改進(jìn)的基于zigbee協(xié)議MAC層邊界檢測(cè)算法的研究

1、改進(jìn)的基于zigbee協(xié)議mac層邊界檢測(cè)算 法的研究摘要：zigbee拚議山于其低功耗、低成木、高安全等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活環(huán)境中，但 針對(duì)該協(xié)議的安全研究還比較少。本文深入研究了 zigbee協(xié)議mac層安全機(jī)制，在邊界值 測(cè)試算法基礎(chǔ)上進(jìn)行了算法改進(jìn)，使用改進(jìn)的檢測(cè)算法不僅能夠提窩測(cè)試用例町用比例，還 可以提高測(cè)試川例的路徑覆蓋度，使川該測(cè)試算法既能夠人幅度提高fuzzing測(cè)試效率，又 能進(jìn)行較為全面的fuzzing檢測(cè)。木文以該改進(jìn)算法為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)研發(fā)了 fuzzing測(cè)試工具， 并對(duì)zigbcc網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行動(dòng)態(tài)安全檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)證明該算法的檢測(cè)效率和測(cè)試路徑覆蓋度冇很大 提高。關(guān)鍵詞:

2、zigbcc： fuzzing測(cè)試；邊界值分析 中圖分類號(hào):tp393.0an improved algorithm locating mac layer to detectzigbee vulnerabilityli jing, cui baojiang(school of computer, beijing university of posts and telecommunications, beijing 100876) abstract: due to the quality of low power consumption, low cost and high security,

3、zigbee protocol is widely used in production and living environment, but research on its safety is still blank. in this paper, the security of the mechanism on the layer of mac is deeply investigated based on the bva fuzzing test, a kind of improved detection algorithm is put forward. according to t

4、he testing results, we can conclude that this algorithm would largely increase the efficiency of fuzzing test. in order to lest the risks of zigbee network on the mac layer, a fuzzing test tool is designed and developed which uses the improved fuzzing algorithm and in the experiment, this algorithm

5、is proved more efficiency.keywords: zigbee protocol; fuzzing test; bva0引言及協(xié)議現(xiàn)狀zigbee協(xié)議是美國(guó)電器和電子工程師協(xié)會(huì)(ieee)于2003年5月制定的基于ieee 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的個(gè)人網(wǎng)絡(luò)的短程無(wú)線通信協(xié)議。它因?yàn)槠涞凸摹⒌统赡?、短延時(shí)，髙容 ffi,高安全等優(yōu)點(diǎn)己經(jīng)成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的最熱門技術(shù)。隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的普及，基于 zigbee技術(shù)的產(chǎn)品將越來(lái)越多的進(jìn)入聲通家庭，其安全性也成為越來(lái)越多的人關(guān)注的目標(biāo)。雖然zigbee協(xié)議在數(shù)據(jù)保密性、數(shù)據(jù)朿放檢測(cè)及訪問(wèn)控制等方面都做了規(guī)定，但因其 存儲(chǔ)能力、計(jì)算

6、能力及供電能力有限，它在安全方面，仍會(huì)讓攻擊者有機(jī)可乘。最近，ft 治亞州立大學(xué)的研究人員利用zigbee協(xié)議主協(xié)調(diào):器不會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的gts請(qǐng)求進(jìn)行id認(rèn) 證的缺陷，通過(guò)節(jié)點(diǎn)偽造技術(shù)，成功進(jìn)行了 dos攻擊。除此z外，針對(duì)zigbee協(xié)議安全 性的研究目前仍然較少。忖前國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)研究協(xié)議及軟件安全性時(shí)人多采川fuzzing技術(shù)，并得到了很好的結(jié)果 151,形成了不少成熟的測(cè)試模型。木文采用fuzzing技術(shù)主要對(duì)zigbee協(xié)議的mac層進(jìn) 行安全性檢測(cè)。傳統(tǒng)的純fuzzing測(cè)試會(huì)生成海量的測(cè)試用例i7i,有效測(cè)試用例比例很低，效率低下?；谶吔缰捣治龅臏y(cè)試方法能夠有效的減少測(cè)試用例的數(shù)量

