Enforcing Termination of Interprocedural Analysis

Interprocedural analysis by means of partial tabulation of summary functions may not terminate when the same procedure is analyzed for infinitely many abstract calling contexts or when the abstract domain has infinite strictly ascending chains. As a remedy, we present a novel local solver for general abstract equation systems, be they monotonic or not, and prove that this solver fails to terminate only when infinitely many variables are encountered. We clarify in which sense the computed results are sound. Moreover, we show that interprocedural analysis performed by this novel local solver, is guaranteed to terminate for all non-recursive programs --- irrespective of whether the complete lattice is infinite or has infinite strictly ascending or descending chains

A combined representation for the maintenance of C programs

A programmer wishing to make a change to a piece of code must first gain a full understanding of the behaviours and functionality involved. This process of program comprehension is difficult and time consuming, and often hindered by the absence of useful program documentation. Where documentation is absent, static analysis techniques are often employed to gather programming level information in the form of data and control flow relationships, directly from the source code itself. Software maintenance environments are created by grouping together a number of different static analysis tools such as program sheers, call graph builders and data flow analysis tools, providing a maintainer with a selection of 'views' of the subject code. However, each analysis tool often requires its own intermediate program representation (IPR). For example, an environment comprising five tools may require five different IPRs, giving repetition of information and inefficient use of storage space. A solution to this problem is to develop a single combined representation which contains all the program relationships required to present a maintainer with each required code view. The research presented in this thesis describes the Combined C Graph (CCG), a dependence-based representation for C programs from which a maintainer is able to construct data and control dependence views, interprocedural control flow views, program slices and ripple analyses. The CCG extends earlier dependence-based program representations, introducing language features such as expressions with embedded side effects and control flows, value returning functions, pointer variables, pointer parameters, array variables and structure variables. Algorithms for the construction of the CCG are described and the feasibility of the CCG demonstrated by means of a C/Prolog based prototype implementation

Information Flow Control with System Dependence Graphs - Improving Modularity, Scalability and Precision for Object Oriented Languages

