基于完整性验证的软件防篡改方案

第33卷第8期2016年8月

计算机应用与软件

Computer Applications and Software

Vol.33 No.8

Aug.2016基于完整性验证的软件防篡改方案

(中北大学计算机与控制工程学院山西太原030051)

摘要为了解决软件响应和验证易受攻击的问题，对现有的防篡改方案进行研究，提出一种基于完整性验证的防篡改模型TPM(Tamper Proofing Model)。该方案将软件分为多个单元，采用多种加密方式加密软件，对程序的控制流进行完整性验证得到 Hash值，通过隐藏在程序中的密钥生成函数，利用得到的哈希值、注册码和用户码来计算各个加密单元的解密密钥。理论分析和实 验结果表明，该模型无需修改底层硬件，易于实现，开销小且算法安全性高。

关键词 防篡改完整性验证控制流安全性

中图分类号 TP3 文献标识码 A D0I：10. 3969/j.issn.1000-386x.2016. 08. 069

SOFTWARE TAMPERPROOFING SCHEME BASED ON INTEGRITY CHECKING

Ma Qiaomei Hu Shasha Chen Gouxi

(School of Computer and Control Engineering, North University of China, Taiyuan 030051 , Shanxi, China)

Abstract To solve th e problem that th e softw are response and verification are vulnerable to attack,w e studied th e existing tamperproofing schem es and presented an integrity checking-based tamperproofing model.The schem e divides the softw are into several units and em ploys various encryption m ethods to encrypt software.By conducting integrity checking on the control flow of the program it ge ts th e Hash value, then through th e key generation function hidden in the program and by making u se of th e derived Hash value,register code and user ID it calculates the decryption keys of each encryption unit.Theoretical analysis and experimental results dem onstrated that th e model does n ot need to modify the underlying hardware,it is e asy to implement with small overhead and strong algorithm security.

Keywords Tamperproofing Integrity checking Control flow Security

〇引言

防算改技术是通过软硬件措施防止软件被非法修改、分发 和使用的一种技术和科学[1]。现有防篡改技术分为两类[2]:— 类是静态防算改技术;另一类是动态防篡改技术。前者针对程 序静态分析,阻止攻击者对程序实施逆向工程以提取程序的核 心代码;后者阻止攻击者篡改程序,使意图篡改者无法执行原功 能。完整性验证[3_5]是目前动态防篡改技术的一个重要研究领 域。Jacob等人[6]利用代码重叠技术将隐式指令嵌人目标代码，用于验证程序运行时状态和指令的完整性。控制流完整性[7]是通过保证控制流的完整性来实现软件防篡改的方法。主要通 过所得运算值与预期值的比较来判断软件是否被篡改。软件哨 兵[8'9]是通过分布式来实现程序代码的保护，但哨兵本身的安 全性无法保证。余艳玮等[1°]在此基础上又提出了基于三线程 和软件哨兵的防篡改技术，该技术利用改进的三线程结构来保 护哨兵自身安全，其保护力度得到明显的提高。张贵民等人[11]提出了基于函数级控制流监控的软件防篡改，由监控模块实时 获取哨兵发送的软件运行状态，通过对比运行状态和预期值判断程序是否被算改。在目前的防篡改方案中，如隐式哈希和控 制流检测都涉及与预期值比较，不合理的预期值预存方案将成 为攻击者的突破口，攻击者可以通过替换预期值从而成功通过 完整性验证。

针对现有方案的不足,本文提出基于完整性验证的防篡改 模型。该模型使用多种方法加密软件，利用完整性验证得到的 Hash值来计算每个加密模块的解密密钥。如果软件被篡改，解 密密钥的计算就会出错，解密失败。该方案能加大软件的保护 力度，不依赖硬件设施,成本低且易于实现。

1基于完整性验证的防篡改模型

完整性验证是通过插人验证代码等验证机制来验证程序的 完整性,以此来判断程序是否被篡改。现有的防篡改方案不能 保证验证代码的安全性且验证机制易受攻击。基于此,本文提 出了一种基于完整性验证的防篡改模型TPM，模型如图1所示。

收稿日期:2015 -03-02。山西省自然科学基金项目（2012011010-1)。马巧梅,副教授，主研领域：图形图像处理，信息安全技术。胡沙沙，硕士生。陈够喜，

