[论文解读] Sphinx: A Secure Architecture Based on Binary Code Diversification and Execution Obfuscation

Michel A. Kinsy, Donato Kava+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2018

Advanced Malware Detection Techniques参考文献 8被引用 4

一句话总结

Sphinx 提出了一种软硬件协同设计的架构，通过结合二进制代码混淆与运行时执行混淆，抵御逆向工程和侧信道攻击。通过自重构处理单元和 PUF 保护的二进制掩码，动态改变指令执行特征，Sphinx 将功能行为与可观测的侧信道信号解耦，实现强安全性，同时性能和功耗开销极低。

ABSTRACT

Sphinx, a hardware-software co-design architecture for binary code and runtime obfuscation. The Sphinx architecture uses binary code diversification and self-reconfigurable processing elements to maintain application functionality while obfuscating the binary code and architecture states to attackers. This approach dramatically reduces an attacker's ability to exploit information gained from one deployment to attack another deployment. Our results show that the Sphinx is able to decouple the program's execution time, power and memory and I/O activities from its functionality. It is also practical in the sense that the system (both software and hardware) overheads are minimal.

研究动机与目标

• 应对二进制代码和系统状态持续存在的逆向工程与侧信道攻击威胁。
• 降低攻击者利用程序执行过程中一致的功耗、时序和内存访问模式的攻击效果。
• 通过软硬件协同设计，在保持强安全性的同时最小化性能和功耗开销。
• 通过确保同一程序的每次部署均表现出独特的执行行为，实现移动目标防御。
• 提供实用的安全性，不依赖昂贵或低速的密码机制或完整的硬件隔离。

提出的方法

• 在编译时通过向二进制代码中插入随机的虚假指令，并生成二进制掩码以标识真实指令与虚假指令，实现软件层面的混淆。
• 使用物理不可克隆函数（PUF）安全地存储和检索二进制掩码的解密密钥，确保密钥机密性。
• 在处理器中部署自感知可重构架构（SARA），支持同一指令的多种执行特征，其特征在时序、功耗和内存访问方面各不相同。
• 根据解密后的二进制掩码，在运行时动态重构执行单元，以改变不同部署之间的执行行为。
• 通过引入受熵控制的指令混淆，将可观测的侧信道信号（功耗、时序、内存 I/O）与功能行为解耦。
• 使用基准测试套件（SPLASH-2、PARSEC、SPEC CINT2006）在模拟的 Verilog 硬件原型中评估性能、功耗和侧信道抗性。

实验结果

研究问题

• RQ1 结合二进制代码混淆与运行时硬件重构，能否在不产生禁止性性能或功耗成本的前提下有效隐藏侧信道泄漏？
• RQ2 单个应用程序在不同运行中，其执行特征（时序、功耗、内存）可变程度如何，同时仍保持功能正确性？
• RQ3 与传统方法相比，所提出的系统在防止逆向工程和侧信道攻击方面的有效性如何？
• RQ4 使用 PUF 保护的二进制掩码与运行时重构，能否在极低硬件和软件开销下提供实用安全性？
• RQ5 该系统在保持与标准编译器和现有软件栈兼容的同时，能否实现强混淆？

主要发现

• Sphinx 架构成功地将程序功能与可观测的侧信道信号（如执行时间、功耗和内存访问模式）解耦。
• 由于基于混淆二进制掩码的运行时重构，同一二进制代码的每次执行都会产生不同的时序、功耗和内存 I/O 特征。
• 通过动态混淆实现强安全性，使得攻击者无法利用一次部署的信息来攻破其他部署。
• 性能和功耗开销保持极低，这在包括 SPLASH-2、PARSEC 和 SPEC CINT2006 在内的标准基准测试套件评估中已得到验证。
• 基于 PUF 的密钥存储确保了二进制掩码受到保护，防止未经授权的解密和逆向工程。
• 自重构的 SARA 处理器支持每条指令的多种执行特征，从而对侧信道泄漏实现细粒度控制。