到程序里而不是在鏈接階段。動(dòng)態(tài)調(diào)用實(shí)現(xiàn)模式如下：

3 方法描述

3.1 結(jié)構(gòu)框架

系統(tǒng)主體由反匯編工具、規(guī)則庫、函數(shù)識(shí)別、匹配判定器四部分構(gòu)成，規(guī)則庫和待測程序是系統(tǒng)的輸入部分。規(guī)則庫是整個(gè)分析過程的基礎(chǔ)，是描述代碼功能的特征庫，其中的每一個(gè)特征項(xiàng)都是可識(shí)別函數(shù)的函數(shù)序列。規(guī)則庫規(guī)定了代碼分析系統(tǒng)的分析范圍和功能模型，為了提高分析的準(zhǔn)確性及擴(kuò)展分析系統(tǒng)的功能，用戶可以自定義規(guī)則庫中的特定函數(shù)序列。

待測程序即為分析對(duì)象，它具有多種表現(xiàn)形態(tài)，而本文介紹的只是一種方法，可以適用于所有的代碼分析。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)可以根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的輔助工具，例如若選擇dcc工具則可以分析Dos下的EXE文件和COM文件。當(dāng)選擇IDA Pro工具可以分析Windows的PE文件，包括DLL文件和EXE文件。由于IDA Pro的跨平臺(tái)性，我們只需對(duì)系統(tǒng)稍作調(diào)整便可以分析Linux系統(tǒng)的可執(zhí)行程序。目標(biāo)程序經(jīng)過反匯編工具解析成匯編代碼并提取出可識(shí)別函數(shù)之后，構(gòu)造相應(yīng)的函數(shù)調(diào)用圖，最后根據(jù)規(guī)則庫中的函數(shù)序列與目標(biāo)程序的函數(shù)序列進(jìn)行匹配驗(yàn)證以得出分析報(bào)告進(jìn)行響應(yīng)。

3.2 函數(shù)識(shí)別

本文論述的方法是基于目標(biāo)程序的可識(shí)別函數(shù)序列基礎(chǔ)之上的靜態(tài)驗(yàn)證，將代碼的執(zhí)行體看作是一個(gè)程序流程圖，可識(shí)別函數(shù)是圖的節(jié)點(diǎn)，通過分析判定函數(shù)調(diào)用過程獲得程序的功能、意圖等信息從而達(dá)到檢測防護(hù)目的。

分析系統(tǒng)中庫函數(shù)的識(shí)別流程如圖3所示，編譯器的確定是整個(gè)識(shí)別過程的前提，動(dòng)態(tài)庫和靜態(tài)庫分別采用不同的技術(shù)進(jìn)行分析匹配。偽函數(shù)結(jié)構(gòu)就是把匯編代碼中出現(xiàn)的函數(shù)模塊識(shí)別出來，根據(jù)匯編代碼的特征函數(shù)模塊最終都是以“CALL 地址 A”的形式出現(xiàn)在地址A開始地址處，所以識(shí)別函數(shù)模塊即把“CALL 地址 A”中地址A開始的模塊識(shí)別出來。又由于匯編代碼形式的函數(shù)最后都是以“ret n ”的形式返回的，所以可以構(gòu)造算法將匯編代碼中的所有CALL指令中出現(xiàn)的函數(shù)模塊識(shí)別出來。

3.3 函數(shù)調(diào)用圖

函數(shù)調(diào)用關(guān)系圖以直觀的圖形方式描述一個(gè)應(yīng)用程序中各個(gè)函數(shù)的調(diào)用和被調(diào)用關(guān)系，它是有向圖，而且通常屬于無環(huán)圖（當(dāng)代碼中沒有直接或間接的遞歸）。正規(guī)定義如下：

P={p1，p2，…..}是一個(gè)程序的有窮子程序集，定義函數(shù)調(diào)用圖C是一個(gè)三元組（N，E，h），N表示子程序集合，N中的每個(gè)ni代表程序中的一個(gè)子程序，E是邊的集合，（ni，nj）∈E表示子程序pi與pj之間的調(diào)用與被調(diào)用關(guān)系，其中每條邊都是有向邊，h表示主程序。

4 結(jié)束語

基于可識(shí)別函數(shù)序列的代碼分析方法是一種非常有應(yīng)用前景的網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)，它根據(jù)程序利用的一系列函數(shù)從語義上分析目標(biāo)程序的意圖和功能。由于這種方法檢測的是一般的可疑邏輯而不是特定的程序特征，因此從理論上說是可以非常可靠地預(yù)防惡意行為尤其是未知惡意行為的攻擊。本文在研究和應(yīng)用開發(fā)實(shí)踐的基礎(chǔ)上提出了一種可行的主動(dòng)防御系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，給出整體結(jié)構(gòu)框架，并詳細(xì)了描述各功能模塊的工作原理。

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作者簡介：馬文巖（1979.07-），男，河北涿州人，工程師，學(xué)士學(xué)位，研究方向：網(wǎng)絡(luò)安全。

作者單位：電子工程學(xué)院，北京 102488