7、，提高測(cè)試效果，本 文在文獻(xiàn)岡的基礎(chǔ)上對(duì)該測(cè)試方法進(jìn)行了改進(jìn)，并對(duì)算法進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)證明，使用該改 進(jìn)的算法進(jìn)行fuzzing測(cè)試時(shí)，測(cè)試用例対于測(cè)試路徑具有較高的覆蓋度，能夠比較全血的 対zigbee協(xié)議mac層進(jìn)行檢測(cè)。1協(xié)議描述maow：尾部zigbee協(xié)議mac層主要丁作包括：正確收發(fā)物理層數(shù)據(jù);維護(hù)一個(gè)存儲(chǔ)mac層協(xié)議狀 態(tài)信息的數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)zigbee協(xié)漢觀定，mac層數(shù)據(jù)幀由幀控制域、序列號(hào)域、地址域、 有效載荷、及fcs校驗(yàn)組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。21w20wr32w2/r0/h22械腔制域序列號(hào)目的pan目的地 址掠pan源地址加密佰總數(shù)據(jù)我荷fcsmac幀頭部人字節(jié)mac

8、層林陶杯i（w34567-910-11124314-15安仝口的*址比徐幀控制娩圖1 mac層數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)由圖1可知，數(shù)據(jù)的發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)的地址信息填充在mac層數(shù)據(jù)幀包頭，物理 層會(huì)接收網(wǎng)絡(luò)屮所有數(shù)據(jù)，并提交至mac層進(jìn)行解析。因此，zigbcc協(xié)議mac層定義一 系列過(guò)濾規(guī)則，從大量數(shù)據(jù)幀屮提取屬于木節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包。首先，mac層處理模塊計(jì)算數(shù) 據(jù)幀頭及載荷的fcs值，與幀尾部fcs進(jìn)行比較進(jìn)行。計(jì)算所得fcs值若與數(shù)據(jù)幀攜帶的 fcs值不同，數(shù)據(jù)幀會(huì)被丟棄。該規(guī)則保證數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程屮沒(méi)冇遭到破壞。如果節(jié)點(diǎn)不處 于混雜模式，mac層會(huì)對(duì)控制域中幀類型的合法性、h的地址模式及源地址模式與目的

9、地 址、源地址信息是否匹配、幀的目的pan id是否為節(jié)點(diǎn)所處網(wǎng)絡(luò)、口的地址是否為當(dāng)前設(shè) 備等進(jìn)行查看。只有通過(guò)全部過(guò)濾規(guī)則的數(shù)據(jù)幀所攜帶的冇效載荷才會(huì)將數(shù)據(jù)提交至上層協(xié) 議，否則被丟棄冋。2算法分析假設(shè)需耍隨機(jī)化的序列長(zhǎng)度為m （單位：字節(jié)，不包含fcs）,以ni衣示生成的隨機(jī) 化測(cè)試用例的數(shù)量。使用傳統(tǒng)fuzzing對(duì)隨機(jī)序列的每種情況進(jìn)行遍歷，生成的測(cè)試用例數(shù)量為：no = 2s.no通過(guò)對(duì)mac層數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，我們對(duì)測(cè)試川例的輸入域進(jìn)行等價(jià)類劃分g,根 據(jù)其不同字段的含義，測(cè)試用例可分為2947個(gè)不同的等價(jià)類，這些不同的等價(jià)類覆蓋了 zigbee協(xié)議mac層輸入的所有情況。2.1

