Mining Fix Patterns for FindBugs Violations

In this paper, we first collect and track a large number of fixed and unfixed violations across revisions of software. The empirical analyses reveal that there are discrepancies in the distributions of violations that are detected and those that are fixed, in terms of occurrences, spread and categories, which can provide insights into prioritizing violations. To automatically identify patterns in violations and their fixes, we propose an approach that utilizes convolutional neural networks to learn features and clustering to regroup similar instances. We then evaluate the usefulness of the identified fix patterns by applying them to unfixed violations. The results show that developers will accept and merge a majority (69/116) of fixes generated from the inferred fix patterns. It is also noteworthy that the yielded patterns are applicable to four real bugs in the Defects4J major benchmark for software testing and automated repair.Comment: Accepted for IEEE Transactions on Software Engineerin

Novel Attacks and Defenses in the Userland of Android

In the last decade, mobile devices have spread rapidly, becoming more and more part of our everyday lives; this is due to their feature-richness, mobility, and affordable price. At the time of writing, Android is the leader of the market among operating systems, with a share of 76% and two and a half billion active Android devices around the world. Given that such small devices contain a massive amount of our private and sensitive information, the economic interests in the mobile ecosystem skyrocketed. For this reason, not only legitimate apps running on mobile environments have increased dramatically, but also malicious apps have also been on a steady rise. On the one hand, developers of mobile operating systems learned from security mistakes of the past, and they made significant strides in blocking those threats right from the start. On the other hand, these high-security levels did not deter attackers. In this thesis, I present my research contribution about the most meaningful attack and defense scenarios in the userland of the modern Android operating system. I have emphasized "userland'' because attack and defense solutions presented in this thesis are executing in the userspace of the operating system, due to the fact that Android is slightly different from traditional operating systems. After the necessary technical background, I show my solution, RmPerm, in order to enable Android users to better protect their privacy by selectively removing permissions from any app on any Android version. This operation does not require any modification to the underlying operating system because we repack the original application. Then, using again repackaging, I have developed Obfuscapk; it is a black-box obfuscation tool that can work with every Android app and offers a free solution with advanced state of the art obfuscation techniques -- especially the ones used by malware authors. Subsequently, I present a machine learning-based technique that focuses on the identification of malware in resource-constrained devices such as Android smartphones. This technique has a very low resource footprint and does not rely on resources outside the protected device. Afterward, I show how it is possible to mount a phishing attack -- the historically preferred attack vector -- by exploiting two recent Android features, initially introduced in the name of convenience. Although a technical solution to this problem certainly exists, it is not solvable from a single entity, and there is the need for a push from the entire community. But sometimes, even though there exists a solution to a well-known vulnerability, developers do not take proper precautions. In the end, I discuss the Frame Confusion vulnerability; it is often present in hybrid apps, and it was discovered some years ago, but I show how it is still widespread. I proposed a methodology, implemented in the FCDroid tool, for systematically detecting the Frame Confusion vulnerability in hybrid Android apps. The results of an extensive analysis carried out through FCDroid on a set of the most downloaded apps from the Google Play Store prove that 6.63% (i.e., 1637/24675) of hybrid apps are potentially vulnerable to Frame Confusion. The impact of such results on the Android users' community is estimated in 250.000.000 installations of vulnerable apps

Improving Quality of Software with Foreign Function Interfaces using Static Analysis

A Foreign Function Interface (FFI) is a mechanism that allows software written in one host programming language to directly use another foreign programming language by invoking function calls across language boundaries. Today\u27s software development often utilizes FFIs to reuse software components. Examples of such systems are the Java Development Kit (JDK), Android mobile OS, and Python packages in the Fedora LINUX operating systems. The use of FFIs, however, requires extreme care and can introduce undesired side effects that degrade software quality. In this thesis, we aim to improve several quality aspects of software composed of FFIs by applying static analysis. The thesis investigates several particular characteristics of FFIs and studies software bugs caused by the misuse of FFIs. We choose two FFIs, the Java Native Interface (JNI) and the Python/C interface, as the main subjects of this dissertation. To reduce software security vulnerabilities introduced by the JNI, we first propose definitions of new patterns of bugs caused by the improper exception handlings between Java and C. We then present the design and implement a bug finding system to uncover these bugs. To ensure software safety and reliability in multithreaded environment, we present a novel and efficient system that ensures atomicity in the JNI. Finally, to improve software performance and reliability, we design and develop a framework for finding errors in memory management in programs written with the Python/C interface. The framework is built by applying affine abstraction and affine analysis of reference-counts of Python objects. This dissertation offers a comprehensive study of FFIs and software composed of FFIs. The research findings make several contributions to the studies of static analysis and to the improvement of software quality

