[논문 리뷰] Cryptographic Path Hardening: Hiding Vulnerabilities in Software through Cryptography

Vijay Ganesh, Michael Carbin외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 02. 02.

Advanced Malware Detection Techniques참고 문헌 3인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 소프트웨어 취약성을 드러내는 조건을 암호화된 해시 비교와 같은 검증 가능한 보안성과 함께 교체함으로써, 공격자가 정적 분석을 통해 악용 조건을 역공학적으로 분석하는 것을 어렵게 하는 기법인 암호화된 경로 강화(Cryptographic Path Hardening)를 제안한다. 이 방법은 취약성의 정확한 트리거 조건을 폭로하지 않으면서도 패치를 안전하게 배포할 수 있게 하여, 자원이 제한된 공격자들이 악용을 개발하는 데 드는 비용을 현실적으로 초월하게 만든다.

ABSTRACT

We propose a novel approach to improving software security called Cryptographic Path Hardening, which is aimed at hiding security vulnerabilities in software from attackers through the use of provably secure and obfuscated cryptographic devices to harden paths in programs. By "harden" we mean that certain error-checking if-conditionals in a given program P are replaced by equivalent" we mean that adversaries cannot use semi-automatic program analysis techniques to reason about the hardened program paths and thus cannot discover as-yet-unknown errors along those paths, except perhaps through black-box dictionary attacks or random testing (which we can never prevent). Other than these unpreventable attack methods, we can make program analysis aimed at error-finding "provably hard" for a resource-bounded attacker, in the same sense that cryptographic schemes are hard to break. Unlike security-through-obscurity, in Cryptographic Path Hardening we use provably-secure crypto devices to hide errors and our mathematical arguments of security are the same as the standard ones used in cryptography. One application of Cryptographic Path Hardening is that software patches or filters often reveal enough information to an attacker that they can be used to construct error-revealing inputs to exploit an unpatched version of the program. By "hardening" the patch we make it difficult for the attacker to analyze the patched program to construct error-revealing inputs, and thus prevent him from potentially constructing exploits.

연구 동기 및 목표

• 공개된 패치나 필터가 악용 조건을 드러내어 공격자가 패atch되지 않은 시스템을 표적으로 삼는 위험을 해결하기 위해.
• 오류를 드러내는 입력을 위한 프로그램 분석이 암호화 기법을 깨는 것과 유사하게 증명 가능하게 어렵게 만들기 위해.
• 프로그램의 정확성을 손상시키지 않고도 실용적이고 구현 가능한 입력 필터 및 패치 강화 기법을 제공하기 위해.
• 정확한 트리거 조건을 숨기면서도 소프트웨어 패치를 안전하게 배포할 수 있도록 하기 위해.
• 소프트웨어 보안 모델을 공격자에게 취약성 탐지가 계산적으로 비용이 많이 드는 방식으로 전환하여, 은폐성이나 형식적 검증에 의존하지 않기 위해.

제안 방법

• SHA-256나 오브스컬레이션된 해시 프리미티브와 같은 검증 가능한 보안성의 해시 함수를 사용하여 취약한 if-조건문을 등가의 체크로 교체하기.
• 기존에 알려진 악성 입력의 해시 값을 사전에 계산하고(예: '2250738585072011'), 루프를 사용해 입력 서브스트링과 비교하기.
• 소수의 값 집합(예: x == v_i)에 속하는지 확인하는 조건문을 분리된 해시 비교로 대체하기.
• 해시 함수의 충돌 저항성에 의존하여 잘못된 경고가 매우 흔하지 않도록 하여 정확성 확보하기.
• 해당 강화된 버전이 입력 크기와 선형적으로 작동하며 일정 요소의 느려짐만을 유발하므로 다항 시간 성능 유지하기.
• 이산 로그, 인수 분해 등의 암호화 가정을 활용하여, 강화된 체크를 뒤집는 것이 표준 암호화 원리의 깨는 것만큼 어렵다는 것을 공식적으로 주장하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 암호화된 오브스컬레이션을 사용하여 소프트웨어 패치에서 취약성을 유발하는 정확한 조건을 숨길 수 있는가?
• RQ2 정적 분석이나 블랙박스 테스트를 통해 역공학하는 것이 계산적으로 불가능한 강화된 조건을 설계할 수 있는가?
• RQ3 강화된 조건문이 최소한의 성능 오버헤드를 유발하면서도 프로그램의 정확성을 유지할 수 있도록 보장할 수 있는가?
• RQ4 실제 취약성에 적용했을 때 이 방법의 실용적 한계는 무엇인가? 예를 들어 PHP 부동소수점 파싱 버그와 같은 경우.
• RQ5 이 기법을 입력 필터뿐만 아니라 프로그램 내에서 관찰할 수 없는 상수들 또한 숨기는 데 일반화할 수 있는가?

주요 결과

• PHP 취약성에 대한 강화된 필터는 충돌 저항성에 의해 제한되는 극도로 낮은 가짜 경고 확률로 악성 입력을 정확히 식별한다.
• 강화된 필터의 성능 오버헤드는 원래 버전 대비 일정 요소의 느려짐이며, 둘 다 입력 길이에 비례하는 선형 시간 내에서 실행된다.
• 공격자는 128비트 해시를 뒤집거나 브루트포스 검색을 수행하지 않는 한 악성 서브스트링 '2250738585072011'을 복원할 수 없다. 이는 계산적으로 불가능하다.
• 이 방법은 반복적인 분석 도구가 악용 트리거 입력을 유도할 수 없도록 하며, 사전에 계산된 해시를 알지 못하면 강화된 조건문이 임의의 계산과 구분이 불가능하기 때문이다.
• 이 기법은 작은 값 집합이나 서브스트링을 확인하는 조건문에 대해 적용 가능하며, 특히 추측하기 어려운 값들에 대해 효과적이다.
• 이 기법은 현대 암호학과 동일한 의미에서 증명 가능한 보안 보장을 제공하며, 악용 발견이 해시 충돌 저항성과 같은 표준 가정을 깨는 것만큼 어렵게 만든다.