摘 要： 提出了一種軟件安全漏洞的檢測方法，重點介紹了靜態測試。對當前基于源碼分析的軟件安全測試工具進行了分類并加以分析。
??? 關鍵詞： 軟件安全；漏洞；安全測試；靜態分析；測試工具

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??? 隨著Internet的迅速普及和社會信息化程度的不斷加深，信息系統面臨著越來越多的安全威脅，信息安全問題日益突出。研究表明，相當數量的安全問題都是由于軟件自身的安全漏洞引起的[1]。軟件漏洞的產生，既有內因也有外因。內因方面：設計人員在架構階段沒有明確用戶對安全性方面的需求，在設計上也沒有考慮安全性，因此，使得軟件本身存在著缺陷和Bug。外因方面，軟件的運行環境不安全，容易被植入惡意代碼，遭到黑客攻擊，利用軟件漏洞傳播已成為時下惡意代碼最為常用的手段之一。
1?軟件安全漏洞檢測方法
1.1?手工分析
??? 手工分析是目前大部分安全研究人員仍在采用的方法。針對開源軟件，手工分析人員一般是通過諸如SourceInsight之類的源碼閱讀工具來加速源碼檢索和查詢的速度。比如，對C或C++程序最簡單的分析一般都是先對系統中gets、strcpy之類不安全的函數調用進行審查，進一步的審核安全庫函數和循環的使用。閉源軟件的審查與開源軟件不同，閉源軟件難以獲得源代碼，因此反匯編引擎和調試器扮演了最重要的角色，通常在反匯編得到的匯編代碼基礎上進行分析，其難度要遠遠高于源代碼閱讀。由此造成對程序的理解和對程序的逆向工程等很多困難。
??? 因此，不論采用什么方法進行手工分析，都要求安全分析人員既對軟件安全漏洞的原理有深入的了解，同時還要熟悉軟件本身的結構和功能。即便軟件開發人員懂得軟件安全漏洞檢測技術，手工進行漏洞檢測仍然是一件費時耗力的事情。但由于完全自動化的軟件安全漏洞檢測還沒有實現，所以，人工的參與是必不可少的。比如，對靜態程序分析結果的確認、動態程序分析數據的構造等。
1.2?動態測試
　　軟件動態測試是通過運行軟件來檢驗軟件的動態行為和運行結果的正確性。目前，動態測試也是軟件測試工作的主要方式。
　　動態測試需要通過程序的執行來完成，有別于靜態測試得到程序每次執行都不變的特性。動態分析得到程序一次或多次執行的信息，根據這些信息對特定的漏洞模式進行檢測，從而完成軟件的安全分析。程序測試和剖析是最常見的標準動態測試，因為動態測試沒有對程序進行抽象處理，所以其分析結果是十分準確的，如：程序的哪條路徑被執行，程序計算的數據值是什么，程序使用了多少內存或是程序執行了多長時間等等。
??? 但動態測試的結果是不完整的，一次程序的執行情況并不能代表程序以后的可能執行情況。也就是說，一個測試輸入數據集不可能保證程序的所有可能執行路徑，僅僅依靠一次或多次的程序執行情況有可能無法發現軟件的安全漏洞，而這些安全漏洞卻是真實存在的，關鍵是如何設計有良好分支覆蓋和狀態覆蓋的測試。
1.3?靜態測試
　　靜態測試作為一種高效的程序分析方法，受到越來越多的重視。當用戶給出語言的抽象語義后，該類方法能夠自動發現滿足所有可能執行狀態的軟件屬性。靜態測試方法具有自動化程度高、分析速度快的優點。在實際使用中，靜態測試比動態測試更有效率，并能快速找到缺陷(發現30%～70%的邏輯設計和編碼缺陷)。盡管靜態分析方法可能產生一定的漏報(false negatives)或誤報(false positives)，但仍然是當今最實用、最有效的安全漏洞檢測方法之一[2]。
　　靜態測試使用靜態分析技術，直接分析程序的源代碼，通過詞法分析、語法分析和靜態語義分析，檢測程序中潛在的安全漏洞。目前，靜態分析主要有類型推斷、數據流分析和約束分析3種方法。
　　(1)類型推斷
　　程序語言的類型系統包括一種定義類型的機制，有關類型等價、類型相容和類型推理的規則。在將運算符作用于運算對象、執行賦值，或者把實際參數傳遞給子程序時，都存在著類型是否合適的問題。類型推斷是一個處理過程，其目的是保證每個操作都是針對一組數目正確、類型合適的對象進行，以保證操作的有效性。
　　類型推斷可以檢查類型錯誤，選擇合適的操作，根據情況確定必要的類型轉換。類型推斷方法具有簡單、高效的特點，非常適合軟件安全漏洞的快速檢測。采用類型推斷方法檢測的安全漏洞主要有C程序中的格式化字符串漏洞、操作系統內核中的權限檢查[3]，以及操作系統內核中不安全的指針使用[4]等。
　　(2)數據流分析
　　數據流分析是一項編譯時使用的技術，它能從程序代碼中收集程序的語義信息并通過代數的方法在編譯時確定變量的定義和使用。數據流分析被用于解決編譯優化、程序驗證、調試、測試、并行、向量化和串行編程環境等問題。數據流分析是通過對變量構造定義實現的。
　　數據流分析在安全檢測中有著廣泛的用途。應用數據流分析技術，可以檢測C程序中的數組越界漏洞[5]等多種程序中的安全漏洞。
　　(3)約束分析
　　約束分析方法將程序分析過程分為約束產生和約束求解2個階段，前者利用約束產生規則建立變量類型或分析狀態之間的約束系統，后者對這些約束系統進行求解。
　　約束系統可以分為等式約束、集合約束和混合約束3種形式。等式約束的約束項之間只存在相等關系。集合約束把每個程序變量看成一個值集，變量賦值被解釋為集合表達式之間的包含關系。混合約束系統由部分等式約束和部分集合約束組成。
　　約束分析在安全檢測中的應用也很廣泛。比如，可以利用集合約束方法檢測C程序中的緩沖區溢出漏洞。
　　(4)3種主要靜態分析方法的比較
　　以上介紹的3種主要靜態分析方法都是通過解釋程序的抽象語義，建立程序屬性的數學模型，再通過求解這個數學模型確定程序的屬性。相比較而言，約束分析具有最強的檢測能力和最慢的檢測速度，適合進行軟件的安全檢測；數據流分析具有較強和較快的檢測速度，適合需要考慮控制流信息，變量屬性之間的操作簡單的靜態分析問題；類型推斷則具有最弱的檢測能力和最快的檢測速度，適合檢查屬性域有限、與控制流無關的安全屬性。
2?軟件安全靜態測試工具?
??? 靜態分析技術通過發現源代碼中的安全漏洞防止入侵攻擊。靜態分析程序時不需要執行所測試的程序，它掃描所測試程序的正文，并對程序的數據流和控制流進行分析，然后產生非常人性化的錯誤報告，告訴用戶發生錯誤的類型、位置并提出改正的建議，幫助用戶改進軟件質量。
??? 軟件安全測試的工具種類很多，根據保護程序或者保護軟件系統安全的方式和途徑，對基于源碼分析的軟件安全測試工具進行了分類，主要分為：詞匯語法分析類工具、約束分析類工具、擴展編譯類工具、基于模型測試工具等。
2.1?詞匯語法分析類工具
??? 詞匯語法分析類工具是安全測試工具中最簡單的工具，通過程序的詞法和語法分析，對源代碼進行靜態分析，通過模式匹配找出特定的函數中可能導致安全問題的缺陷。
??? 詞匯語法分析類工具使用簡單、快速，易于實現，通常嵌入到程序編譯器中，在軟件開發的過程中發揮重要作用。但其局限性比較大，很難檢測出比較復雜的安全問題，同時此類工具的誤報率比較高。
??? 詞匯語法分析類工具主要有：ITS4、Flawfinder、RATS和PScan等。
2.2?約束分析類工具
??? 約束分析類工具通常利用解析樹產生的約束(也可以利用代碼中添加注釋)，對源代碼進行分析，檢查出可能導致安全問題的缺陷。
??? 相比于詞匯語法類的分析工具，此類工具能夠更好地分析函數的安全性，可以更全面地檢查特定的一些安全漏洞，通過對解析樹的分析，確定缺陷的位置。但因其對安全問題檢查是根據約束完成的，所以檢查缺陷范圍比較有限。
??? 約束分析類工具主要有：BOON、CQUAL、Splint、UNO以及ESC/JAVA。
2.3?擴展編譯類工具
??? 擴展編譯類工具是通過程序員根據對安全規則的理解，把規則和注釋寫入到源程序中傳播。同時對編譯器進行擴展，并對編譯后的程序進行分析。
??? 擴展編譯類的工具把特殊域合并到編譯過程中，使應用的編寫者不需要懂得內部的編譯方式，減少了程序員對于編譯的了解，可以進行系統級的規則檢查；隱藏執行過程中不容易理解的規則；降低了誤報率和測試的開銷。但是這類工具不能檢測多線程類的錯誤。
??? 擴展編譯類工具主要有：xg+、MC。
2.4? 基于模型測試的工具
??? 基于模型測試類工具一般是對程序構造出有限狀態模型，再檢查其是否存在違反特定安全規則的問題。
??? 不同于前面工具的是，模型檢查會為程序建模，檢查的對象變成抽象化的模型。首先構建程序的有限狀態模型，使用形式化方法表示需要檢查的安全屬性，設計分析算法檢測模型中存在的缺陷。但是現存的模型檢測工具一般針對有限狀態模型進行分析，對于模型構建復雜的系統，測試增加了難度。模型的統一形式化表示也是這方面研究的重點。
??? 模型檢測類的工具有：SLAM、BLAST、Banera、MOPS、The Boop Toolkit、ESP以及FindingBugs等工具。
??? 對軟件測試工具進行的對比如表1所示。

