#network defense

CGC旨在建立即時自動化的網路防禦系統，並且能夠快速且大量的應對新的攻擊手法，來應對大量的網路攻擊，並降低攻擊出現到防禦手法之間的時間差。而由於 網路攻擊手法相當多樣性，CGC初步以軟體漏洞著手，主要是記憶體操作錯誤的部分，我們常見的Buffer Over Flow, Format String Error都屬於此類。

現今，機器的運算速度及基本理論已經有長途的進步，許多軟體測試及分析的技術與基本理論都日趨完善，雖然許多技術要應用在大型環境中還有一段差距值得研究員們努力，但已經可以一定程度的自動化找出並修補程式漏洞。以下是DARPA文件中有提及的技術：

Dynamic Analysis

Static Analysis

Symbolic Execution

Constraint Solving

Data Flow Tracking

Fuzz Testing

基於這些技術，參賽者需要將上述半自動化的技術互相搭配，完成一套全自動的CRS(Cyber Reasoning System)以自動化防禦網路來的攻擊。此系統必須首先對待測程式進行分析，自動推論出漏洞的位置。接著產生能夠觸發該漏洞的測資，來證明漏洞真實存 在。最後產生修補該漏洞的方式。當然，整個步驟需要全程的自動化。

初賽 ＆ 決賽

參與CGC的隊伍可以透過Open Track及Proposal Track參加競賽。Poposal需要參與DARPA研究計畫，並會補助通過的隊伍$750,000的經費。而Open Track則開放團隊自由參與，但必須包含一位美國公民。而此兩個部分參與的隊伍，必須開發出一套CRS系統，並參與Challenge Qualification Event（CQE），而出賽評估CRS的有效性，評分出前幾名隊伍進入決賽Challenge Final Event（CFE），冠軍則會有高達$2,000,000美金的獎勵。

這一屆（還不知道會不會有下一屆？）的競賽已經在2014年進行 了Open Track/Proposal Track兩部分，並在2015年的DEFCON會議中進行了Challenge Qualification Event（CQE）選出了前七名，等待爭奪第一名的天價獎金。我們也會在後續章節稍微介紹這些團隊。

Challenge Qualification Event（CQE）

POV（Proof of Vulnerability）是CGC競賽的核心，如同我們打CTF時需要撰寫的Exploit。在CQE中，參賽者的CRS會被放置在單獨的環境中做評估，並不會和其他隊伍的CRS連線。CRS此階段需要自動分析待測的Binary程式CB（Challenge Banary），產生patch過後的CB以及POV，POV可以視作為攻擊程式，此POV必須能使CB產生錯誤，例如將程式eip改成不合法的值，讓程式跑壞。因此與CFE決賽相比，CQE中比較偏重測試團隊挖掘漏洞以及除錯的能力。

主辦方會提供113個CB給參賽者的CRS

CRS需要產生可以造成程式錯誤的輸入

CRS必須產生修正後的CB

在 CQE正式舉辦之前，會有兩次的Scored Events讓參賽者測試系統，最後才舉辦CQE。其中，計分方式比較有趣的是每題沒有固定分數，而是根據各隊解題後的結果動態配分，基本理念是希望展現 各隊的特長。若某個CB全部隊伍都解出/都沒解出，這些題目分數就會較低。而只有部分隊伍解出的題目，將會得到比較高的分數。這樣的計分方式可以鼓勵各隊提出不同獨特的程式分析技術。

而參閱下表Areas of Excellence，是DARPA在CQE和CFE分別要測試的項目，可以看到初賽主要測試團隊以下項目：

分析程式

找出漏洞

修補漏洞

維護程式正常功能

Challenge Final Event（CFE）

CFE和初賽最大的不同是在於各隊的CRS會置於互通的環境下，各隊會遞交POV給主辦方，主辦方會再將這些POV和正常的服務流量混合，再分配給各隊的 CRS，來進行互相的攻防行為。另外是增加了網路入侵偵測的概念，若是能自動找出攻擊的特徵碼，參賽者可以在網路防禦的部分就阻擋這種攻擊。也就是多測試了參賽隊伍在Areas of Excellence中的第五項。而在CFE要產生的POV也有比較多的限制，包含下面兩種。

讓程式在特定位置產生錯誤，並設定特定暫存器得值，例如：讓EIP跳轉到特定的位置，並且該位置不能執行讓程式出錯，而此同時要將程式EAX設定為0xdeadbeef。

取得特定位置的記憶體內容。

下圖則是CFE的評分方式的流程圖。參賽隊伍首先產生POV，若此POV成功便可得到一些分數。接著Mixing Appliance會將主辦方自己的POV以及其他隊伍的POV混入正常的服務流量（Service Poller）送給各隊。各隊伍首先會從網路防禦系統收到流量，並可以做一定程度的過濾，若是成功將POV過濾掉，可以獲得分數，相反的若是錯誤過濾掉一 般流量則會扣分。而未過濾的流量會進入到Patch CB中，同樣的將POV過濾掉，可以獲得分數，相反的若是錯誤過濾掉一般流量則會扣分。最後會確認程式的狀態，若是程式在接受正常流量並正常運作則可以獲 得分數。若是程式不正常運作（接受正常流量）或程式錯誤，則會扣分。

