Monitoring web applications for vulnerability discovery and removal under attack

Tese de mestrado, Engenharia Informática (Arquitetura, Sistemas e Redes de Computadores) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2018Web applications are ubiquitous in our everyday lives, as they are deployed in the most diverse contexts and support a variety of services. The correctness of these applications, however, can be compromised by vulnerabilities left in their source code, often incurring in nefarious consequences, such as the theft of private data and the adulteration of information. This dissertation proposes a solution for the automatic detection and removal of vulnerabilities in web applications programmed in the PHP language. By monitoring the user interactions with the web applications with traditional attack discovery tools, it is possible to identify malicious inputs that are eventually provided by attackers. These in- puts are then explored by a directed static analysis approach, allowing for the discovery of potential security issues and the correction of bugs in the program. The solution was implemented and validated with a set of vulnerable web applications. The experimental results demonstrate that the tool is capable of detecting and correcting SQL Injection and XSS vulnerabilities. In total 174 vulnerabilities were found in 5 web applications, where 2 of these were previously unknown by the research community(i.e., they were ”zero-day” vulnerabilities)

Invalidating web applications attacks by employing the right secure code

Tese de mestrado, Informática, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2019Desde o seu aparecimento, as aplicações web têm vindo a tornar-se cada vez mais populares e tornaram-se numa parte essencial das nossas vidas. Usamo-las todos os dias para fazer diversas tarefas tais como fazer compras, consultar o saldo da nossa conta bancária e entrar em contacto com os nossos familiares e amigos. Atualmente, as aplicações web são a forma mais utilizada para aceder aos serviços e recursos das organizações. No entanto, são conhecidas por conter vulnerabilidades no seu código-fonte. Estas vulnerabilidades, quando exploradas, podem causar danos severos às organizações como, por exemplo, o roubo de milhões de credenciais dos utilizadores e o acesso a informação confidencial, o que as torna num alvo apetecível para utilizadores mal intencionados. Por esta razão, é essencial que o acesso a serviços críticos tais como serviços de saúde e financeiros, seja feito através de aplicações web seguras. A utilização de código seguro nas aplicações é de uma importância extrema para obter aplicações seguras e garantir a segurança dos seus utilizadores. As vulnerabilidades são deixadas inadvertidamente no código-fonte por programadores porque estes não têm o conhecimento necessário para escrever código seguro ou porque os testes de software não dedicam tempo suficiente à segurança. Por outro lado, os programadores que utilizam nas suas aplicações funções seguras da linguagem de programação acreditam que as suas aplicações estão protegidas. No entanto, algumas destas funções não invalidam todos os ataques e deixam as aplicações vulneráveis. Este trabalho é focado na linguagem PHP porque esta é atualmente a linguagem de programação mais utilizada para o desenvolvimento de aplicações web. A linguagem PHP permite aos programadores realizarem ações que não seriam possíveis noutras linguagens, o que torna mais fácil aos programadores cometer erros. A linguagem PHP contém um grande número de funções seguras que podem ser utilizadas para remover vulnerabilidades dos diversos tipos. No entanto, uma grande maioria destas funções não é segura em todos os contextos ou é específica para um tipo de vulnerabilidade, o que cria a possibilidade de serem utilizadas incorretamente. Este problema torna mais fácil o aparecimento de vulnerabilidades se for tido em consideração o facto de uma grande parte dos cursos de programação existentes atualmente não dar ênfase suficiente à segurança. Por último, um outro fator que contribui para o aparecimento de vulnerabilidades é a complexidade das aplicações web atuais. Tal complexidade deve-se ao facto de as tecnologias disponíveis na web terem sofrido uma evolução significativa nos últimos anos, o que leva ao aumento da quantidade de linguagens de programação e funcionalidades que os programadores têm de conhecer. Atualmente, existe um grande número de ferramentas de análise estática destinadas a analisar código-fonte PHP e encontrar potenciais vulnerabilidades. Algumas destas ferramentas são baseadas em taint analysis e outras baseadas em análise dinâmica, execução simbólica, entre outras técnicas. Um problema conhecido destas ferramentas é o facto de, por vezes, reportarem vulnerabilidades que não são reais (falsos positivos), o que pode levar o programador a perder tempo à procura de problemas que não existem. Este tipo de ferramentas dá aos programadores relatórios em formatos variados e a esmagadora maioria delas deixa para o programador a tarefa de verificar se as vulnerabilidades reportadas são reais e removê-las caso o sejam. No entanto, muitas delas não dão informação sobre como remover as vulnerabilidades. Dado que muitos programadores estão mal informado acerca da escrita de código seguro, este processo nem sempre elimina as vulnerabilidades por completo. Apenas um pequeno número de ferramentas de análise estática realiza a correção automática do código-fonte das aplicações e as que o fazem muitas vezes têm limitações. Destas limitações, destaca-se o facto de inserirem código sintaticamente inválido que impede o funcionamento correto das aplicações, o que permite a introdução de melhorias nesta área. De entre os vários tipos de vulnerabilidades que podem ocorrer em aplicações web, os dois mais conhecidos são a injeção de SQL e o Cross-Site Scripting, que serão estudados em detalhe nesta dissertação. Esta dissertação tem dois objetivos principais: em primeiro lugar, estudar estes dois tipos de vulnerabilidades em aplicações web PHP, os diferentes