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??? 隨著由軟件安全漏洞引起的信息安全問題日益突出，人們越來越重視軟件安全測試的重要性。對源代碼進行分析的靜態測試是保證軟件安全的一個重要方法，它與動態測試的檢測方法互為補充，但不可互相替換。軟件安全靜態測試工具也已經在測試工具中占據一席之地，隨著軟件安全測試技術和工具的不斷發展，已經不再只注重于測試安全方面的漏洞，而是綜合了更多方面的測試[6]，在實際應用中將更加可靠實用。

參考文獻
[1] 劉海燕，楊洪路，王崛.C源代碼靜態安全檢查技術[J].計算機工程，2004，30(2)：28-30.
[2] 夏一民，羅軍，張民選.基于靜態分析的安全漏洞檢測技術研究[J].計算機科學，2006，33(10)：279-282.
[3] ZHANG Xiao Lan，EDWARDS A.Using CQUAL for static analysis of authorization hook[C].Usenix security symposium，USA，2002.
[4] JOHNSON R， WAGNER D.Finding user/kernel pointer bugs with type inference[C].Usenix security symposium，2004.
[5] XIE Yi Chen，CHOU A，ARCHER E D.Using symbolic pathsensitive analysis to detect memory access errors[C].ESEC/FSE’03，helsinki，finland，Sep 2003.
[6] 白哥樂,宮云戰,楊朝紅.基于源碼分析的軟件安全測試工具綜述[C].第五屆中國測試學術會議，2008.