基于Return-Oriented Programming的程序攻击与防护

随着W⊕X等技术的引入,传统的代码注入攻击几乎被消除,return-to-lib攻击受到很大程度的抑制。在此背景下,Hovav Shacham提出了Return-Oriented Programming(ROP)的思想,该思想基于栈溢出的原理,通过使用程序库中有效的以ret指令结尾的短指令序列构建gadget集合,使之具有图灵完备特性,来完成计算和攻击。讲述ROP思想自提出以来的一些研究成果和其实际的攻击能力,阐述ROP自动化的当前成果与未来可能的发展方向,进而分析和预测ROP自动化的下一步的研究方向。同时,也将从ROP的几个特征分析消除这种攻击的策略和方法,并介绍目前已有的防护思想和成果,论述这些方法的优缺点和改进方向。综合阐述ROP攻击与ROP防护这一矛与盾的问题,力争使读者理解ROP的思想,知悉当前的发展状态,并在此基础上能够进一步推进ROP攻击及其防范的研究。

BIOP:自动构造增强型ROP攻击

针对传统的代码注入和代码复用等攻击技术的缺陷,返回导向编程(Return-Oriented Programming,ROP)提出了复用以ret指令结尾的短指令序列,实现图灵完备编程的思想.ROP攻击可以绕开现有的针对代码注入的防御,且相比于传统代码复用技术,构造功能更为强大.但ROP攻击使用的ret指令结尾的指令序列具有明显的特征,这些特征导致ROP攻击容易被检测到.现有的ROP改进技术使用jmp指令结尾的短指令序列构造攻击,虽然消除了以ret指令结尾的特征,但同时引入了新的特征,且并不具有实用性.文中提出了一种分支指令导向(Branch Instruction-Oriented Programming,BIOP)攻击技术,使用jmp指令或call指令结尾的短指令序列构造攻击.相比于以前的工作,BIOP不引入新的特征,能有效避免现有的防御技术.同时我们分析并解决了构造攻击时寄存器的副作用,提出控制指令序列概念解决构造时内存冲突,实现自动化构造BIOP攻击.作者设计了一个自动化构造BIOP工具,构造了大量实际的BIOP shellcode,实验结果表明BIOP攻击可以绕过现有的ROP防御技术.

针对ROP攻击的动态运行时检测系统

根据面向返回的编程(ROP)攻击及其变种的攻击原理,设计一个针对ROP攻击的动态运行时检测系统。该系统包括静态插桩和动态运行监控2个阶段。静态插桩为待检测程序装配分析代码,动态运行利用ret完整性检测、call完整性检测和jmp完整性检测方法分析程序的控制流和数据流,判断是否为ROP攻击。实验结果表明,该方法能完全检测出ROP恶意代码。

吉林油田页岩油水平井二开钻井关键技术及应用

吉林油田页岩油主要位于松辽盆地南部长岭凹陷,已经完钻5口纯页岩水平井。由于目的层层理和裂缝发育,造成井壁稳定性差,在施工过程中,存在返砂效率低、井壁易坍塌、水平段延伸困难、摩阻扭矩大等技术难题。针对这些问题,通过井身结构优化、强封堵钻井液应用、高效PDC钻头及提速工具优选、井筒清洁参数优化及压力精确控制等技术攻关,形成页岩油二开长水平段水平井钻井关键技术。应用结果表明:①采用强抑制强封堵高性能油基钻井液能有效封堵裂缝,大幅降低钻井液侵入量,并有效防止页岩膨胀,提高井壁的化学稳定性;②钻井液排量大于38 L/s、顶驱转速大于80 r/min能够保持水平井井筒清洁,节约短起下钻及下套管前通井的时间3 d以上;③个性化PDC钻头配合旋导施工能大幅度提高机械钻速,使井壁浸泡时间缩短30%以上。优化起钻速度使井底压力波动降低52%,进一步提高井壁稳定性;④吉林油田页岩油水平井由三开井身结构简化为二开井身结构,水平段长度提高82.75%,机械钻速提高53.73%,钻井成本降低33%。

