[论文解读] OAT: Attesting Operation Integrity of Embedded Devices

Zhichuang Sun, Bo Feng+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2018

Security and Verification in Computing参考文献 40被引用 10

一句话总结

本文提出OAT，一种用于ARM架构嵌入式设备的远程执行完整性（OEI）认证系统，可检测控制流劫持攻击与仅数据攻击。OAT采用轻量级控制流测量与抽象执行技术，实现高效、可验证的完整性检查，仅带来2.7%的运行时开销，使物联网后端能够实时验证设备操作的可信性。

ABSTRACT

Due to the wide adoption of IoT/CPS systems, embedded devices(IoT frontends) become increasingly connected and mission-critical, which in turn has attracted advanced attacks (e.g., control-flow hijacks and data-only attacks). Unfortunately, IoT backends are unable to detect if such attacks have happened while receiving data, service requests, or operation status from IoT devices. As a result, currently, IoT backends are forced to blindly trust the IoT devices that they interact with. To fill this void, we first formulate a new security property for embedded devices, called "Operation Execution Integrity" or OEI. We then design and build a system, OAT, that enables remote OEI attestation for ARM-based bare-metal embedded devices. Our formulation of OEI captures the integrity of both control flow and critical data involved in an operation execution. Therefore, satisfying OEI entails that an operation execution is free of unexpected control and data manipulations, which existing attestation methods cannot check. Our design of OAT strikes a balance between prover's constraints (embedded devices' limited computing power and storage) and verifier's requirements(complete verifiability and forensic assistance). OAT uses a new control-flow measurement scheme, which enables light-weight and space-efficient collection of measurements (97% space reduction from the trace-based approach). OAT performs the remote control-flow verification through abstract execution, which is fast and deterministic. OAT also features lightweight integrity checking for critical data (74% fewer instrumentation needed than previous work). Our security analysis shows that OAT allows remote verifiers or IoT backends to detect both control-flow hijacks and data-only attacks that affect the execution of operations on IoT devices. In our evaluation using real embedded programs, OAT incurs a runtime overhead of 2.7%.

研究动机与目标

• 为解决物联网设备远程信任验证中的关键缺口，当前后端系统因缺乏运行时完整性检查而盲目信任远程设备。
• 形式化定义一种新的安全属性——操作执行完整性（OEI），以同时捕获操作执行期间的控制流与关键数据完整性。
• 设计一种系统，实现在资源受限嵌入式设备上轻量级、高效且可验证的远程认证，同时不牺牲安全性。
• 通过支持攻击后执行轨迹的重建，实现取证分析，与传统二进制认证结果不同。

提出的方法

• 将操作执行完整性（OEI）形式化为安全属性，要求符合操作的控制流图，并在def-use链上保持关键变量值的完整性。
• 设计一种基于抽象执行的新控制流测量方案，与基于追踪的方法相比，将测量存储空间减少97%。
• 实现一种轻量级代码插桩技术，用于关键数据完整性检查，与先前工作相比，将插桩开销降低74%。
• 构建OAT全栈系统，包含定制化编译器、设备端的运行时测量引擎（证明者）以及后端的验证引擎（验证者）。
• 利用不可伪造的测量结果与确定性抽象执行，确保完全可验证性，并支持事后取证分析。
• 将系统集成到真实嵌入式程序中，并在ARM架构平台上评估其性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 远程验证者能否检测到传统认证机制无法识别的嵌入式设备上的控制流劫持与仅数据攻击？
• RQ2 在资源受限的嵌入式设备上，是否可行实现操作完整性完全可验证，且不产生过高的运行时或存储开销？
• RQ3 系统能否以极低的代码插桩与测量开销，同时提供控制流与数据完整性验证？
• RQ4 系统能否支持攻击痕迹的取证重建，以实现事后分析？

主要发现

• 通过采用抽象执行，OAT相比基于追踪的控制流测量，将测量存储空间减少了97%。
• 在真实嵌入式程序上，系统仅带来2.7%的运行时开销，表明其在ARM架构设备上的高效性。
• 与先前方法相比，OAT将数据完整性检查的代码插桩需求降低了74%，显著提升了可部署性。
• 系统支持对控制流与数据完整性的远程验证，能够检测现有方法遗漏的攻击，如仅数据攻击与ROP利用。
• OAT支持取证痕迹重建，使验证者可在检测后分析攻击行为，而传统二进制认证不支持此功能。
• 安全分析表明，OAT可检测控制流劫持与仅数据攻击，确保只有真实的操作执行才会被物联网后端接受。