Security and trust in cloud computing and IoT through applying obfuscation, diversification, and trusted computing technologies

Cloud computing and Internet of Things (IoT) are very widely spread and commonly used technologies nowadays. The advanced services offered by cloud computing have made it a highly demanded technology. Enterprises and businesses are more and more relying on the cloud to deliver services to their customers. The prevalent use of cloud means that more data is stored outside the organization’s premises, which raises concerns about the security and privacy of the stored and processed data. This highlights the significance of effective security practices to secure the cloud infrastructure. The number of IoT devices is growing rapidly and the technology is being employed in a wide range of sectors including smart healthcare, industry automation, and smart environments. These devices collect and exchange a great deal of information, some of which may contain critical and personal data of the users of the device. Hence, it is highly significant to protect the collected and shared data over the network; notwithstanding, the studies signify that attacks on these devices are increasing, while a high percentage of IoT devices lack proper security measures to protect the devices, the data, and the privacy of the users. In this dissertation, we study the security of cloud computing and IoT and propose software-based security approaches supported by the hardware-based technologies to provide robust measures for enhancing the security of these environments. To achieve this goal, we use obfuscation and diversification as the potential software security techniques. Code obfuscation protects the software from malicious reverse engineering and diversification mitigates the risk of large-scale exploits. We study trusted computing and Trusted Execution Environments (TEE) as the hardware-based security solutions. Trusted Platform Module (TPM) provides security and trust through a hardware root of trust, and assures the integrity of a platform. We also study Intel SGX which is a TEE solution that guarantees the integrity and confidentiality of the code and data loaded onto its protected container, enclave. More precisely, through obfuscation and diversification of the operating systems and APIs of the IoT devices, we secure them at the application level, and by obfuscation and diversification of the communication protocols, we protect the communication of data between them at the network level. For securing the cloud computing, we employ obfuscation and diversification techniques for securing the cloud computing software at the client-side. For an enhanced level of security, we employ hardware-based security solutions, TPM and SGX. These solutions, in addition to security, ensure layered trust in various layers from hardware to the application. As the result of this PhD research, this dissertation addresses a number of security risks targeting IoT and cloud computing through the delivered publications and presents a brief outlook on the future research directions.Pilvilaskenta ja esineiden internet ovat nykyään hyvin tavallisia ja laajasti sovellettuja tekniikkoja. Pilvilaskennan pitkälle kehittyneet palvelut ovat tehneet siitä hyvin kysytyn teknologian. Yritykset enenevässä määrin nojaavat pilviteknologiaan toteuttaessaan palveluita asiakkailleen. Vallitsevassa pilviteknologian soveltamistilanteessa yritykset ulkoistavat tietojensa käsittelyä yrityksen ulkopuolelle, minkä voidaan nähdä nostavan esiin huolia taltioitavan ja käsiteltävän tiedon turvallisuudesta ja yksityisyydestä. Tämä korostaa tehokkaiden turvallisuusratkaisujen merkitystä osana pilvi-infrastruktuurin turvaamista. Esineiden internet -laitteiden lukumäärä on nopeasti kasvanut. Teknologiana sitä sovelletaan laajasti monilla sektoreilla, kuten älykkäässä terveydenhuollossa, teollisuusautomaatiossa ja älytiloissa. Sellaiset laitteet keräävät ja välittävät suuria määriä informaatiota, joka voi sisältää laitteiden käyttäjien kannalta kriittistä ja yksityistä tietoa. Tästä syystä johtuen on erittäin merkityksellistä suojata verkon yli kerättävää ja jaettavaa tietoa. Monet tutkimukset osoittavat esineiden internet -laitteisiin kohdistuvien tietoturvahyökkäysten määrän olevan nousussa, ja samaan aikaan suuri osuus näistä laitteista ei omaa kunnollisia teknisiä ominaisuuksia itse laitteiden tai niiden käyttäjien yksityisen tiedon suojaamiseksi. Tässä väitöskirjassa tutkitaan pilvilaskennan sekä esineiden internetin tietoturvaa ja esitetään ohjelmistopohjaisia tietoturvalähestymistapoja turvautumalla osittain laitteistopohjaisiin teknologioihin. Esitetyt lähestymistavat tarjoavat vankkoja keinoja tietoturvallisuuden kohentamiseksi näissä konteksteissa. Tämän saavuttamiseksi työssä sovelletaan obfuskaatiota ja diversifiointia potentiaalisiana ohjelmistopohjaisina tietoturvatekniikkoina. Suoritettavan koodin obfuskointi suojaa pahantahtoiselta ohjelmiston takaisinmallinnukselta ja diversifiointi torjuu tietoturva-aukkojen laaja-alaisen hyödyntämisen riskiä. Väitöskirjatyössä tutkitaan luotettua laskentaa ja luotettavan laskennan suoritusalustoja laitteistopohjaisina tietoturvaratkaisuina. TPM (Trusted Platform Module) tarjoaa turvallisuutta ja luottamuksellisuutta rakentuen laitteistopohjaiseen luottamukseen. Pyrkimyksenä on taata suoritusalustan eheys. Työssä tutkitaan myös Intel SGX:ää yhtenä luotettavan suorituksen suoritusalustana, joka takaa suoritettavan koodin ja datan eheyden sekä luottamuksellisuuden pohjautuen suojatun säiliön, saarekkeen, tekniseen toteutukseen. Tarkemmin ilmaistuna työssä turvataan käyttöjärjestelmä- ja sovellusrajapintatasojen obfuskaation ja diversifioinnin kautta esineiden internet -laitteiden ohjelmistokerrosta. Soveltamalla samoja tekniikoita protokollakerrokseen, työssä suojataan laitteiden välistä tiedonvaihtoa verkkotasolla. Pilvilaskennan turvaamiseksi työssä sovelletaan obfuskaatio ja diversifiointitekniikoita asiakaspuolen ohjelmistoratkaisuihin. Vankemman tietoturvallisuuden saavuttamiseksi työssä hyödynnetään laitteistopohjaisia TPM- ja SGX-ratkaisuja. Tietoturvallisuuden lisäksi nämä ratkaisut tarjoavat monikerroksisen luottamuksen rakentuen laitteistotasolta ohjelmistokerrokseen asti. Tämän väitöskirjatutkimustyön tuloksena, osajulkaisuiden kautta, vastataan moniin esineiden internet -laitteisiin ja pilvilaskentaan kohdistuviin tietoturvauhkiin. Työssä esitetään myös näkemyksiä jatkotutkimusaiheista