隊伍介紹

在2015年的DEFCON，DARPA同時舉辦了CQE初賽，並選出七支隊伍準備參與2016年的決賽，以下為七支隊伍的簡介：

Proposal Track參賽的隊伍

CodeJitsu（Berkeley, Calif.）：這支隊伍是由加州柏克萊大學組成的，指導教授為Dawn Song教授。柏克萊大學的研究團隊在程式分析，尤其是Binary Analysis這塊領域，一直是世界頂尖的團隊，也有許多Open Source的系統值得研究，其中BitBlaze是他們團隊在程式分析的分析平台。在這個平台中，包含了Vine靜態分析模組、TEMU動態汙點 （Dynamic Taint）追蹤模組以及Rudder動態符號化執行（Symbolic Execution）模組。雖然不知道CodeJitsu是不是直接使用這些工具來比CGC的，但這些技術都是CGC競賽中不可或缺的，也說明了他們扎實 的技術實力。

http://bitblaze.cs.berkeley.edu/

ForAllSecure （Pittsburgh, Pa.）：ForAllSecure是由卡內基美隆大學的David Brumley教授創立的新創公司，許多成員也是來自於卡內基美隆大學CyLab（也是David Brumley教授指導的實驗室）。說到CyLab一定要提的就是PPP團隊，該團隊是CTF競賽的常勝軍，常年盤據CTFtime上第一名的寶座，也說明了CTF相關經驗，對CGC競賽是有一定程度的幫助的。除此之外，CyLab在程式分析的研究也是引領全球的，與柏克萊的團隊相似，CyLab也有自己研發的程式分析平台 BAP（Binary Analysis Platform）。BAP提供了自己一套中介語言（BIL）方便進行程式分析，也提供和SMY solver結合的介面，可以進行符號化執行的分析。最近在他們的GitHub中，也加入了由GeoHot開發的Qira系統。

https://github.com/BinaryAnalysisPlatform

TECHx （Charlottesville, Va.）: GrammaTech是一間專注於程式分析的公司，開發了許多software assurance相關的工具，例如:Code Sonar這類的工具。 GrammaTech這次和維吉尼亞大學組隊參加CGC競賽，開發了PEASOUP（Preventing Exploits of Software Of Uncertain Provenance）的系統，來挖掘並修補漏洞。在他們的系統中，包含了一個Dynamic Binary TRanslation的工具Strata VM以及In-VM Monitor來進行動態分析。並利用了Concolic Engine來產生測資已涵蓋大範圍的程式測試，並利用靜動態的方式偵測出漏洞位置，再交由Remediation Engine來修復程式。

相關論文: http://www.grammatech.com/research/technologies/peasoup/publications

Open Track參賽隊伍，不知道是不是因為open track不用交proposal，這部分除了Shellphish以外，可以參考的資料都不多。

CSDS （Moscow, Idaho）：由愛德華大學資工系的教授Jim Alves-Foss及其博士後研究員Jia Song組成的兩人團隊。CGC官網中說明此隊是唯一重新開發一套工具的隊伍。

DeepRed （Arlington, Va.）：Raytheon是美國一家國防公司，該隊伍在memory上面有一些特別的研究，該公司的產品SureView ®便是利用Memory Forensic來分析以及防禦的，而CGC官方也說明該隊在記憶體效能上有做改良，取得比較好的效能分數。隊名則是源自於IBM的Deep Blue超級電腦。

disekt（Athens, Ga.）：disekt則是一隻CTF戰隊，共有四位成員。該團隊對於VM的系統有一定了解程度，在12年有發表QEMU的Bug，而在14年有發表過 VM Detection的技術，另外也有ROP相關的研究成果。（ROP Detection at Shmoocon 2014 ）

Shellphish（Santa Barbara, Calif.）：這支隊伍是在open track中我最熟悉的隊伍，由加利福尼亞大學聖塔芭芭拉分校的學生組成的Shellphish，不僅是傳統的CTF強隊，也有晉級今年的Defcon決 賽。在資安方面的學術研究也相當強大，其指導教授之一Christopher Kruegel教授，在Binary分析領域也相當有名。該團隊開發的系統Angr，利用了VEX中介語言來進行模擬，包含了自己獨特的程式 Loader，並橋接了符號畫執行的一些工具，是相當完整的程式分析平台。

http://angr.io/

技術

由於本篇文章重點在於初步了解這個比賽，比賽過程中涵蓋了相當多的技術，難以在此一一說明。因此最後放了這張圖片，該圖也是從DARPA CGC計畫的演講中擷取的，說明這個比賽所需要涉及的領域，從程式分析、網路分析到最後面的防禦生成，都函蓋了相當多的研究。圖中列了許多系統，已經可以一定程度的自動化分析程式，值得大家花時間研究，像是BitBlaze、S2E、Z3、TEMU等，也都是研究常用的工具，並已經相當成熟的工具，值得大家把玩。

最後，如果有人對CGC或其他程式分析的研究有興趣的，歡迎連絡我一同討論: ckchen <at> cs.nctu.edu.tw

參考文獻

https://cgc.darpa.mil/Competitor_Day_CGC_Presentation_distar_21978.pdf

https://github.com/CyberGrandChallenge/cgc-release-documentation/blob/master/walk-throughs/running-the-vm.md

http://blog.trailofbits.com/category/program-analysis/