ataques que as exploram e as diferentes formas de escrever código seguro para invalidar esses ataques através da utilização correta de funções seguras; em segundo lugar, desenvolver uma ferramenta capaz de inserir pequenas correções no código-fonte de uma aplicação web PHP de modo a remover vulnerabilidades sem alterar o comportamento original da mesma. As principais contribuições desta dissertação são as seguintes: um estudo dos diferentes tipos de ataques de injeção de SQL e Cross-Site Scripting contra aplicações web escritas em PHP; um estudo dos diferentes métodos de proteger aplicações web escritas em PHP e as situações em que os mesmos devem ser usados; o desenvolvimento de uma ferramenta capaz de remover vulnerabilidades de aplicações web escritas em PHP sem prejudicar o seu comportamento original; uma avaliação experimental da ferramenta desenvolvida com código PHP artificial gerado automaticamente e código PHP real. A solução proposta consiste no desenvolvimento de uma ferramenta de análise estática baseada em taint analysis que seja capaz de analisar programas PHP simplificados e, caso estejam vulneráveis, inserir linhas de código com correções simples que removam tais vulnerabilidades. Tudo isto sem alterar o comportamento original dos programas. A ferramenta desenvolvida limita-se exclusivamente à inserção de novas linhas de código, sem modificar as já existentes, para minimizar a probabilidade de tornar um programa sintaticamente inválido. Isto permite remover vulnerabilidades de aplicações web e, ao mesmo tempo, ensinar aos programadores como escrever código seguro. Os programas PHP simplificados que a ferramenta analisa consistem em ficheiros PHP contendo um único caminho do fluxo de controlo do programa original a que correspondem. Este programa simplificado não pode conter estruturas de decisão nem ciclos. A decisão de analisar programas simplificados foi tomada para permitir manter o foco desta dissertação na inserção de correções seguras, algo que atualmente apenas é feito por um pequeno número de ferramentas. Para avaliar a ferramenta desenvolvida, utilizámos cerca de 1700 casos de teste contendo código PHP artificial gerado automaticamente com vulnerabilidades de Cross-Site Scripting e seis aplicações web reais, escritas em PHP, contendo o mesmo tipo de vulnerabilidade. Foram também utilizados 100 casos de teste contendo código PHP artificial com vulnerabilidades de injeção de SQL. A ferramenta conseguiu analisar todos os ficheiros PHP. Relativamente à capacidade de a ferramenta inserir correções no código-fonte das aplicações, obtivemos resultados encorajadores: todos os ficheiros que foram corrigidos continham código PHP sintaticamente válido e apenas um ficheiro viu o seu comportamento original alterado. O ficheiro cujo comportamento foi alterado apresenta uma estrutura mais complexa do que a esperada para um programa simplificado, o que influenciou a execuc¸ ˜ao da nossa ferramenta neste caso. Relativamente à capacidade de a ferramenta detetar vulnerabilidades, verificámos que a mesma reportou algumas vulnerabilidades que não são reais. Tal situação aconteceu em parte devido ao uso de expressões regulares nas aplicações web, algo que causa muitas dificuldades a ferramentas de análise estática. Verificámos também que muitos dos falsos negativos (vulnerabilidades reais que não foram reportadas) se deveram ao contexto em que determinadas funções seguras são utilizadas, algo que, mais uma vez, causa muitas dificuldades a ferramentas deste tipo. As situações referidas aconteceram principalmente no código artificial, que não deve ser visto como representativo de aplicações web reais. Assim, podemos afirmar que a nossa ferramenta lida eficazmente com código PHP real, o que abre a porta à possibilidade de a mesma ser utilizada para corrigir vulnerabilidades em aplicações disponíveis ao público. Após esta avaliação experimental, concluímos que a solução desenvolvida cumpriu os objetivos principais para os quais foi concebida, ao ser capaz de remover vulnerabilidades sem prejudicar o comportamento original dos programas. A solução desenvolvida constitui uma melhoria nas capacidades das ferramentas de análise estática existentes atualmente, em especial das que realizam correção automática de código. O estudo realizado acerca destes dois tipos de vulnerabilidades permitiu também obter uma fonte de informação correta e confiável acerca das formas de escrever código seguro para prevenir os dois tipos de vulnerabilidades estudados em aplicações web escritas em PHP.Currently, web applications are the most common way to access companies’ services and resources. However, since their appearance, they are known to contain vulnerabilities in their source code. These vulnerabilities, when exploited, can cause serious damage to organizations, such as the theft of millions of user credentials and access to confidential data. For this reason, accessing critical services, such as health care and financial services, with safe web applications is crucial to its well-functioning. Often, vulnerabilities are left in the source code unintentionally by programmers because they do not have the necessary knowledge about how to write secure code. On the other hand, programmers that use secure functions from the programming language in their applications, employing thus secure code, believe that their applications are protected. However, some of those functions do not invalidate all attacks, leaving applications vulnerable. This dissertation has two main objectives: to study the diverse types of web application vulnerabilities, namely different attacks that exploit them, and different forms to build secure code for invalidating such attacks, and to develop a tool capable of protecting PHP web applications by inserting small corrections in their source code. The proposed solution was evaluated with both artificial and real code and the results showed that it can insert safe corrections while maintaining the original behavior of the web applications in the vast majority of the cases, which is very encouraging