副教授。

第8期马巧梅等:基于完整性验证的软件防篡改方案313

图1基于完整性验证的防篡改模型

模型中相关符号描述如下：

程序被分块后的第〖个单元块；

:被加密后程序的第〖个单元块；

:第纟个单元块的加密密钥；

:第〖个单元块的解密密钥；

尽:第〖个单元块的加密算法；

A:第〖个单元块的解密密钥；

八:第i个单元块的密钥生成函数；

G :分解函数，将用户码和注册码进行分段处理；

CF []:用于存储函数运行信息的数组；

尽（CF[]):第€个单元块运行信息生成的Hash值；

G:用户码被分解后的第〖个值；

尽:注册码被分解后的第〖个值。

TPM由若干个代码单元组成，在程序执行之前，所有的单 元均处于加密状态。在用户获得软件后，需要输入用户码和注 册码，程序会将收到的用户码和注册码分段写入自定义格式的 数据文件中，再结合软件运行所得到的信息解密各个加密单元 块，从而执行相应的功能。

该模型主要有以下特点：（1)直接对二进制文件操作，不依 赖源代码。（2)无需对底层硬件和操作系统进行修改。（3)无 需存储程序的预期信息，可以避免被攻击者修改。（4)哨兵是 程序执行必不可少的一部分，能够避免被攻击者移除。（5)验 证及响应被解密所替代，能够避免被篡改，在防篡改的同时加大 了对程序的保护力度。行信息，可以在程序中植入哨兵。为了保证监控的力度，可在每 个函数入口处植入哨兵，哨兵执行完后再执行函数的功能。本 文中的哨兵只执行跳转功能，即将哨兵后的函数名发送给完整 性验证函数数组，该数组按每个函数的执行顺序存放各函数名，用于后续的完整性验证。图2为示例程序的函数级控制流图。

图2程序example的函数控制流图

获取函数的控制流图，是为了用函数的运行信息来判断程 序是否被篡改。用一个数组CF []来存储函数的运行信息，每 当执行一个函数，哨兵就会将要执行函数的函数名发送给该数 组，数组按发送的顺序来存储各函数名。所有哨兵共享此部分 代码，每读取完一次数组信息，就将数组清空，以接收下一个单 元的相关运行信息，实现数组共享。

2.2分存策略

防篡改机制弹性的强弱即机制的抗攻击性强弱，本方案的 验证机制被解密功能所替代。若想篡改软件，首先应解密所有 程序，即必须先获得所有解密密钥。为了增大机制的抗攻击性，本方案采取分存策略，即将一个载体分解为多个载体进行传输 和存储。

设/(>)是[〇，1]上的函数，^ e Z+，B em stein多项式函数 扒（％) [13]定义为：

Bn(x) = Bn(f(x))=⑴

2基于完整性验证的防篡改方案

所有的非法篡改，最终都体现在控制流的改变上，所以对控 制流的监控可以检测软件是否被防篡改。程序按函数来划分为 不同的功能模块，所以可以通过验证函数控制流的完整性来保 证程序的完整性。如何获取控制流以及如何根据所得到的控制 流来判断程序是否被篡改是本文需要解决的问题。

2.1控制流的获取

多数防篡改机制都是向软件中植入监控代码来实现，监控 代码即为哨兵，通过哨兵实时获取软件的运行状态，哨兵的植入 无需修改底层操作系统，易于实现，合理选择植入位置和数量能 够减少对软件性能的影响。控制流图是一个过程或程序的抽象 表现，用以描述软件行为，既可以通过源文件获取，也可以通过 对二进制文件进行静态分析来获取。从二进制文件获取控制流 图[12]的研究成果较多，在本文中，软件的正常运行行为用函数 级控制流图来描述。

函数的执行序列即为程序的运行状态，为了获取软件的运其中，为Bernstein多项式的第？i次算子，

几！

k\(n- k)\于是，可推导为：

(2)其中巧（i)是Bernstein基函数。

根据每个单元加密方法的不同，选择合适的函数使其满足：

=聰凡尽（CF[])) (3)用Bernstein多项式对注册码和用户码进行分存，将注册码〇

和用户码按式（1)分解为若干个不同的子注册码和用户码，进 而可推导出式（2)。然后根据所得到的子用户码，注册码以及 得到的各单元的Hash值，运用式(3)构造出满足要求的密钥生 成函数F，并用这些函数来计算每个加密单元的解密密钥，从 而在程序中实现分存。