Security for Service-Oriented On-Demand Grid Computing

Grid Computing ist mittlerweile zu einem etablierten Standard für das verteilte Höchstleistungsrechnen geworden. Während die erste Generation von Grid Middleware-Systemen noch mit proprietären Schnittstellen gearbeitet hat, wurde durch die Einführung von service-orientierten Standards wie WSDL und SOAP durch die Open Grid Services Architecture (OGSA) die Interoperabilität von Grids signifikant erhöht. Dies hat den Weg für mehrere nationale und internationale Grid-Projekten bereitet, in denen eine groß e Anzahl von akademischen und eine wachsende Anzahl von industriellen Anwendungen im Grid ausgeführt werden, die die bedarfsgesteuerte (on-demand) Provisionierung und Nutzung von Ressourcen erfordern. Bedarfsgesteuerte Grids zeichnen sich dadurch aus, dass sowohl die Software, als auch die Benutzer einer starken Fluktuation unterliegen. Weiterhin sind sowohl die Software, als auch die Daten, auf denen operiert wird, meist proprietär und haben einen hohen finanziellen Wert. Dies steht in starkem Kontrast zu den heutigen Grid-Anwendungen im akademischen Umfeld, die meist offen im Quellcode vorliegen bzw. frei verfügbar sind. Um den Ansprüchen einer bedarfsgesteuerten Grid-Nutzung gerecht zu werden, muss das Grid administrative Komponenten anbieten, mit denen Anwender autonom Software installieren können, selbst wenn diese Root-Rechte benötigen. Zur gleichen Zeit muss die Sicherheit des Grids erhöht werden, um Software, Daten und Meta-Daten der kommerziellen Anwender zu schützen. Dies würde es dem Grid auch erlauben als Basistechnologie für das gerade entstehende Gebiet des Cloud Computings zu dienen, wo ähnliche Anforderungen existieren. Wie es bei den meisten komplexen IT-Systemen der Fall ist, sind auch in traditionellen Grid Middlewares Schwachstellen zu finden, die durch die geforderten Erweiterungen der administrativen Möglichkeiten potentiell zu einem noch größ erem Problem werden. Die Schwachstellen in der Grid Middleware öffnen einen homogenen Angriffsvektor auf die ansonsten heterogenen und meist privaten Cluster-Umgebungen. Hinzu kommt, dass anders als bei den privaten Cluster-Umgebungen und kleinen akademischen Grid-Projekten die angestrebten groß en und offenen Grid-Landschaften die Administratoren mit gänzlich unbekannten Benutzern und Verhaltenstrukturen konfrontieren. Dies macht das Erkennen von böswilligem Verhalten um ein Vielfaches schwerer. Als Konsequenz werden Grid-Systeme ein immer attraktivere Ziele für Angreifer, da standardisierte Zugriffsmöglichkeiten Angriffe auf eine groß e Anzahl von Maschinen und Daten von potentiell hohem finanziellen Wert ermöglichen. Während die Rechenkapazität, die Bandbreite und der Speicherplatz an sich schon attraktive Ziele darstellen können, sind die im Grid enthaltene Software und die gespeicherten Daten viel kritischere Ressourcen. Modelldaten für die neuesten Crash-Test Simulationen, eine industrielle Fluid-Simulation, oder Rechnungsdaten von Kunden haben einen beträchtlichen Wert und müssen geschützt werden. Wenn ein Grid-Anbieter nicht für die Sicherheit von Software, Daten und Meta-Daten sorgen kann, wird die industrielle Verbreitung der offenen Grid-Technologie nicht stattfinden. Die Notwendigkeit