The Construction of a Static Source Code Scanner Focused on SQL Injection Vulnerabilties in Java

SQL injection attacks are a significant threat to web application security, allowing attackers to execute arbitrary SQL commands and gain unauthorized access to sensitive data. Static source code analysis is a widely used technique to identify security vulnerabilities in software, including SQL injection attacks. However, existing static source code scanners often produce false positives and require a high level of expertise to use effectively. This thesis presents the design and implementation of a static source code scanner for SQL injection vulnerabilities in Java queries. The scanner uses a combination of pattern matching and data flow analysis to detect SQL injection vulnerabilities in code. The scanner identifies vulnerable code by analyzing method calls, expressions, and variable declarations to detect potential vulnerabilities. To evaluate the scanner, malicious SQL code is manually injected in queries to test the scanner\u27s ability to detect vulnerabilities. The results showed that the scanner could identify a high percentage of SQL injection vulnerabilities. The limitations of the scanner include the inability to detect runtime user input validation and the reliance on predefined patterns and heuristics to identify vulnerabilities. Despite these limitations, the scanner provides a useful tool for junior developers to identify and address SQL injection vulnerabilities in their code. This thesis presents a static source code scanner that can effectively detect SQL injection vulnerabilities in Java web applications. The scanner\u27s design and implementation provide a useful contribution to the field of software security, and future work could focus on improving the scanner\u27s precision and addressing its limitations