10、邊界條件測(cè)試邊界條件測(cè)試是一種黑盒測(cè)試方法g,在長(zhǎng)期的測(cè)試經(jīng)驗(yàn)中得知，大量的漏洞出現(xiàn)在 輸入或者輸出的邊界上，由丁對(duì)邊界條件沒(méi)冇做完全的過(guò)濾和檢測(cè)，造成了系統(tǒng)漏洞。進(jìn)行 邊界條件測(cè)試時(shí)，根據(jù)協(xié)議內(nèi)容，將需要隨機(jī)化的序列分為若干個(gè)子域，每個(gè)子域至少為一 個(gè)字節(jié)。對(duì)于每一個(gè)子域確定輸入的值的范圍，測(cè)試數(shù)據(jù)取剛達(dá)到這個(gè)范圍的邊界值，以及 剛剛超過(guò)這個(gè)范圍邊界的值。依據(jù)邊界條件測(cè)試的思想，在隨機(jī)化測(cè)試用例的值時(shí)，對(duì)于每個(gè)子域按照如下五種方式賦值，生成的測(cè)試用例數(shù)量為：nl = 5mo表1邊界測(cè)試賦值示例typevalue1min2max3min-14max+15mid radom山于在進(jìn)行邊界測(cè)試時(shí)，

11、對(duì)于隨機(jī)化的子域劃分粒度過(guò)于粗略，在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中測(cè)試 用例的實(shí)際覆蓋范禺實(shí)際上并不窩，對(duì)于mac層進(jìn)行精確規(guī)定的部分，等價(jià)類的劃分并不 全血，經(jīng)過(guò)分析得到，約為：9%2.2 比較表2各個(gè)測(cè)試原理比較算法覆蓋范圍隨機(jī)化包數(shù)量?jī)?yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)傳統(tǒng) fuzzing100%no = 28mh動(dòng)化程度高， 容易實(shí)現(xiàn)效率很低邊界測(cè)試9%ni = 5，n對(duì)于邊界條件上 的漏洞有很好的檢測(cè) 效果，生成的測(cè)試用 例較少，測(cè)試效率比 較高對(duì)于其他類型的協(xié) 議漏洞（如：設(shè)計(jì)上的 缺陷等）不能夠有效地 進(jìn)行檢測(cè)。待測(cè)域劃分 粗略，測(cè)試效率有待提 咼。2.3改進(jìn)算法描述結(jié)合以上測(cè)試思想的測(cè)試方法所產(chǎn)生的隨機(jī)化數(shù)據(jù)包數(shù)量以及測(cè)

12、試用例覆蓋度，我們希 望在測(cè)試川例對(duì)丁測(cè)試路徑的覆蓋度上有較人提高?；谶@一 11的，我們結(jié)合了邊界值分析法的主要思想，具體分析了 mac層協(xié)議的各個(gè) 字段具體含義，將待測(cè)的數(shù)據(jù)包根據(jù)每個(gè)字段的具體含義進(jìn)-步細(xì)化，提出了針対zigbee 協(xié)議mac層安全的改進(jìn)的邊界檢測(cè)算法。經(jīng)過(guò)該改進(jìn)算法對(duì)mac層幀結(jié)構(gòu)細(xì)化后，劃分 的最小子域?yàn)?比特（幀類型部分），莫他部分子域?yàn)?-8字節(jié)不等，根據(jù)mac層的基本 過(guò)濾規(guī)則排除能夠被確定拋棄的隨機(jī)化數(shù)據(jù)包。然后對(duì)各個(gè)子域，以及沒(méi)有明確規(guī)定處理方 案的字段如地址模式、命令幀字段及其他預(yù)留字段進(jìn)行邊界測(cè)試，并且保證使用的測(cè)試用例 能夠覆蓋對(duì)其劃分的所有有效等價(jià)域

13、和無(wú)效等價(jià)域。尤其是對(duì)于其中的地址域部分，由于完 全隨機(jī)化的終端地址大部分都町以劃分為無(wú)效等價(jià)類，在此選取冇代表性的地址進(jìn)行隨機(jī)選 取。使用此方法進(jìn)行隨機(jī)化測(cè)試時(shí)，產(chǎn)生的隨機(jī)化數(shù)據(jù)包數(shù)量為=,但是對(duì)于劃分的測(cè)試等價(jià)域覆蓋范圍達(dá)到了將近100%。3測(cè)試框架3.1測(cè)試工具網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的fuzzing測(cè)試，是指使用fuzzing測(cè)試工具對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊化處理，通 過(guò)監(jiān)測(cè)目標(biāo)設(shè)備能否正確解析畸形數(shù)據(jù)，判斷網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是否存在安全隱患的過(guò)程。針對(duì) zigbee協(xié)議mac層的fuzzing測(cè)試架構(gòu)如圖2所示。zigbee協(xié)議棧測(cè)試節(jié)點(diǎn)nwk、aps,apl層、安全層等改試據(jù) 修測(cè)數(shù)nwk、aps, apl層、安

