[EN] Practical experience in software engineering has demonstrated that the goal of
building totally fault-free software systems, although desirable, is impossible
to achieve. Therefore, it is necessary to incorporate mitigation techniques in
the deployed software, in order to reduce the impact of latent faults.
This thesis makes contributions to three memory corruption mitigation
techniques: the stack smashing protector (SSP), address space layout
randomisation (ASLR) and automatic software diversification.
The SSP is a very effective protection technique used against stack buffer
overflows, but it is prone to brute force attacks, particularly the dangerous
byte-for-byte attack. A novel modification, named RenewSSP, has been proposed
which eliminates brute force attacks, can be used in a completely transparent
way with existing software and has negligible overheads. There are two
different kinds of application for which RenewSSP is especially beneficial:
networking servers (tested in Apache) and application launchers (tested on
Android).
ASLR is a generic concept with multiple designs and implementations. In this
thesis, the two most relevant ASLR implementations of Linux have been analysed
(Vanilla Linux and PaX patch), and several weaknesses have been found. Taking
into account technological improvements in execution support (compilers and
libraries), a new ASLR design has been proposed, named ASLR-NG, which
maximises entropy, effectively addresses the fragmentation issue and removes a
number of identified weaknesses. Furthermore, ASLR-NG is transparent to
applications, in that it preserves binary code compatibility and does not add
overheads. ASLR-NG has been implemented as a patch to the Linux kernel 4.1.
Software diversification is a technique that covers a wide range of faults,
including memory errors. The main problem is how to create variants,
i.e. programs which have identical behaviours on normal inputs but
where faults manifest differently. A novel form of automatic variant
generation has been proposed, using multiple cross-compiler suites and
processor emulators.
One of the main goals of this thesis is to create applicable results.
Therefore, I have placed particular emphasis on the development of real
prototypes in parallel with the theoretical study. The results of this thesis
are directly applicable to real systems; in fact, some of the results have
already been included in real-world products. / [ES] La creación de software supone uno de los retos más complejos para el
ser humano ya que requiere un alto grado de abstracción. Aunque se ha
avanzado mucho en las metodologías para la prevención de los fallos
software, es patente que el software resultante dista mucho de ser
confiable, y debemos asumir que el software que se produce no está
libre de fallos. Dada la imposibilidad de diseñar o implementar
sistemas libres de fallos, es necesario incorporar técnicas de
mitigación de errores para mejorar la seguridad.
La presente tesis realiza aportaciones en tres de las principales
técnicas de mitigación de errores de corrupción de memoria: Stack
Smashing Protector (SSP), Address Space Layout Randomisation (ASLR) y
Automatic Software Diversification.
SSP es una técnica de protección muy efectiva contra
ataques de desbordamiento de buffer en pila, pero es sensible a ataques de
fuerza bruta, en particular al peligroso ataque denominado byte-for-byte.
Se ha propuesto una novedosa modificación del SSP, llamada RenewSSP,
la cual elimina los ataques de fuerza bruta. Puede ser usada
de manera completamente transparente con los programas existentes sin
introducir sobrecarga. El RenewSSP es especialmente beneficioso en dos áreas de
aplicación: Servidores de red (probado en Apache) y
lanzadores de aplicaciones eficientes (probado en Android).
ASLR es un concepto genérico, del cual hay multitud de diseños e
implementaciones. Se han analizado las dos implementaciones más
relevantes de Linux (Vanilla Linux y PaX patch), encontrándose en
ambas tanto debilidades como elementos mejorables. Teniendo en cuenta
las mejoras tecnológicas en el soporte a la ejecución (compiladores y
librerías), se ha propuesto un nuevo diseño del ASLR, llamado
ASLR-NG, el cual: maximiza la entropía, soluciona el problema de la
fragmentación y elimina las debilidades encontradas. Al igual que la
solución propuesta para el SSP, la nueva propuesta de ASLR es
transparente para las aplicaciones y compatible a nivel
binario sin introducir sobrecarga. ASLR-NG ha sido implementado como
un parche del núcleo de Linux para la versión 4.1.
La diversificación software es una técnica que cubre una amplia gama
de fallos, incluidos los errores de memoria. La principal dificultad
para aplicar esta técnica radica en la generación de las
"variantes", que son programas que tienen un comportamiento idéntico
entre ellos ante entradas normales, pero tienen un comportamiento
diferenciado en presencia de entradas anormales. Se ha propuesto una
novedosa forma de generar variantes de forma automática a partir de un
mismo código fuente, empleando la emulación de sistemas.
