Au-Delà de l'Accessibilité: Libification Binaire Multi-Architecture et Débogage Procédural pour l'Évaluation des Vulnérabilités

BEYOND REACHABILITY: CROSS-ARCHITECTURE BINARY LIBIFICATION AND PROCEDURAL DEBUGGING FOR VULNERABILITY ASSESSMENT

• Auteur / Autrice : Jonathan Brossard
• Direction : Véronique Legrand
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur spécialité Informatique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Paris, CNAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Cedric - Centre d'études et de recherche en informatique et communications

Mots clés

Mots clés libres

Rétro-ingénierie

Analyse Binaire

Libification

Nis2

Cyber Resilience Act

Sécurité Produit

Reverse engineering

Binary analysis

Libification

Nis2

Cyber Resilience Act

Psirt

Résumé

Approche de Recherche Cette thèse aborde les défis d'évaluation des vulnérabilités PSIRT par quatre méthodologies complémentaires qui évitent l'analyse coûteuse de flux de contrôle. Notre approche opère exclusive- ment sur les métadonnées ELF et le comportement d'exécution plutôt que de tenter de résoudre des problèmes d'analyse statique indécidables. L'innovation centrale consiste à transformer les exécutables ELF en bibliothèques partagées en modifiant les en-têtes et sections dynamiques tout en laissant les sections de code et de données intactes. Cela permet l'invocation directe de fonctions sans créer d'entrées pour traverser les graphes d'appel d'application—séparant efficacement l'analyse de vulnérabilités intraprocédurales du problème d'accessibilité indécidable. Contributions Techniques Libification Binaire transforme les exécutables ELF liés dynamiquement en bibliothèques com- patibles dlopen() par modification déterministe de métadonnées. Le Witchcraft Linker (wld) traite les en-têtes ELF, sections dynamiques, et versioning GNU sans nécessiter de désassemblage ou reconstruction de flux de contrôle. Débogage Procédural permet l'invocation directe de fonctions dans les exécutables compilés via le Witchcraft Shell (WSH), un interpréteur Lua embarqué qui rend les fonctions arbitraires appelables sans flux de programme normal. Cette approche gère tous les formats ELF : exécutables liés dynamiquement via libification, exécutables liés statiquement via chargement ELF personnalisé, bibliothèques partagées directement, et bibliothèques statiques par recompilation automatisée. Unstripping Binaire récupère les informations de débogage des binaires de production strippés en utilisant la reconstruction de sections basée sur les en-têtes de segments, l'analyse d'exceptions .eh_frame, et l'empreinte de fichiers objets. Ces techniques atteignent 99,98% de précision de récupération d'adresses de fonctions sans nécessiter de symboles de débogage externes. Analyse Inter-Architectures étend la méthodologie à travers 16 architectures de processeurs via traduction JIT QEMU, permettant l'analyse de vulnérabilités dans les environnements embarqués et IoT hétérogènes par un cadre unifié. Résultats d'Évaluation Les tests de libification à travers les versions Ubuntu LTS (14.04-24.04) démontrent des taux de succès de 100% sur les exécutables système standards : 352 binaires (Ubuntu 14.04), 363 binaires (16.04), 369 binaires (18.04), 435 binaires (20.04 et 22.04), et 441 binaires (24.04). Le temps de traitement total moyenne 1,3 secondes pour l'analyse complète de distribution. La validation de vulnérabilités démontre une détection réussie de CVE-2022-3602 et CVE-2022- 3786 dans OpenSSL 3.0.6, avec exécution propre dans les versions corrigées (3.0.7, 3.0.8) à travers tous les environnements testés. Impact Pratique Le Witchcraft Compiler Collection, publié en open-source, fournit des outils prêts pour la production pour la conformité réglementaire sous les exigences NIS2 et Cyber Resilience Act. L'intégration avec les gestionnaires de paquets standards (Debian, Ubuntu, Arch Linux) et flux de conteneurs permet l'adoption immédiate dans les opérations de sécurité existantes. L'approche réduit les exigences d'expertise en rétro-ingénierie pour des scénarios spécifiques d'évaluation de vulnérabilités tout en maintenant la rigueur d'analyse. Les applications incluent le triage rapide CVE, l'évaluation de sécurité de conteneurs, l'analyse de systèmes embarqués, et l'éducation en cybersécurité dans les environnements ELF.

Research Approach This thesis addresses PSIRT vulnerability assessment challenges through four complementary methodologies that provide alternatives to computationally expensive control-flow analysis. Our approach operates exclusively on ELF metadata and runtime behavior rather than requiring complex static analysis techniques. The core innovation involves transforming ELF executables into shared libraries by modifying headers and dynamic sections while leaving code and data sections unchanged. This enables direct function invocation without crafting inputs to traverse application call graphs—effectively separating intraprocedural vulnerability analysis from traditional reachability constraints. Technical Contributions Binary Libification transforms dynamically-linked ELF executables into dlopen()-compatible shared libraries through deterministic metadata modification. The Witchcraft Linker (wld) processes ELF headers, dynamic sections, and GNU symbol versioning without requiring disassembly or control-flow reconstruction. Procedural Debugging enables direct function invocation within compiled executables through the Witchcraft Shell (WSH), an embedded Lua interpreter that makes arbitrary functions callable without normal program flow. This approach handles all ELF formats: dynamically-linked executa- bles via libification, statically-linked executables via custom ELF loading, shared libraries directly, and static libraries through automated recompilation. Binary Unstripping recovers debugging information from stripped production binaries using segment-header-based section reconstruction, .eh_frame exception parsing, and object file finger- printing. These techniques achieve 99.98% function address recovery accuracy without requiring external debug symbols. Cross-Architecture Analysis extends the methodology across 16 processor architectures via QEMU JIT translation, enabling vulnerability analysis in heterogeneous embedded and IoT environ- ments through a unified framework. Evaluation Results Libification testing across Ubuntu LTS releases (14.04-24.04) demonstrates 100% success rates on standard system executables: 352 binaries (Ubuntu 14.04), 363 binaries (16.04), 369 binaries (18.04), 435 binaries (20.04 and 22.04), and 441 binaries (24.04). Total processing time averages 1.3 seconds for complete distribution analysis. Complex application testing validates libification of Chrome (114.0.5735.198), Apache2 (2.4.52), OpenSSH (8.9p1), Nginx (1.18.0), and GCC (11.4.0), with individual processing times under 0.01 seconds each. OpenSSL 3.0.6, with clean execution in patched versions (3.0.7, 3.0.8) across all tested environments. Practical Impact The open-source Witchcraft Compiler Collection provides production-ready tools for regulatory compliance under NIS2 and Cyber Resilience Act requirements. Integration with standard package managers (Debian, Ubuntu, Arch Linux) and container workflows enables immediate adoption in existing security operations. The approach reduces reverse engineering expertise requirements for specific vulnerability assessment scenarios while maintaining analysis rigor. Applications include rapid CVE triage, container security assessment, embedded system analysis, and cybersecurity education within ELF environments.