2.3方案的实现

动态防篡改机制是验证软件是否被篡改，并对篡改作出响

应的一种技术。通过验证自身的完整性来判断软件是否被篡

根据实验结果表明，约75%的程序在哨兵植入后运行时间 开销增加在50%左右，所有测试程序增加的时间开销为60%, 从时间开销上来说，比控制流完整性防篡改（开销增加低于

45% [7])相比较大，但从空间开销上来说，控制流完整性防篡改 需要在每个函数的入口和出口加入验证相关信息，而本文方案 只需在入口处植入验证代码，是前者的一半。无论从时间还是 空间上说，本方案与文献[11 ]的开销相近，但本方案的安全性 高。在文献[11]中，没有考虑哨兵本身的安全性，哨兵可以被 移除。若其中一处的哨兵被移除，如处，程序依然按原功 能正常执行，但是监控模块收到的监控序列跟所存储的信息不 一致。在本方案中，哨兵作为软件执行的一部分，安全性受到保 护。在时间开销上，所有哨兵共享完整性验证函数数组，在程序 中仅插入跳转指令，这些指令所产生的开销很小。开销主要由

(下转第318页)

Hash 值与正常执行时得到的Hash 值不|致，利用函数得到的

解密密钥就会出错，使得解密失败。

根据执行序列的不同设置不同的密钥生成函数，如示例程 序的两个正确的执行序列一和二，通过触发不同的密钥生成函 数来保证密钥结果的唯一性。实验结果表明，基于完整性验证 的防篡改机制对函数级防篡改是有效的，能够对篡改做出相应 的反应。

3.2

性能分析

本模型的开销主要分为两部分，第一部分为程序控制流的 获取，哨兵的植入以及对程序进行加密，这部分时间开销比较 大，但这部分开销跟程序的执行没有必然联系，只需要考虑第二

部分哨兵发送函数运行信息以及解密的时间u 为了分析本模型 在植入哨兵前后运行时间的变化，用IDA Pro 中的函数窗口进 行分析。表1列出了个程序中哨兵的数目，图3为植入哨兵后

运行时间的变化情况，其数值为植入后增加的运行时间与植入

前运行时间的比值$

表1各程序植入哨兵的数目

程序

程序规模/MB

哨兵数目

setup_479

4.65133CrossFire 3.6987CAJViewer 38. 17172bdbrowser 44.062047Ace3 2 L oader 0.06238UnRAR 0.321059Rar 0.511669kuwo_7. 7. 1.312. 187

改，完整性的验证主要通过加入验证模块来实现，如何保证验证 模块的安全和可信是研究的重点s 本文方案将验证模块作为程 序执行必不可少的一部分，使得对验证模块进行任意的修改和 删除都会破坏软件的正常执行3这样既可以避免验证模块被绕 过又可以避免验证模块被修改或移除，TPM 由若干个加密代 码单元组成，每一个单元的解密密钥均由隐藏在程序中的F 计 算得到。在整个程序的运行过程中，只有上一个单元正确运行 完成才能正确解密下一个单元。任何更改程序运行功能的行为 都会使解密密钥的计算结果不正确，程序解密异常，TPM 的运 行过程如下：

(1) 用户输入"和及。

(2) 通过分解函数G 将[/和分存成多段。

(3) 利用得到的第一组用户码和注册码解密第一加密单 元，并将依次执行函数的函数名发送给控制流储存数组。(4) 利用第二组用户码和注册码以及得到的尾（CF [])，

通过密钥生成函数。来计算第二加密单元的密钥，解密加密

单元并执行自身功能。

(5) 触发下一单元的解密函数，计算密钥，解密并执行。

(6) 重复执行，直至所有单元被执行。

基于完整性验证的软件防篡改，使用多种加密方法对程序 进行加密，且构造多个不同的。程序的响应功能被解密所替 代，而程序的密钥是计算得到的，无法被攻击者定位提取，破解 者只有通过对加密软件本身进行破解，这样在一定程度上加大 了破解的难度。计算密钥所需的用户名和注册码是用户自己输 入的，通过对函数级完整性进行验证得到计算密钥所需的另一 个值，任何一个数据的出错都会导致密钥计算结果的不一致。 即使软件破解者破解了其中的几个加密单元，也不能由解密密 钥得到对应的子注册码和用户码，在对程序进行完整性验证的 同时也实现了对程序的加密，进而加大了对程序的保护力度。