Una de las máximas de esta investigación ha sido la aplicabilidad de
los resultados, por lo que se ha hecho especial hincapié en el
desarrollo de prototipos sobre sistemas reales a la par que se llevaba
a cabo el estudio teórico. Como resultado, las propuestas de esta
tesis son directamente aplicables a sistemas reales, algunas de ellas
ya están siendo explotadas en la práctica. / [CAT] La creació de programari suposa un dels reptes més complexos per al ser humà ja
que requerix un alt grau d'abstracció. Encara que s'ha avançat molt en les
metodologies per a la prevenció de les fallades de programari, és palès que el
programari resultant dista molt de ser confiable, i hem d'assumir que el
programari que es produïx no està lliure de fallades. Donada la impossibilitat
de dissenyar o implementar sistemes lliures de fallades, és necessari
incorporar tècniques de mitigació d'errors per a millorar la seguretat.
La present tesi realitza aportacions en tres de les principals tècniques de
mitigació d'errors de corrupció de memòria: Stack Smashing Protector (SSP),
Address Space Layout Randomisation (ASLR) i Automatic Software
Diversification.
SSP és una tècnica de protecció molt efectiva contra atacs de desbordament de
buffer en pila, però és sensible a atacs de força bruta, en particular al
perillós atac denominat byte-for-byte.
S'ha proposat una nova modificació del SSP, RenewSSP, la qual elimina els atacs
de força bruta. Pot ser usada de manera completament transparent amb els
programes existents sense introduir sobrecàrrega. El RenewSSP és especialment
beneficiós en dos àrees d'aplicació: servidors de xarxa (provat en Apache) i
llançadors d'aplicacions eficients (provat en Android).
ASLR és un concepte genèric, del qual hi ha multitud de dissenys i
implementacions. S'han analitzat les dos implementacions més rellevants de
Linux (Vanilla Linux i PaX patch), trobant-se en ambdues tant debilitats com
elements millorables. Tenint en compte les millores tecnològiques en el suport
a l'execució (compiladors i llibreries), s'ha proposat un nou disseny de
l'ASLR: ASLR-NG, el qual, maximitza l'entropia, soluciona el problema de
la fragmentació i elimina les debilitats trobades. Igual que la solució
proposada per al SSP, la nova proposta d'ASLR és transparent per a les
aplicacions i compatible a nivell binari sense introduir sobrecàrrega. ASLR-NG
ha sigut implementat com un pedaç del nucli de Linux per a la versió 4.1.
La diversificació de programari és una tècnica que cobrix una àmplia gamma de
fa\-llades, inclosos els errors de memòria. La principal dificultat per a aplicar
esta tècnica radica en la generació de les "variants", que són programes que
tenen un comportament idèntic entre ells davant d'entrades normals, però tenen
un comportament diferenciat en presència d'entrades anormals. S'ha proposat una
nova forma de generar variants de forma automàtica a partir d'un mateix codi
font, emprant l'emulació de sistemes.
Una de les màximes d'esta investigació ha sigut l'aplicabilitat dels resultats,
per la qual cosa s'ha fet especial insistència en el desenrotllament de
prototips sobre sistemes reals al mateix temps que es duia a terme l'estudi
teòric. Com a resultat, les propostes d'esta tesi són directament aplicables
a sistemes reals, algunes d'elles ja estan sent explotades en la pràctica. / Marco Gisbert, H. (2015). Cyber-security protection techniques to mitigate memory errors exploitation [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/57806 / TESIS
| Identifer | oai:union.ndltd.org:upv.es/oai:riunet.upv.es:10251/57806 |
| Date | 04 November 2016 |
| Creators | Marco Gisbert, Héctor |
| Contributors | Ripoll Ripoll, José Ismael, Universitat Politècnica de València. Departamento de Sistemas Informáticos y Computación - Departament de Sistemes Informàtics i Computació |
| Publisher | Universitat Politècnica de València |
| Source Sets | Universitat Politècnica de València |
| Language | English |
| Detected Language | Spanish |
| Type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/acceptedVersion |
| Rights | http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/, info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.0032 seconds