14、全層等mac層接收 檢測(cè) 處理aphy層待測(cè)節(jié)點(diǎn)群圖2 fuzzing工具測(cè)試原理fuzzing測(cè)試工具在mac層攔截由上層交付的數(shù)據(jù)，對(duì)英根據(jù)測(cè)試算法修改數(shù)據(jù)，生11() 成測(cè)試用例。然后將生成的隨機(jī)化數(shù)據(jù)替換了原始數(shù)據(jù)后，再發(fā)送到物埋層，由物理層廣播 到待測(cè)網(wǎng)絡(luò)中。待測(cè)節(jié)點(diǎn)收到測(cè)試節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)包，依次山物理層提交給mac層進(jìn)行 處理和安全檢測(cè)，然后交付給上層協(xié)議棧。3.2網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓鶕?jù)我們的測(cè)試思想，搭建了如下網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，圖3中(p=3,q=1)所顯示的:主協(xié)調(diào)器115為測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋱D，其中虛線框內(nèi)的部分為實(shí)際測(cè)試使用的節(jié)點(diǎn)：&終端節(jié)點(diǎn)r路由節(jié)點(diǎn)(f救試工具s監(jiān)聽工具圖

15、3測(cè)試模擬網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D該網(wǎng)絡(luò)是主協(xié)調(diào)器建立的樹形網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中有兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)與一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)與主協(xié)調(diào)器120和連接，選擇被測(cè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境屮的主協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)作為被測(cè)對(duì)彖。同時(shí)，為了實(shí)時(shí)監(jiān)控被測(cè)對(duì)象及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信情況，在網(wǎng)絡(luò)中加入sniffer監(jiān)聽模塊。同時(shí)fuzzing節(jié)點(diǎn)作為測(cè)試 工具在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)發(fā)送隨機(jī)化數(shù)據(jù)包。以上構(gòu)成了對(duì)zigbee協(xié)議進(jìn)行安全缺陷檢測(cè)所必須的網(wǎng) 絡(luò)結(jié)構(gòu)。4實(shí)驗(yàn)結(jié)果4.1測(cè)試效率fuzzing測(cè)試工具向h標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送畸形數(shù)據(jù)，大-部分?jǐn)?shù)據(jù)不符合zigbee協(xié)議規(guī)范，觸發(fā) 過(guò)濾規(guī)則，將被拋棄，造成了測(cè)試用例的浪費(fèi)。分別使用純fuzzing算法、皋于邊界測(cè)試的 fuzzing算法，以及

16、基于邊界檢測(cè)的改進(jìn)算法生成測(cè)試用例，rfl fuzzing測(cè)試工具發(fā)送給被 測(cè)節(jié)點(diǎn)，測(cè)試者對(duì)被測(cè)模塊接收數(shù)據(jù)包的情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可得到如下圖4的測(cè)試結(jié)果。圖4各算法測(cè)試結(jié)果比較柱狀圖4.2 結(jié)果分析在驗(yàn)證算法有效性和效率時(shí)，除了牛-成的有效測(cè)試川例率，測(cè)試川例覆蓋度之外，還引 進(jìn)了另外一個(gè)概念：測(cè)試川例貢獻(xiàn)度。即：相對(duì)丁以劃分的耍測(cè)試的全部等價(jià)類來(lái)說(shuō)，牛-成 的單個(gè)測(cè)試用例對(duì)于要覆蓋的測(cè)試域的貢獻(xiàn)。圖4為使用三種測(cè)試方法對(duì)zigbee協(xié)議進(jìn)行隨機(jī)化測(cè)試時(shí)，產(chǎn)生的測(cè)試用例個(gè)數(shù)，測(cè) 試用例覆蓋度，以及測(cè)試用例貢獻(xiàn)度的數(shù)量關(guān)系。其屮使用純隨機(jī)化測(cè)試時(shí)，產(chǎn)牛的測(cè)試用 例個(gè)數(shù)最多，測(cè)試用例的覆蓋度也最廣，

