Declarative Specification of Intraprocedural Control-flow and Dataflow Analysis

Static program analysis plays a crucial role in ensuring the quality and security of software applications by detecting and fixing bugs, and potential security vulnerabilities in the code. The use of declarative paradigms in dataflow analysis as part of static program analysis has become increasingly popular in recent years. This is due to its enhanced expressivity and modularity, allowing for a higher-level programming approach, resulting in easy and efficient development.The aim of this thesis is to explore the design and implementation of control-flow and dataflow analyses using the declarative Reference Attribute Grammars formalism. Specifically, we focus on the construction of analyses directly on the source code rather than on an intermediate representation.The main result of this thesis is our language-agnostic framework, called IntraCFG. IntraCFG enables efficient and effective dataflow analysis by allowing the construction of precise and source-level control-flow graphs. The framework superimposes control-flow graphs on top of the abstract syntax tree of the program. The effectiveness of IntraCFG is demonstrated through two case studies, IntraJ and IntraTeal. These case studies showcase the potential and flexibility of IntraCFG in diverse contexts, such as bug detection and education. IntraJ supports the Java programming language, while IntraTeal is a tool designed for teaching program analysis for an educational language, Teal.IntraJ has proven to be faster than and as precise as well-known industrial tools. The combination of precision, performance, and on-demand evaluation in IntraJ leads to low latency in querying the analysis results. This makes IntraJ a suitable tool for use in interactive tools. Preliminary experiments have also been conducted to demonstrate how IntraJ can be used to support interactive bug detection and fixing.Additionally, this thesis presents JFeature, a tool for automatically extracting and summarising the features of a Java corpus, including the use of different Java features (e.g., use of Lambda Expressions) across different Java versions. JFeature provides researchers and developers with a deeper understanding of the characteristics of corpora, enabling them to identify suitable benchmarks for the evaluation of their tools and methodologies

Incremental Analysis of Programs

Algorithms used to determine the control and data flow properties of computer programs are generally designed for one-time analysis of an entire new input. Application of such algorithms when the input is only slightly modified results in an inefficient system. In this theses a set of incremental update algorithms are presented for data flow analysis. These algorithms update the solution from a previous analysis to reflect changes in the program. Thus, extensive reanalysis to reflect changes in the program. Thus, extensive reanalysis of programs after each program modification can be avoided. The incremental update algorithms presented for global flow analysis are based on Hecht/Ullman iterative algorithms. Banning\u27s interprocedural data flow analysis algorithms form the basis for the incremental interprocedural algorithms

From Formal Semantics to Verified Slicing : A Modular Framework with Applications in Language Based Security

This book presents a modular framework for slicing in the proof assistant Isabelle/HOL which is based on abstract control flow graphs. Building on such abstract structures renders the correctness results language-independent. To prove that they hold for a specific language, it remains to instantiate the framework with this language, which requires a formal semantics of this language in Isabelle/HOL. We show that formal semantics even for sophisticated high-level languages are realizable

