计算机系统跨边界漏洞检测技术研究

The hierarchy theory is the foundation of computer system design. However, owing to the complex functionality, such as data exchange, privilege isolation, and error disposal, the interaction part between different system layers is usually the weak point of the system, which tends to have security defects, causing vulnerabilities. Since the current research of security vulnerabilities usually involves with singe system layer, this research project proposes the concept of ‘inter-boundary vulnerability’ involving multiple system layers based on the current system architecture. In this research project, we first analyze known inter-boundary vulnerabilities, abstract inter-boundary vulnerability patterns, and construct a behavioral model based on its features. Then, we propose an automatic vulnerability detection approach based on the multi-taint parallel tracking technique and a stable vulnerability replay approach based on the dynamical runtime control technique. Besides, we also propose practical and reliable strategies for inter-boundary vulnerability prevention and fix. This research project focuses on the commonly seen boundaries in the computer system, including the boundary between the kernel and user address space, the boundary between the OS and the hardware devices, and the boundary between the hypervisor and the guest OS. This research project covers all the possible patterns of the inter-boundary vulnerability, which is the first systematic research for the inter-boundary vulnerability.

分层理论是计算机系统设计的基础，而层系统级间交互的部分由于同时起到数据交换、权限隔离、错误处理等多重作用，因而功能复杂，通常是系统的薄弱环节，容易存在安全缺陷，引发安全漏洞。目前的安全漏洞研究通常只涉及单一系统层级，本文基于计算机系统的分层现状，提出涉及到多个系统层级的“跨边界漏洞”的概念，并对其展开深入研究。本课题首先收集已有跨边界漏洞并进行分析，包括抽象漏洞模式以及建立漏洞的行为特征模型，然后基于多污点并行追踪技术提出跨边界漏洞的自动化检测方法，并基于动态运行时控制技术提出跨边界漏洞的稳定复现方法。此外，本课题还提出了针对跨边界漏洞的实用预防策略和可靠修复策略。本课题重点针对系统中常见的内核与用户地址空间之间的边界，操作系统和外围设备之间的边界，管理操作系统和客户操作系统之间的边界展开研究，并涵盖了跨边界漏洞的所有可能漏洞模式，是针对跨边界漏洞的首次系统性研究。

项目针对计算机系统的分层架构现状，提出了提出涉及到多个系统层级的“跨边界漏洞”的概念，并对其展开深入研究。项目首先收集已有跨边界漏洞并建立漏洞库。然后基于已知漏洞的分析和特征提取，抽象了漏洞模式并建立了漏洞行为特征模型。重点针对系统中常见的内核与用户地址空间之间的边界，操作系统和外围设备之间的边界，管理操作系统和客户操作系统之间的边界展开研究，并涵盖了跨边界漏洞的所有可能漏洞模式，在此基础上，基于多污点并行追踪技术提出跨边界漏洞的自动化检测方法，并基于模糊测试技术和符号执行技术进行优化。最后，基于动态运行时控制技术提出跨边界漏洞的稳定复现方法，并实现了竞争漏洞辅助利用框架ERACE。. 项目研究期间发表相关论文12篇，其中CCF推荐A类4篇，B类3篇，C类1篇，SCI核心4篇。申请专利4项，授权专利2项，培养研究生7人，参与国内外学术交流7次，累计挖掘未知漏洞超100个。项目多项研究成果发表于USENIX Security和NDSS等安全类顶级会议以及IEEE TSE和IEEE TIFS等领域内顶级期刊，引发同行关注，有力提升了该工作的影响力。. 项目面向国家网络空间安全与对抗的重大战略需求，针对计算机系统的跨边界漏洞开展研究，对保障软件自主可控安全具有重要意义。计算机系统的跨边界漏洞研究属于领域内前沿问题，为漏洞挖掘与利用相关方向提供了技术积累，为网络对抗探索了新的突破点。