17、能夠包倉(cāng)測(cè)試的全部路徑，但是山于冗余測(cè)試用例 過(guò)多，測(cè)試效率極低，且單一測(cè)試用例的貢獻(xiàn)也很低；使用邊界測(cè)試的思想進(jìn)行隨機(jī)化測(cè)試 時(shí)，能夠極人的減少測(cè)試川例的數(shù)呈，但是由丁對(duì)邊界測(cè)試子域劃分過(guò)為粗略，生成的測(cè)試 用例在測(cè)試路徑覆蓋度上人人降低，導(dǎo)致測(cè)試川例的貢獻(xiàn)度未能冇顯著捉高；而使用改進(jìn)的 邊界檢測(cè)算法時(shí)，雖然在測(cè)試用例數(shù)量上提高了很多，但是能夠通過(guò)mac層過(guò)濾的有效數(shù) 據(jù)包數(shù)量的比例增長(zhǎng)更加明顯，基本上覆蓋了劃分的所有等價(jià)域，平均每個(gè)測(cè)試用例的測(cè)試 貢獻(xiàn)度在三種算法中是最髙的。不難看出，不考慮協(xié)議結(jié)構(gòu)，使用隨機(jī)數(shù)據(jù)變異算法進(jìn)行fuzzing測(cè)試雖然貝有很好的 通用性，但是其生成數(shù)據(jù)量巨大，消

18、耗資源多，并-ii.生成的大部分為無(wú)效數(shù)據(jù)，效率低下。 基于邊界測(cè)試的數(shù)據(jù)變界算法雖然対能夠有效的減少測(cè)試川例數(shù)量，但是対協(xié)議結(jié)構(gòu)造成了 比較人的破壞，造成測(cè)試結(jié)果不夠全面，與傳統(tǒng)隨機(jī)fuzzing測(cè)試和比，測(cè)試效果堆加比較 微弱。而改進(jìn)后的測(cè)試算法在mac層幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行隨機(jī)化測(cè)試，雖然増加了測(cè)試用 例數(shù)量，但也大大提高了測(cè)試的全而性，增加了測(cè)試用例的測(cè)試范由，具有更好的測(cè)試效果。5總結(jié)及后續(xù)工作本文在對(duì)zigbee協(xié)議mac層數(shù)據(jù)幀進(jìn)行深入分析后，基于傳統(tǒng)隨機(jī)fuzzing的測(cè)試方 法，改進(jìn)了基于邊界檢測(cè)的fuzzing測(cè)試算法。實(shí)驗(yàn)和分析表明，新的檢測(cè)算法不僅能夠優(yōu) 化測(cè)試用例數(shù)量，

19、還能夠顯著地提高測(cè)試用例對(duì)于測(cè)試路徑的覆蓋度。由于該改進(jìn)算法的設(shè)計(jì)思想是皋于mac層數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)各字段含義的，在mac處理數(shù) 據(jù)時(shí)能夠避免無(wú)效數(shù)據(jù)包被拋棄造成的數(shù)據(jù)浪費(fèi)。但是對(duì)于各個(gè)字段z間的組合關(guān)聯(lián)關(guān)系考 慮的較少，今后的測(cè)試工具設(shè)計(jì)和改進(jìn)重點(diǎn)主耍放在如何在測(cè)試過(guò)程中考慮到各個(gè)字段之間 的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以檢測(cè)zigbee協(xié)議mac處理組合界常數(shù)據(jù)包的安全性能。參考文獻(xiàn)(references)1 j ieee 802.15.4. wireless medium access control (mac) and physical layer (phy) specifications forlow-ra

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