Generating program analyzers

In this work the automatic generation of program analyzers from concise specifications is presented. It focuses on provably correct and complex interprocedural analyses for real world sized imperative programs. Thus, a powerful and flexible specification mechanism is required, enabling both correctness proofs and efficient implementations. The generation process relies on the theory of data flow analysis and on abstract interpretation. The theory of data flow analysis provides methods to efficiently implement analyses. Abstract interpretation provides the relation to the semantics of the programming language. This allows the systematic derivation of efficient provably correct, and terminating analyses. The approach has been implemented in the program analyzer generator PAG. It addresses analyses ranging from "simple\u27; intraprocedural bit vector frameworks to complex interprocedural alias analyses. A high level specialized functional language is used as specification mechanism enabling elegant and concise specifications even for complex analyses. Additionally, it allows the automatic selection of efficient implementations for the underlying abstract datatypes, such as balanced binary trees, binary decision diagrams, bit vectors, and arrays. For the interprocedural analysis the functional approach, the call string approach, and a novel approach especially targeting on the precise analysis of loops can be chosen. In this work the implementation of PAG as well as a large number of applications of PAG are presented.Diese Arbeit befaßt sich mit der automatischen Generierung von Programmanalysatoren aus prägnanten Spezifikationen. Dabei wird besonderer Wert auf die Generierung von beweisbar korrekten und komplexen interprozeduralen Analysen für imperative Programme realer Größe gelegt. Um dies zu erreichen, ist ein leistungsfähiger und flexibler Spezifikationsmechanismus erforderlich, der sowohl Korrektheitsbeweise, als auch effiziente Implementierungen ermöglicht. Die Generierung basiert auf den Theorien der Datenflußanalyse und der abstrakten Interpretation. Die Datenflußanalyse liefert Methoden zur effizienten Implementierung von Analysen. Die abstrakte Interpretation stellt den Bezug zur Semantik der Programmiersprache her und ermöglicht dadurch die systematische Ableitung beweisbar korrekter und terminierender Analysen. Dieser Ansatz wurde im Programmanalysatorgenerator PAG implementiert, der sowohl für einfache intraprozedurale Bitvektor- Analysen, als auch für komplexe interprozedurale Alias-Analysen geeignet ist. Als Spezifikationsmechanismus wird dabei eine spezialisierte funktionale Sprache verwendet, die es ermöglicht, auch komplexe Analysen kurz und prägnant zu spezifizieren. Darüberhinaus ist es möglich, für die zugrunde liegenden abstrakten Bereiche automatisch effiziente Implementierungen auszuwählen, z.B. balancierte binäre Bäume, Binary Decision Diagrams, Bitvektoren oder Felder. Für die interprozedurale Analyse stehen folgende Möglichkeiten zur Auswahl: der funktionale Ansatz, der Call-String-Ansatz und ein neuer Ansatz, der besonders auf die präzise Analyse von Schleifen abzielt. Diese Arbeit beschreibt sowohl die Implementierung von PAG, als auch eine große Anzahl von Anwendungen

Using theorem provers to increase the precision of dependence analysis for information flow control

Information flow control (IFC) is a category of techniques for enforcing information flow properties. In this paper we present the Combined Approach, a novel IFC technique that combines a scalable system-dependence-graph-based (SDG-based) approach with a precise logic-based approach based on a theorem prover. The Combined Approach has an increased precision compared with the SDG-based approach on its own, without sacrificing its scalability. For every potential illegal information flow reported by the SDG-based approach, the Combined Approach automatically generates proof obligations that, if valid, prove that there is no program path for which the reported information flow can happen. These proof obligations are then relayed to the logic-based approach. We also show how the SDG-based approach can provide additional information to the theorem prover that helps decrease the verification effort. Moreover, we present a prototypical implementation of the Combined Approach that uses the tools JOANA and KeY as the SDG-based and logic-based approach respectively

Security slicing for auditing XML, XPath, and SQL injection vulnerabilities

XML, XPath, and SQL injection vulnerabilities are among the most common and serious security issues for Web applications and Web services. Thus, it is important for security auditors to ensure that the implemented code is, to the extent pos- sible, free from these vulnerabilities before deployment. Although existing taint analysis approaches could automatically detect potential vulnerabilities in source code, they tend to generate many false warnings. Furthermore, the produced traces, i.e. data- flow paths from input sources to security-sensitive operations, tend to be incomplete or to contain a great deal of irrelevant infor- mation. Therefore, it is difficult to identify real vulnerabilities and determine their causes. One suitable approach to support security auditing is to compute a program slice for each security-sensitive operation, since it would contain all the information required for performing security audits (Soundness). A limitation, however, is that such slices may also contain information that is irrelevant to security (Precision), thus raising scalability issues for security audits. In this paper, we propose an approach to assist security auditors by defining and experimenting with pruning techniques to reduce original program slices to what we refer to as security slices, which contain sound and precise information. To evaluate the proposed pruning mechanism by using a number of open source benchmarks, we compared our security slices with the slices generated by a state-of-the-art program slicing tool. On average, our security slices are 80% smaller than the original slices, thus suggesting significant reduction in auditing costs

A survey of program slicing for software engineering

This research concerns program slicing which is used as a tool for program maintainence of software systems. Program slicing decreases the level of effort required to understand and maintain complex software systems. It was first designed as a debugging aid, but it has since been generalized into various tools and extended to include program comprehension, module cohesion estimation, requirements verification, dead code elimination, and maintainence of several software systems, including reverse engineering, parallelization, portability, and reuse component generation. This paper seeks to address and define terminology, theoretical concepts, program representation, different program graphs, developments in static slicing, dynamic slicing, and semantics and mathematical models. Applications for conventional slicing are presented, along with a prognosis of future work in this field

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