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Gebiet der statischen Programmanalyse — insbesondere betrachten wir Analysen, deren Ziel es ist, bestimmte Sicherheitseigenschaften, wie etwa Integrität und Vertraulichkeit, für Programme zu garantieren. Hierfür verwenden wir sogenannte Abhängigkeitsgraphen, welche das potentielle Verhalten des Programms sowie den Informationsfluss zwischen einzelnen Programmpunkten abbilden. Mit Hilfe dieser Technik können wir sicherstellen, dass z.B. ein Programm keinerlei Information über ein geheimes Passwort preisgibt. Im Speziellen liegt der Fokus dieser Arbeit auf Techniken, die das Erstellen des Abhängigkeitsgraphen verbessern, da dieser die Grundlage für viele weiterführende Sicherheitsanalysen bildet. Die vorgestellten Algorithmen und Verbesserungen wurden in unser Analysetool Joana integriert und als Open-Source öffentlich verfügbar gemacht. Zahlreiche Kooperationen und Veröffentlichungen belegen, dass die Verbesserungen an Joana auch in der Forschungspraxis relevant sind. Diese Arbeit besteht im Wesentlichen aus drei Teilen. Teil 1 befasst sich mit Verbesserungen bei der Berechnung des Abhängigkeitsgraphen, Teil 2 stellt einen neuen Ansatz zur Analyse von unvollständigen Programmen vor und Teil 3 zeigt aktuelle Verwendungsmöglichkeiten von Joana an konkreten Beispielen. Im ersten Teil gehen wir detailliert auf die Algorithmen zum Erstellen eines Abhängigkeitsgraphen ein, dabei legen wir besonderes Augenmerk auf die Probleme und Herausforderung bei der Analyse von Objektorientierten Sprachen wie Java. So stellen wir z.B. eine Analyse vor, die den durch Exceptions ausgelösten Kontrollfluss präzise behandeln kann. Hauptsächlich befassen wir uns mit der Modellierung von Seiteneffekten, die bei der Kommunikation über Methodengrenzen hinweg entstehen können. Bei Abhängigkeitsgraphen werden Seiteneffekte, also Speicherstellen, die von einer Methode gelesen oder verändert werden, in Form von zusätzlichen Knoten dargestellt. Dabei zeigen wir, dass die Art und Weise der Darstellung, das sogenannte Parametermodel, enormen Einfluss sowohl auf die Präzision als auch auf die Laufzeit der gesamten Analyse hat. Wir erklären die Schwächen des alten Parametermodels, das auf Objektbäumen basiert, und präsentieren unsere Verbesserungen in Form eines neuen Modells mit Objektgraphen. Durch das gezielte Zusammenfassen von redundanten Informationen können wir die Anzahl der berechneten Parameterknoten deutlich reduzieren und zudem beschleunigen, ohne dabei die Präzision des resultierenden Abhängigkeitsgraphen zu verschlechtern. Bereits bei kleineren Programmen im Bereich von wenigen tausend Codezeilen erreichen wir eine im Schnitt 8-fach bessere Laufzeit — während die Präzision des Ergebnisses in der Regel verbessert wird. Bei größeren Programmen ist der Unterschied sogar noch deutlicher, was dazu führt, dass einige unserer Testfälle und alle von uns getesteten Programme ab einer Größe von 20000 Codezeilen nur noch mit Objektgraphen berechenbar sind. Dank dieser Verbesserungen kann Joana mit erhöhter Präzision und bei wesentlich größeren Programmen eingesetzt werden. Im zweiten Teil befassen wir uns mit dem Problem, dass bisherige, auf Abhängigkeitsgraphen basierende Sicherheitsanalysen nur vollständige Programme analysieren konnten. So war es z.B. unmöglich, Bibliothekscode ohne Kenntnis aller Verwendungsstellen zu betrachten oder vorzuverarbeiten. Wir entdeckten bei der bestehenden Analyse eine Monotonie-Eigenschaft, welche es uns erlaubt, Analyseergebnisse von Programmteilen auf beliebige Verwendungsstellen zu übertragen. So lassen sich zum einen Programmteile vorverarbeiten und zum anderen auch generelle Aussagen über die Sicherheitseigenschaften von Programmteilen treffen, ohne deren konkrete Verwendungsstellen zu kennen. Wir definieren die Monotonie-Eigenschaft im Detail und skizzieren einen Beweis für deren Korrektheit. Darauf aufbauend entwickeln wir eine Methode zur Vorverarbeitung von Programmteilen, die es uns ermöglicht, modulare Abhängigkeitsgraphen zu erstellen. Diese Graphen können zu einem späteren Zeitpunkt der jeweiligen Verwendungsstelle angepasst werden. Da die präzise Erstellung eines modularen Abhängigkeitsgraphen sehr aufwendig werden kann, entwickeln wir einen Algorithmus basierend auf sogenannten Zugriffspfaden, der die Skalierbarkeit verbessert. Zuletzt skizzieren wir einen Beweis, der zeigt, dass dieser Algorithmus tatsächlich immer eine konservative Approximation des modularen Graphen berechnet und deshalb die Ergebnisse darauf aufbauender Sicherheitsanalysen weiterhin gültig sind. Im dritten Teil präsentieren wir einige erfolgreiche Anwendungen von Joana, die im Rahmen einer Kooperation mit Ralf Küsters von der Universität Trier entstanden sind. Hier erklären wir zum einen, wie man unser Sicherheitswerkzeug Joana generell verwenden kann. Zum anderen zeigen wir, wie in Kombination mit weiteren Werkzeugen und Techniken kryptographische Sicherheit für ein Programm garantiert werden kann - eine Aufgabe, die bisher für auf Informationsfluss basierende Analysen nicht möglich war. In diesen Anwendungen wird insbesondere deutlich, wie die im Rahmen dieser Arbeit vereinfachte Bedienung die Verwendung von Joana erleichtert und unsere Verbesserungen der Präzision des Ergebnisses die erfolgreiche Analyse erst ermöglichen