3性能分析

下面从有效性、性能和安全性三个方面对本文提出的基于

完整性验证的防篡改方案进行分析。

3.1有效性分析

以图2所示程序为例，图2即为程序的控制流图，在每个函 数的入口处植入哨兵。在本程序中，S 2含有缓存区溢出漏洞， 利用该漏洞修改返回地址，使程序跳过S 3继续执行，使得该程 序的控制流被篡改。下面验证本文模型能否对该篡改做出 反应。

当程序正常执行时会有两条执行路径，当判断条件为真时， 执行的为图2所示的左边的执行路径，此时控制流储存数组得 到的相关信息为

H ‘ S ’，‘ 1’，‘ S ’，‘2’，‘ S ’，‘3 ’，‘ S ’，

‘ 4 ’ ！。通过计算Hash 值得到尽（CF [])，并结合相应的R

利用隐藏在程序中的密钥生成函数来计算下一单元的解密 密钥。

当判断条件为假时，执行的为图2所示的右边的执行路径， 此时控制流储存数组得到的相关信息为CF []=丨‘ S ’，‘ 1’， ‘ S ’，‘ 54 }。通过计算Hash 值得到^ ( CF [])，并结合相应的

G ，尽利用隐藏在程序中的密钥生成函数来计算下一单元的解

密密钥。

当程序的控制流被篡改时，控制流储存数组得到的相关信 息为^^[]=!3’，‘1’，‘3’，‘2’，‘3’，‘4’丨，此时得到的

图3

植入哨兵后运行时间增加百分比

时手动输人目标的I P 地址，以免连接不到服务器。6结语

本文设计和实现了一种基于A n d r m d 的物流与财务管理系

统，并对该系统的功能进行了分析。系统将一般企业内的物流 和财务等主流业务进行整合，并实现在移动端实时管理数据，具 有方便、便携和灵活等优点，为销售和财务人员的工作带来便 利，同时对于企业资源管理与优化起到十分关键的作用。

与此同时系统还需要进一步的完善。例如,在系统中添加 员工签到和企业内部邮箱等功能，以提升用户体验；同时，添加 角色权限,以保证企业信息的安全性。

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(上接第314页）解密产生，可以通过合理的设置解密方案来减少所产生的时间 开销。3.3安全性分析

该模型的安全性体现在如下几个方面：

(1) 模型的响应环节为解密，不需要存储函数运行的相关

信息。程序没有被篡改则执行相应的功能，被篡改解密失败则

执行错误的功能，不需要存取原始值，不合理的原始值是攻击者

的突破口，攻击者可以通过逆向工程定位进而移除。(2) 分存策略和加密相结合，将用户码和注册码分段存储， 在加大破解者获取注册信息难度的同时也确保哨兵的安全。在

本方案中，哨兵作为程序正常运行的一部分，若被修改则收到的

函数运行信息就会发生变动,所得的H a s h 就会和所预期的不一

样，最终导致密钥结果计算的不一致，解密出错。

(3) 密钥生成函数隐藏在程序中，只有程序的正确运行才

能触发密钥生成函数的执行。攻击者在不了解程序属性的情况 下，无法确定隐秘信息的存在，即使攻击者找到了密钥生成函数 所在的位置，计算密钥所需的用户码、注册码及函数正常运行信

息的哈希值,其中任意一个值的出错都不可能得到正确的解密 密钥。函数随机的插人到程序中，如果攻击者找到其中一个函 数的所在，而且破解了一个加密模块，并不能通过解密密钥得到 计算所需的用户码、注册码及运行信息，并不影响其余函数的隐 秘性及安全性。如果攻击者定位删除密钥生成函数，则解密功 能不能进行，程序也将无法正常运行。通过多个函数的应用，使 得攻击者花费更多的时间和精力来确定每个函数的位置，这在 一定程度上增加了攻击者的分析难度,进一步增加软件的安 全性[14]。

4结语

本文提出了一种基于完整性验证的防算改模型。该模型采

用分存策略对注册码和用户码进行分段,利用对程序完整性验 证得到的H a s h 值，结合相应的子注册码和用户码，通过多个隐 藏在程序中的函数来计算各单元的解密密钥，使得程序受多种 加密方式的保护，在防止软件被非法篡改的同时加大了软件的 保护力度。然而并不能确保攻击者对少数函数单元内部的更 改，如何在函数中加人相关的防篡改验证,进一步提高软件的防 篡改能力是下一步的研究重点。

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