攻击网页浏览器:面向脚本代码块的ROP Gadget注入

即时编译机制(just-in-time compilation)改善了网页浏览器执行JavaScript脚本的性能,同时也为攻击者向浏览器进程注入恶意代码提供了便利.借助即时编译器,攻击者可以将脚本中的整型常数放置到动态代码缓存区,以便注入二进制恶意代码片段(称为gadget).通过常数致盲等去毒化处理,基于常数的注入已经得到有效遏制.证实了不使用常数转而通过填充脚本代码块也能实施gadget注入,并实现图灵完备的计算功能.在编译一段给定的脚本代码时,即时编译器生成的动态代码中通常存在着一些固定的机器指令序列.这些指令序列的存在性不受常数致盲和地址空间布局随机化等安全机制的影响,同时,这些指令序列中可能蕴涵着攻击者期望的gadget.在实施攻击时,攻击者可以汇集特定的脚本代码块来构造一个攻击脚本,再借助即时编译器来注入gadget.在x86-64架构上评估了这种注入攻击在Spider Monkey和GoogleV8这两个开源即时编译引擎上的可行性.通过给这两个引擎输入大量的JavaScript脚本,可以得到较为丰富的动态代码块.在这些动态代码块上的统计分析结果表明,这两个引擎生成的动态代码中都存在图灵完备的gadget集合.在实际攻击场景中,攻击者可以利用的脚本集合完全包含且远远多于实验用的脚本.因此,攻击者可以采用该方法注入需要的gadget,以便构造出实现任意功能的ROP(return-oriented programming)代码.

Windows ROP自动生成技术的研究与应用

返回导向编程(ROP)技术可以有效绕过数据执行保护(DEP)机制,但人工分析可执行库中的二进制指令序列组合成ROP gadgets耗时而繁琐。为此,利用gadgets字典,设计并实现一种基于Windows平台的自动构建ROP Gadgets方法,允许ROP执行任意操作,并完成图灵完整性。Exploit开发人员利用自动生成的ROP gadgets,可加速绕过DEP机制的Exploit开发过程,缩短Exploit的开发时间。

基于静态指令分配的多模块ROP自动构造方法

返回导向式编程(ROP)是一种可有效绕过数据执行保护(DEP)机制的技术.已有的ROP自动构造技术缺少对ROP模块转换过程的静态指令分配的优化,导致ROP载荷需占用大量内存空间.为解决这一问题,基于已有的ROP自动构造系统Q,针对多模块ROP的模块转换过程,设计了新的静态指令分配规则SIA.SIA通过静态指令分配,构造中间指令序列;通过动态数据填充,实现ROP模块转换过程中的寻址与指针修改.实验表明,相比已有技术,通过SIA规则构造的多模块ROP载荷降低了内存空间占有率,提高了ROP载荷的实用性.

川西地区超深井钻井完井技术现状及攻关方向

川西地区油气资源丰富,但超深层海相碳酸盐岩地质条件复杂,钻井过程中面临纵向上压力系统多、井漏频发、井壁失稳垮塌、部分地层可钻性差、钻井风险高及钻井周期长等技术难点。通过近几年的技术攻关,研究形成了适用于川西地区的超深井钻井完井技术,主要包括超深井井身结构优化技术、钻井提速关键技术、防漏堵漏技术、高压低渗气层控压钻井技术、抗高温强封堵油基钻井液技术、超深高钢级套管开窗技术、控压平衡法固井技术和超深短尾管固井技术等,创造了多项钻井工程纪录,支撑了川西地区超深层油气资源的勘探开发。但目前仍然面临风险区域地质认识不足,恶性井漏治理难度大、部分难钻地层提速不理想和漏垮同存地层安全钻井配套技术不完善等技术难点,因此,提出下一步需在井身结构对策研究、钻井提速新技术新工艺试验、高效堵漏技术研究和地质工程一体化等方向进行技术攻关,以推动川西地区超深井钻井完井技术快速发展,实现川西地区深层油气资源的经济有效勘探开发。

高石梯—磨溪区块探井钻井提速配套技术及其应用效果

为了加快四川盆地高石梯—磨溪区块天然气勘探进程,迫切需要提高探井钻井速度。为此,分析了该区块钻井周期长、机械钻速低的原因并研究了提速技术手段,经过2年的现场试验,逐渐形成了一套适合该区块工程地质特征的震旦系探井钻井提速配套技术:①优化井身结构,不仅充分发挥了提速技术的应用,还可满足后期完井作业对井筒完整性的需要;②以高效、个性化PDC钻头为主配合KCl聚合物钻井液技术,快速钻过上部大尺寸井眼段,缩短了钻井时间,螺杆+转盘配合PDC复合钻井技术已成为该区块深部地层提速的有效技术;③以封隔式尾管悬挂器为主体的防气窜配套工艺技术,解决了"喇叭口"窜气问题,固井质量整体提升。2013年,高石梯—磨溪区块震旦系完钻11口井,平均机械钻速3.02m/h,同比2012年提高16.78%,钻井周期从192d缩短到166d,实现了震旦系深井的优快钻井,为加快该区块天然气勘探步伐提供了强有力的技术保证。

