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[658] 2018-10-22_利用硬件性能计数器（HPCs）检测嵌入式系统中的固件修改

文档创建者：s7ckTeam
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最后更新：2025-01-16
2018-10-22_利用硬件性能计数器（HPCs）检测嵌入式系统中的固件修改 利 用 硬 件 性 能 计 数 器 （ H P C s ）   检 测 嵌 入 式 系 统 中 的 固 件 修 改 A r k T e a m   2 0 1 8 - 1 0 - 2 2 作 者 ： { P e r s i s t } @ A r k T e a m 原 文 作 者 ： X u e y a n g   W a n g ,   C h a r a l a m b o s   K o n s t a n t i n o u ,   M i c h a i l   M a n i a t a k o s ,   R a m e s h   K a r r i 原 文 题 目 ： C o n F i r m :   D e t e c t i n g F i r m w a r e   M o d i fi c a t i o n s   i n   E m b e d d e d   S y s t e m s   u s i n g   H a r d w a r e   P e r f o r m a n c e   C o u n t e r s 原 文 来 源 ： I C C A D   ' 1 5   P r o c e e d i n g s   o f t h e   I E E E / A C M   I n t e r n a t i o n a l   C o n f e r e n c e   o n   C o m p u t e r - A i d e d   D e s i g n 程 序 的 行 为 可 以 通 过 其 执 行 期 间 硬 件 事 件 的 总 出 现 次 数 以 及 不 同 被 监 视 事 件 的 计 数 之 间 的 关 系 来 唯 一 地 表 征 。   此 类 硬 件 事 件 包 括 退 役 指 令 ， 分 支 机 构 ， 返 回 ， 浮 点 运 算 等 。 当 对 软 件 进 行 恶 意 修 改 时 ， 执 行 的 硬 件 事 件 的 计 数 将 与 合 法 的 固 件 运 行 期 间 的 计 数 不 同 。 利 用 H P C 来 统 计 硬 件 事 件 ， 开 销 低 。 本 文 在 基 于 A R M 和 P o w e r P C 的 嵌 入 式 平 台 上 实 现 了 C o n F i r m 的 原 型 。   并 通 过 两 种 固 件 和 攻 击 证 明 了 该 技 术 的 可 行 性 。 H P C 是 内 置 于 现 代 微 处 理 器 的 P M U 中 的 专 用 寄 存 器 ， 用 于 存 储 有 关 硬 件 事 件 的 信 息 ， 事 件 选 择 器 可 以 指 定 要 监 视 的 用 户 定 义 的 硬 件 事 件 。 本 文 提 出 了 一 种 计 算 路 径 分 析 方 法 ， 固 件 的 子 程 序 通 常 在 其 控 制 流 程 图 中 具 有 多 个 计 算 路 径 。 每 个 计 算 路 径 都 经 过 不 同 的 代 码 块 ， 因 此 执 行 不 同 的 代 码 。 触 发 不 同 的 硬 件 事 件 ， 从 而 可 以 生 成 不 同 的 硬 件 事 件 的 计 数 向 量 。 令 C ( E x ) 表 示 来 自 目 标 计 算 路 径 执 行 的 事 件 x 的 计 数 。 如 果 同 时 监 视 m 个 硬 件 事 件 ， 则 可 以 获 得 具 有 m 个 元 素 的 H P C 向 量 V ， 如 下 所 示 ：                   如 下 图 所 示 ， 在 被 监 视 的 子 例 程 中 执 行 有 效 路 径 P 1 和 P 2 就 低 级 硬 件 事 件 的 出 现 而 产 生 不 同 的 向 量 V 1 和 V 2 。 例 如 ， 恶 意 执 行 可 以 通 过 路 径 P 3 ， 生 成 与 V 1 和 V 2 不 同 的 意 外 H P C 向 量 V 3 。 图 1   计 算 路 径     C o n F i r m 核 心 由 三 个 组 件 组 成 ： 插 入 模 块 ， 将 检 查 点 插 入 受 监 控 的 固 件 ， H P C 处 理 程 序 ， 驱 动 H P C ， 数 据 库 ， 存 储 有 效 的 基 于 H P C 的 签 名 。 所 有 这 些 组 件 都 存 储 在 在 写 保 护 的 非 易 失 性 存 储 器 中 。 这 可 以 防 止 攻 击 损 害 C o n F i r m ， 同 时 仍 允 许 授 权 更 新
图 2   C o n F i r m 的 结 构 示 意 图 初 始 化 过 程 ： 当 固 件 程 序 加 载 到 内 存 当 中 执 行 之 前 ， b o o t l o a d e r 将 控 制 权 转 交 给 C o n f i r m ， C o n F i r m 中 的 检 查 点 生 成 器 就 会 在 固 件 程 序 中 插 入 检 查 点 ， 两 个 检 查 点 形 成 一 个 检 查 窗 口 ， 然 后 H P C   h a n d l e r 就 开 始 启 动 并 初 始 化 H P C s ， 最 后 C o n f i r m 会 把 控 制 权 转 交 给 b o o t l o a d e r ， 完 成 初 始 化 工 作 。 C o n F i r m 的 工 作 工 程 如 下 图 所 示 ， 当 固 件 程 序 一 旦 执 行 到 达 检 查 点 ， C o n F i r m 就 会 拦 截 控 制 流 并 将 其 重 定 向 到 核 心 模 块 。 然 后 ， 核 心 与 H P C 处 理 程 序 和 基 于 H P C 的 签 名 数 据 库 进 行 通 信 。 具 体 地 ， 读 取 先 前 检 查 窗 口 的 事 件 计 数 并 与 数 据 库 中 的 相 应 签 名 进 行 比 较 。 然 后 重 置 H P C 等 待 下 一 个 检 查 窗 口 ， 并 继 续 执 行 受 监 视 的 固 件 。 H P C 会 一 直 计 算 硬 件 事 件 的 发 生 次 数 ， 直 到 达 到 下 一 个 检 查 点 。 图 3   C o n f i r m 工 作 过 程 示 意 图 本 文 还 提 出 利 用 一 种 随 机 化 检 查 点 的 方 法 来 阻 止 恶 意 的 检 测 绕 过 ， 如 下 图 所 示 ， 如 果 攻 击 者 知 道 正 确 的 A B 的 值 ， 可 以 修 改 A C 的 值 ， 同 时 修 改 C B 的 值 ， 从 而 使 A B 不 变 ， 系 统 就 检 测 不 到 恶 意 修 改 。 所 以 随 机 化 检 查 点 可 以 避 免 检 查 窗 口 被 预 测 。
图 4   随 机 化 检 查 点 C o n f i r m 整 个 检 测 分 为 离 线 和 在 线 两 个 阶 段 ， 如 图 下 图 所 示 ， 离 线 阶 段 执 行 一 些 干 净 的 副 本 ， 并 将 检 查 点 插 入 固 件 程 序 中 ， 生 成 正 常 的 向 量 存 入 数 据 库 中 ， 所 谓 在 线 阶 段 就 是 检 测 阶 段 ， 利 用 离 线 阶 段 的 向 量 数 据 来 检 测 是 否 有 恶 意 修 改 ， 如 果 有 终 止 程 序 或 发 出 警 报 。 图 5   在 线 阶 段 和 离 线 阶 段 示 意 图 C o n F i r m 是 一 种 检 测 恶 意 行 为 的 新 思 路 ！ 阅 读 原 文
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