von strikten Sicherheitsmechanismen muss mit der diametral entgegengesetzten Forderung nach einfacher und schneller Integration von neuer Software und neuen Kunden in Einklang gebracht werden. In dieser Arbeit werden neue Ansätze zur Verbesserung der Sicherheit und Nutzbarkeit von service-orientiertem bedarfsgesteuertem Grid Computing vorgestellt. Sie ermöglichen eine autonome und sichere Installation und Nutzung von komplexer, service-orientierter und traditioneller Software auf gemeinsam genutzen Ressourcen. Neue Sicherheitsmechanismen schützen Software, Daten und Meta-Daten der Anwender vor anderen Anwendern und vor externen Angreifern. Das System basiert auf Betriebssystemvirtualisierungstechnologien und bietet dynamische Erstellungs- und Installationsfunktionalitäten für virtuelle Images in einer sicheren Umgebung, in der automatisierte Mechanismen anwenderspezifische Firewall-Regeln setzen, um anwenderbezogene Netzwerkpartitionen zu erschaffen. Die Grid-Umgebung wird selbst in mehrere Bereiche unterteilt, damit die Kompromittierung von einzelnen Komponenten nicht so leicht zu einer Gefährdung des gesamten Systems führen kann. Die Grid-Headnode und der Image-Erzeugungsserver werden jeweils in einzelne Bereiche dieser demilitarisierten Zone positioniert. Um die sichere Anbindung von existierenden Geschäftsanwendungen zu ermöglichen, werden der BPEL-Standard (Business Process Execution Language) und eine Workflow-Ausführungseinheit um Grid-Sicherheitskonzepte erweitert. Die Erweiterung erlaubt eine nahtlose Integration von geschützten Grid Services mit existierenden Web Services. Die Workflow-Ausführungseinheit bietet die Erzeugung und die Erneuerung (im Falle von lange laufenden Anwendungen) von Proxy-Zertifikaten. Der Ansatz ermöglicht die sichere gemeinsame Ausführung von neuen, fein-granularen, service-orientierten Grid Anwendungen zusammen mit traditionellen Batch- und Job-Farming Anwendungen. Dies wird durch die Integration des vorgestellten Grid Sandboxing-Systems in existierende Cluster Scheduling Systeme erreicht. Eine innovative Server-Rotationsstrategie sorgt für weitere Sicherheit für den Grid Headnode Server, in dem transparent das virtuelle Server Image erneuert wird und damit auch unbekannte und unentdeckte Angriffe neutralisiert werden. Um die Angriffe, die nicht verhindert werden konnten, zu erkennen, wird ein neuartiges Intrusion Detection System vorgestellt, das auf Basis von Datenstrom-Datenbanksystemen funktioniert. Als letzte Neuerung dieser Arbeit wird eine Erweiterung des modellgetriebenen Softwareentwicklungsprozesses eingeführt, die eine automatisierte Generierung von sicheren Grid Services ermöglicht, um die komplexe und damit unsichere manuelle Erstellung von Grid Services zu ersetzen. Eine prototypische Implementierung der Konzepte wird auf Basis des Globus Toolkits 4, der Sun Grid Engine und der ActiveBPEL Engine vorgestellt. Die modellgetriebene Entwicklungsumgebung wurde in Eclipse für das Globus Toolkit 4 realisiert. Experimentelle Resultate und eine Evaluation der kritischen Komponenten des vorgestellten neuen Grids werden präsentiert. Die vorgestellten Sicherheitsmechanismem sollen die nächste Phase der Evolution des Grid Computing in einer sicheren Umgebung ermöglichen