Systematically enhancing black-box web vulnerability scanners

Master'sMASTER OF SCIENC

Detection of vulnerabilities and automatic protection for web applications

Tese de doutoramento, Informática (Ciências da Computação), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2016In less than three decades of existence, the Web evolved from a platform for accessing hypermedia to a framework for running complex web applications. These applications appear in many forms, from small home-made to large-scale commercial services such as Gmail, Office 365, and Facebook. Although a significant research effort on web application security has been on going for a while, these applications have been a major source of problems and their security continues to be challenged. An important part of the problem derives from vulnerable source code, often written in unsafe languages like PHP, and programmed by people without the appropriate knowledge about secure coding, who leave flaws in the applications. Nowadays the most exploited vulnerability category is the input validation, which is directly related with the user inputs inserted in web application forms. The thesis proposes methodologies and tools for the detection of input validation vulnerabilities in source code and for the protection of web applications written in PHP, using source code static analysis, machine learning and runtime protection techniques. An approach based on source code static analysis is used to identify vulnerabilities in applications programmed with PHP. The user inputs are tracked with taint analysis to determine if they reach a PHP function susceptible to be exploited. Then, machine learning is applied to determine if the identified flaws are actually vulnerabilities. In the affirmative case, the results of static analysis are used to remove the flaws, correcting the source code automatically thus protecting the web application. A new technique for source code static analysis is suggested to automatically learn about vulnerabilities and then to detect them. Machine learning applied to natural language processing is used to, in a first instance, learn characteristics about flaws in the source code, classifying it as being vulnerable or not, and then discovering and identifying the vulnerabilities. A runtime protection technique is also proposed to flag and block injection attacks against databases. The technique is implemented inside the database management system to improve the effectiveness of the detection of attacks, avoiding a semantic mismatch. Source code identifiers are employed so that, when an attack is flagged, the vulnerability is localized in the source code. Overall this work allowed the identification of about 1200 vulnerabilities in open source web applications available in the Internet, 560 of which previously unknown. The unknown vulnerabilities were reported to the corresponding software developers and most of them have already been removed.Em duas décadas de existência, a web evoluiu de uma plataforma para aceder a conteúdos hipermédia para uma infraestrutura para execução de aplicações complexas. Estas aplicações têm várias formas, desde aplicações pequenas e caseiras, a aplicações complexas e de grande escala e para diversos propósitos, como por exemplo serviços comerciais como o Gmail, Office 365 e Facebook. Apesar do grande esforço de investigação da última década em como tornar as aplicações web seguras, estas continuam a ser uma fonte de problemas e a sua segurança um desafio. Uma parte importante deste problema deriva de código fonte vulnerável, muitas vezes desenvolvido com linguagens de programação com poucas validações e construído por pessoas sem os conhecimentos mais adequados para uma programação segura. Atualmente a categoria de vulnerabilidades mais explorada é a de validação de input, diretamente relacionada com os dados (inputs) que os utilizadores inserem nas aplicações web. A tese propõe metodologias para a detecção e remoção de vulnerabilidades no código fonte e para a proteção das aplicações web em tempo de execução, empregando técnicas como a análise estática de código, aprendizagem máquina e protecção em tempo de execução. Numa primeira fase, a análise estática é utilizada para descobrir e identificar vulnerabilidades no código programado na linguagem PHP. Os inputs dos utilizadores são rastreados e é verificado se estes são parâmetros de funções PHP susceptíveis de serem exploradas. A combinação desta técnica com a aprendizagem máquina aplicada em minerização de dados é proposta para prever se as vulnerabilidades detectadas são falsos positivos ou reais. Caso sejam reais, o resultado da análise estática de código é utilizado para eliminá-las, corrigindo o código fonte automaticamente com fixes (remendos) e protegendo assim as aplicações web. A tese apresenta também uma nova técnica de análise estática de código para descobrir vulnerabilidades. A técnica aprende o que é código vulnerável e depois tira partido desse conhecimento para localizar problemas. A aprendizagem máquina aplicada ao processamento de linguagem natural é utilizada para, numa primeira instância, aprender aspectos que caracterizam as vulnerabilidades, para depois processar e analisar o código fonte, classificando-o como sendo ou não vulnerável, descobrindo e identificando os erros. Numa terceira fase, é proposta uma nova técnica de proteção em tempo de execução para descobrir e bloquear ataques de injeção contra bases de dados. A técnica é concretizada dentro do sistema de gestão de bases de dados para melhorar a eficácia na detecção dos ataques. É utilizada conjuntamente com identificadores de código fonte que, quando um ataque é sinalizado, permitem identificar a vulnerabilidade no programa. No total este trabalho permitiu a identificação de cerca de 1200 vulnerabilidades em aplicações web de código aberto disponíveis na Internet, das quais 560 eram até então desconhecidas. As vulnerabilidades desconhecidas foram reportadas aos autores do software onde foram encontradas e muitas delas já foram removidas

Web application penetration testing: an analysis of a corporate application according to OWASP guidelines

During the past decade, web applications have become the most prevalent way for service delivery over the Internet. As they get deeply embedded in business activities and required to support sophisticated functionalities, the design and implementation are becoming more and more complicated. The increasing popularity and complexity make web applications a primary target for hackers on the Internet. According to Internet Live Stats up to February 2019, there is an enormous amount of websites being attacked every day, causing both direct and significant impact on huge amount of people. Even with support from security specialist, they continue having troubles due to the complexity of penetration procedures and the vast amount of testing case in both penetration testing and code reviewing. As a result, the number of hacked websites per day is increasing. The goal of this thesis is to summarize the most common and critical vulnerabilities that can be found in a web application, provide a detailed description of them, how they could be exploited and how a cybersecurity tester can find them through the process of penetration testing. To better understand the concepts exposed, there will be also a description of a case of study: a penetration test performed over a company's web application