Static Slicing of Interprocedural Programs

Program slicing has many applications in a software development environment such as debugging, testing, anomaly detection, program understanding and many more. The concept being introduced by Weiser and it was started with static slicing calculation. Talking about static slicing, it is a subset of statements of a program which directly or indirectly affect the values of the variables computed providing a slicing criterion. In this project, we have developed an approach for creating an intermediate representation of a program in the form of System Dependence Graph (SDG) which is to be, again taken as input for computing the slicing of a program with respect to slicing criterion. The slicing approach computes the slices with respect to a given slicing criterion. For generating the graph, we have analysed the input program, identified the tokens and finally generated the relation between tokens as data dependent or control dependent. For calculating the slice, we have used two-phase graph reachability algorithm developed by Horwitz, Reps and Binkley, which creates a graph consisting of only those nodes that are dependent on slicing criterion. Finally we have plotted a graph between time taken to create graph versus number of functions used in program. Our approach of calculating slices has been limited only to C programs

Systematic Approaches to Advanced Information Flow Analysis – and Applications to Software Security

In dieser Arbeit berichte ich über Anwendungen von Slicing und Programmabhängigkeitsgraphen (PAG) in der Softwaresicherheit. Außerdem schlage ich ein Analyse-Rahmenwerk vor, welches Datenflussanalyse auf Kontrollflussgraphen und Slicing auf Programmabhängigkeitsgraphen verallgemeinert. Mit einem solchen Rahmenwerk lassen sich neue PAG-basierte Analysen systematisch ableiten, die über Slicing hinausgehen. Die Hauptthesen meiner Arbeit lauten wie folgt: (1) PAG-basierte Informationsflusskontrolle ist nützlich, praktisch anwendbar und relevant. (2) Datenflussanalyse kann systematisch auf Programmabhängigkeitsgraphen angewendet werden. (3) Datenflussanalyse auf Programmabhängigkeitsgraphen ist praktisch durchführbar

Control dependence for extended finite state machines

Though there has been nearly three decades of work on program slicing, there has been comparatively little work on slicing for state machines. One of the primary challenges that currently presents a barrier to wider application of state machine slicing is the problem of determining control dependence. We survey existing related definitions, introducing a new definition that subsumes one and extends another. We illustrate that by using this new definition our slices respect Weiser slicing’s termination behaviour. We prove results that clarify the relationships between our definition and older ones, following this up with examples to motivate the need for these differences

Lossless, Persisted Summarization of Static Callgraph, Points-To and Data-Flow Analysis

Static analysis is used to automatically detect bugs and security breaches, and aids compiler optimization. Whole-program analysis (WPA) can yield high precision, however causes long analysis times and thus does not match common software-development workflows, making it often impractical to use for large, real-world applications. This paper thus presents the design and implementation of ModAlyzer, a novel static-analysis approach that aims at accelerating whole-program analysis by making the analysis modular and compositional. It shows how to compute lossless, persisted summaries for callgraph, points-to and data-flow information, and it reports under which circumstances this function-level compositional analysis outperforms WPA. We implemented ModAlyzer as an extension to LLVM and PhASAR, and applied it to 12 real-world C and C++ applications. At analysis time, ModAlyzer modularly and losslessly summarizes the analysis effect of the library code those applications share, hence avoiding its repeated re-analysis. The experimental results show that the reuse of these summaries can save, on average, 72% of analysis time over WPA. Moreover, because it is lossless, the module-wise analysis fully retains precision and recall. Surprisingly, as our results show, it sometimes even yields precision superior to WPA. The initial summary generation, on average, takes about 3.67 times as long as WPA