塔里木油田HLHT区块超深井钻井提速配套技术

塔里木油田HLHT区块储层埋藏深、上部地层松软和下部地层岩石可钻性差,导致出现机械钻速低、钻井周期长等问题,在将井身结构优化为塔标Ⅲ三开井身结构的基础上,把提速重点聚集于二开井段,通过分析地层的可钻性,优选钻头及配套提速工具,并结合钻井实践经验,制定了二开钻井提速技术方案:二叠系以上地层,采用长寿命大扭矩螺杆/国产高效螺杆+STS915K型或MS1952SS型高效PDC钻头复合钻井提速技术;二叠系及其以下地层,采用Torkbuster扭力冲击器+U513M型或U613M型专用PDC钻头钻井提速技术。现场应用表明,HLHT区块超深井应用钻井提速配套技术后,平均机械钻速逐年提高,从5.55m/h逐渐提高至8.82m/h,平均钻井周期逐年缩短,从131.0d逐渐缩短至86.1d。这表明,HLHT区块超深井钻井提速配套技术提速效果显著,能够满足该区块超深井快速高效安全钻井的需要。

基于地址完整性检查的函数指针攻击检测

针对传统函数指针攻击检测技术无法检测面向返回编程（ROP）攻击的问题,提出了一种基于跳转地址完整性检查的新方法,在二进制代码层面能够检测多种类型的函数指针攻击。首先,通过静态分析得到函数地址信息,然后动态检查跳转目标地址是否位于合法函数区间。分析了非入口点跳转,提出一种动静结合方法检测ROP攻击。基于二进制代码插桩工具实现原型系统fpcheck,对真实攻击和正常程序进行了测试。实验结果表明fpcheck能够检测包括ROP在内的多种函数指针攻击,通过准确的检测策略,误报率显著下降,性能损失相比原始插桩仅升高10%~20%。

代码复用对抗技术研究进展

代码复用攻击利用被攻击目标的固有程序代码实施攻击,打破了恶意行为总是源自外部的传统假设,是先进内存攻击技术的典型代表,也是近期软件安全领域的研究热点。首先,阐述了该技术的产生背景和实现机理;其次,从改进与变体、不同架构平台下的实现方法、自动化以及包括盲代码复用攻击和基于代码复用的非控制数据攻击在内的代码复用攻击技术的重要拓展等方面系统阐述了近年来国内外相关研究进展;再次,对代码复用攻击的防御机制和对抗防御机制的方法进行了讨论;最后,对代码复用对抗技术的发展趋势和研究方向进行了展望。

渤海低渗油田定向井井身结构优化

渤海25油田沙河街组低渗储层地层压力系统复杂,一期开发时采用渤海常规井身结构,但是作业复杂情况频发,工期较长,导致成本高,整体经济效益较差。通过对地质油藏、地层特点做深入研究分析,优化出一套?355.6mm井眼×?273.1 mm套管+?241.3 mm井眼×?177.8 mm套管+?152.4 mm井眼×?114.3 mm尾管的井身结构及其配套提速技术。通过在2口井的应用试验,取得了较好的效果,2口井平均井深3607.5 m,平均钻井周期19.32天,钻井周期共计比基本设计节余5.37天,钻井时效比基本设计提高24%,同时小井眼钻井所使用的器材及材料费用相应减少,而且投产后产量较好,经济效益显著,具有广阔的应用前景。

用多密钥加密方法防御面向返回编程的攻击

针对面向返回编程(ROP)攻击的特性,提出了一种利用多密钥加密函数返回地址值防ROP攻击的方法。这种方法通过密钥指定位以及密钥迷惑位的巧妙设置,防止密钥在泄露情况下攻击者实施有效攻击的可能。利用二进制代码动态翻译工具PIN开发了原型系统,在实现时,为了避免攻击者攻击原型系统而直接访问密钥,引入了诱饵密钥,在增加攻击难度的同时降低了可信计算基。其有效性分析和实验结果表明,在不需要其他信息(如源码、调试信息等)条件下,多密钥加密防御方法能在适当的性能开销下,有效防御ROP攻击,并且其误报率极低。

一种有效的水力程序设计

在过平衡压力条件下钻进时,增大钻头比水马力能提高机械钻速,但同时泵液力端及高压循环系统易损件及油料费用也随之增加,且动力及传动装置使用周期减短,钻具损坏也频繁。因此,水力参数设计原则是增大钻头比水马力后,提高机械钻速所获得的效益必须大于或等于因水力能量的增加而导致的费用增量、文中介绍了按此原则进行水力程序设计的方法。