ATTACKS AND COUNTERMEASURES FOR WEBVIEW ON MOBILE SYSTEMS

ABSTRACT All the mainstream mobile operating systems provide a web container, called ``WebView\u27\u27. This Web-based interface can be included as part of the mobile application to retrieve and display web contents from remote servers. WebView not only provides the same functionalities as web browser, more importantly, it enables rich interactions between mobile apps and webpages loaded inside WebView. Through its APIs, WebView enables the two-way interaction. However, the design of WebView changes the landscape of the Web, especially from the security perspective. This dissertation conducts a comprehensive and systematic study of WebView\u27s impact on web security, with a particular focus on identifying its fundamental causes. This dissertation discovers multiple attacks on WebView, and proposes new protection models to enhance the security of WebView. The design principles of these models are also described as well as the prototype implementation in Android platform. Evaluations are used to demonstrate the effectiveness and performance of these protection models

EavesDroid: Eavesdropping User Behaviors via OS Side-Channels on Smartphones

As the Internet of Things (IoT) continues to evolve, smartphones have become essential components of IoT systems. However, with the increasing amount of personal information stored on smartphones, user privacy is at risk of being compromised by malicious attackers. Although malware detection engines are commonly installed on smartphones against these attacks, attacks that can evade these defenses may still emerge. In this paper, we analyze the return values of system calls on Android smartphones and find two never-disclosed vulnerable return values that can leak fine-grained user behaviors. Based on this observation, we present EavesDroid, an application-embedded side-channel attack on Android smartphones that allows unprivileged attackers to accurately identify fine-grained user behaviors (e.g., viewing messages and playing videos) via on-screen operations. Our attack relies on the correlation between user behaviors and the return values associated with hardware and system resources. While this attack is challenging since these return values are susceptible to fluctuation and misalignment caused by many factors, we show that attackers can eavesdrop on fine-grained user behaviors using a CNN-GRU classification model that adopts min-max normalization and multiple return value fusion. Our experiments on different models and versions of Android smartphones demonstrate that EavesDroid can achieve 98% and 86% inference accuracy for 17 classes of user behaviors in the test set and real-world settings, highlighting the risk of our attack on user privacy. Finally, we recommend effective malware detection, carefully designed obfuscation methods, or restrictions on reading vulnerable return values to mitigate this attack.Comment: 15 pages, 25 figure

Malware Detection and Analysis Tools

The huge amounts of data and information that need to be analyzed for possible malicious intent are one ofthe big and significant challenges that the Web faces today. Malicious software, also referred to as malware developed by attackers, is polymorphic and metamorphic in nature which can modify the code as it spreads.In addition, the diversity and volume of their variants severely undermine the effectiveness of traditional defenses that typically use signature-based techniques and are unable to detect malicious executables previously unknown. Malware family variants share typical patterns of behavior that indicate their origin and purpose. The behavioral trends observed either statically or dynamically can be manipulated by usingmachine learning techniques to identify and classify unknown malware into their established families. Thissurvey paper gives an overview of the malware detection and analysis techniques and tools