渤海油田定向井井身结构优化及应用

井身结构优化是钻完井降本提效的主要措施之一。论证了目前渤海油田常规定向井所采用的?444.50 mm井眼(?339.73 mm表层套管)+?311.15 mm井眼(?244.47 mm生产套管)、?444.50 mm井眼(?339.73 mm表层套管)+?250.82 mm井眼(?177.80 mm生产套管)两种井身结构组合的优缺点,提出了?311.15 mm井眼(?273.05 mm表层套管)+?241.30 mm井眼(?193.67 mm生产套管)的井身结构,并论证了该组合的钻完井可行性。现场应用表明,与邻井相比,采用优化后的井身结构机械钻速可提高35.8%,单井可节约钻井成本约200万元,降本增效成果显著,具有非常广阔的应用前景。

川东南地区深层页岩气钻井关键技术

针对川东南地区页岩气储层埋藏深、岩石强度高、地质构造复杂及机械钻速低、钻井周期长的问题,通过对比分析国内外深层页岩气钻井技术,总结了川东南地区深层页岩气钻井面临的主要技术难点,结合中浅层页岩气钻井技术研究成果与应用情况,从井身结构优化、钻井提速技术、井眼轨迹控制、高密度油基钻井液和深层页岩气固井技术等方面入手,研究形成了适合于川东南深层页岩气的钻井关键技术,并在涪陵地区平桥和江东区块及丁山、威荣、永川等地区的深层页岩气井中进行了应用,取得了显著效果。其中,与应用钻井关键技术前相比,焦页74-2HF井的机械钻速提高了73.48%,钻井周期缩短了42.89%;焦页187-2HF井的机械钻速提高了37.26%,钻井周期缩短了25.79%。研究认为,川东南地区深层页岩气钻井关键技术,对该地区深层页岩气钻井技术方案设计和钻井提速提效具有较强的借鉴和指导作用。

四川盆地火山岩钻井难点与对策

四川盆地二叠系火山岩分布面积广,岩性为火山角砾岩、凝灰岩、玄武岩,夹薄层泥晶灰岩,缝洞发育,埋藏深度超过6 000 m,地层研磨性强,井漏、井壁稳定问题突出且储层保护困难。通过对前期探井实钻资料的工程地质力学特征分析,明确了钻井技术难点,提出了适用于四川盆地二叠系火山岩钻井提速和储层保护技术。结果表明:①采用目的层专层专打的井身结构保证了储层的安全快速钻达;②火山岩井段采用旋冲工具或等壁厚螺杆复合钻进,创下单只钻头进尺最多和机械钻速最高2项新指标,提高机械钻速的同时有效缩短了钻井周期;③"以防为主、防堵结合"的技术思路下,优化形成了强抑制强封堵聚磺防漏钻井液,并通过多种抑制剂和封堵剂相结合的办法确保了储层保护效果和井壁稳定能力。

深潜山阳探1井钻井提速技术

为解决深潜山阳探1井钻井中存在的深部地层可钻性差、存在异常高压地层、井壁易失稳、易井斜等技术难点,提高钻井速度,加快勘探进程,开展了钻井提速技术研究。针对地层特征和钻井技术难点,进行了井身结构优化设计、井位预移+方向造斜技术、古近系深层个性化PDC钻头设计与优选、简易控压钻井技术和聚胺KCl钻井液技术的研究,形成了钻井提速综合配套技术。阳探1井顺利达到钻探目的层,三开段平均井径扩大率仅为1.8%,与邻井相比,复杂时效由5.4%降为0,平均机械钻速提高了39.86%,钻井周期缩短了40.20%,建井周期缩短了44.19%,提速效果突出。研究结果表明,深潜山阳探1井钻井提速技术是实现饶阳凹陷深潜山井优快钻井的有效技术手段,可进一步推广应用。

莺歌海盆地中深层高温高压钻井关键技术及其实践效果

针对莺歌海盆地中深层高温高压钻井过程中存在的地层压力预测精度低、井身结构要求高、高压井段泥饼质量差、粘塑性地层可钻性差等难题,通过多机制复合计算方法预测地层压力、井身结构优化、套管选材、机械钻速提高、钻井液优化等关键技术研究,形成了一套适用于该地区中深层高温高压钻井技术体系,已在该地区中深层19口高温高压井的钻井作业中成功应用,实现了钻井作业时效高、事故率低、费用控制合理的目标。目前这一技术体系已推广到琼东南盆地高温高压钻井作业中,可为今后类似地区高温高压井的钻井作业提供借鉴。