如何攻破软件
如何攻破软件，英文名how to break software。本文为精简版，浓缩就是精华啊。报错信恳仅仅是迫使程序停止来显示一条报错信息、,然后接着执行卜一条输入或者直到定时器超时而凵。但是,也有其他一些报错信息则是来自于被程序抛岀和异常处理器被执行引发的异常。异常处理器(或中央错误处理线程)因其指针突然改变而数据状态不产生相应变化,通常会存在问题。异常处理器执行的睽间,各种各样的数据问题接踵而至:文件未关闭、内存未释放、数据未初始化。当控制重新回到主线程,很难判断错误处理器是在什么时刻被调用,又会有怎样的遗留问题在等待粗心大意的开发人员:因为文件没有关闭导致打开文件失败、在没有初始化前就开始使用数据。如果我们能确侏在所有的报错信息都出现过之后系统依然正常工作,那么也算是为用户省去」不少麻烦(吏不用说我们的维护工程师∫)图1展小∫我的学生在微软Word20中发现的一个有趣的bug,一条错误提小不知为何连续出现了两次。这个bug是在通过单一输入攻击错误处理线程的过程中发现的确保软件指定默认值。开发人员通常不记得在用户输入越界或给参数改置不合理的值时指定默认的值。有时候强制改立默认值意味着什么也不做一一然而正因为恕不到,这一举措甚至难倒」优秀的开发人员。例如,在word2000中,如下对话框中有一个选择框,当不对其做任何修改时再次打开对话框,该控件将消失。对比左右图片中的对话框。你发现什么控件消失了吗?Index and I atlesaE Ind and T nhl图hdat Tae or Crems I ae ofEr|Bt图pr PC aba业pHanns JEening 2REMTE 2Stade 3.HAidar 2HeadsP Eghk dg pae numbersT-n k有的时候指定默认值需要先改变值的当前设定,然后将其设定为个不合理的值。这种连续的转换保让了再转换成其他可用的值前是经过设置默认值尝试输入变量的所有可用的字符集有的输入问题很简单,特别是当你使用了类似$,%,#,引号等等字符付,这些字符在许多编程语言中有特姝意义并且作为输入被读入时通常需要特姝处理。如果廾发人员未考虑这种情况,则这些输入可能导致程序的失败。通过改变输入内容的多少引发输出区域的改变聚焦丁输出木身是一神发现bug颇有成效但是极少使用的方法。其思想是:先假定一种表现为bug的输出或者行为,然后寻找能够导致这种现场产生的输入。以上所述的一个简单的攻击例子就是通过改变输入值和输入字符串的长度来引发输出区域大小的重新计算。个很好的概念性例子是将时钟的时间设置为9:59,然后等待它转到10:00。一开始显示区域是4个字符长度而后来是5。反过来,我们设定时间为12:59(5个字符),然后等待其转变为1:00(4个字符)。开发人员通常只会对初始化为空白的情况进行处理而不曾考虑到显小区域己有数据的情况下如何史新该区域以显小不同长度的数据。举个例子, PowerPoint中的“艺术字”功能中有个有趣的bug。假定我们输入下图中的个长的字符串可以发现因为字符串太长,并不是整个字符串都能显小出来。但这不是问题的关键。点击确认按钮时触发两个事件。首先,程序计算岀需要的输岀区域大小,然后将输入的文字填充进去。现在,我们编辑该字符串,将它改为单个字符。可以发现尽管现在只有单个字符,字体大小也没有改变,但显小区域大小却没有发生改变。进一步看。如果冉次编辑该字符串为多行的字符串,输出结果更有意思、。E Microsoft PowerPoint-[Presentotion1I回E= Fdit iAv Tns+ Form=t工 hls li smw inimw Henl可x回的品“口27%-2⊥□ ATTENTONMicrosoft InterJob interviewsCareerGo to room 210ae for all god mene come to the aid回 Eile Edit iaw Insert Forst Tools Slide show MA. in+y出1型x」10ATTENTIONob interviewsheld in Career seGo to room 20Keuper BldgC Microsoft Powerpoint [PresentationalUJEil- Edit yiw Insert For mat Inns Slide Show Mlinrnw Hen回x当鹛5x:+兽当2791 ATTENT工ONMicrosoft internheld in Career seGo to roomKeuper Bld一分也Aa的≡我悲这部分凵经介绍得比较清楚了,我们将进入卜一部分确保对显示区域的边界的检査。这是基于输出的另一种攻击思路,与之前的|分类似。然而,不同于之前着力」导致显区域内部出错,这次我们将精力集中在显示区域的外部。并且显示区域将不再重新计算显示边芥而仅仅是考虑边界溢出。再以 Power Poin为例,我们可以先画一个文木框,然后输入一个带上标的字符串。放大该字符串的宇体使上标的上半部分被截断。这一问题将连同之后的相关问题一起说明。引发屏幕刷新问题。这是使用 windows图形用户界面的用户会遇到的主要问题。对开发人员来说,史是个大问题:过度的刷新将导致程序变慢,而不刷新又会导致大大小小的问题,小至要求用户强制刷新,大到导致用户的操作失败通常通过在屏幕上添加、删除和移动元素来触发血刷新。这将导致背景車新绘制,如果贞面不能正确、及时地作出相应,那么这就是通常意义上的bug。其中,尝试变化所移动的元素的距离是一种较好的方式,可以移动一点点,接着移动一大截,移动一两次,接着移动很多次接着说回上面例子中的带上标的字符串,试着每次用鼠标拖动它移动一些距离,就会发现令人讨厌的问题,如下图所示。在 Office2000中→4引丝常出现的另一个与L口 ATTENIIONMcr。 tk Intern屏幕刷新相关的问题lob interview arheld in Cae se是文本的异常消失。Go to noon 21025Keuper Bdg这一讨厌的问题在word的页面边界附近4出现。Click to add notes输入值组合攻击口的rcm如南哪、、口四面、,凸,画■翻第二类输入/输出Side S 0f 6Bur Desnbug主要针对多个共同作用或相互影响的输入。例如,一个通过两个参数调用的API,其中一个参数的取值建立在另一个参数取值的基础上。通常,bug正是出在值组合上,因为代码的逻辑关系复张。找出不能共存的输入值的组合。那么哪些值的组合是有问题的?这个问题目前还处于积极研究中,但是我们已经找到了一个特别有效地方法,那就是先确定期望获得的输岀,然后试着去找到对应的输入值的组合。尝试产生无效的输出。这是一种适用于测试人员对问题域十分清楚的有效攻击方法。例如,当你在测试一个计算器并且清楚部分功能点的结果有限制时,试图找到超岀范围的结果所对应的输入值组合是值得的。但是,如果你不熟悉数学,那么这种努力很可能是浪费时间一一你甚至可能将一个不正确的结果当成正确的。有时候 windows木身会给出提示,告诉你哪些输入是相互关联的。此时,测试人员可以去测试这些值的范围,并且尝试触犯既定的关系。输入序列攻击软件中的输入就像一种止式的语言。单一的输入相当」组成语言的字母,输入的字符串类似构成语言的句子。其中一些句」应该通过控件和输入区域的启用与禁用被过滤。通过尽可能多地输入字符串、改变输入的顺序来测试这种问题选择导致无效输出的输入序列。和上文描述这是一种找到问题输入组合的好方法一样,这同样是找出有问题的输入序列的好方法。例如,当我们发现∫Oice2000中的一个导致文本消失的问题后,对 Power point幻灯片中标题文本框进行攻击。如下的一组屏幕截图冉现∫一个特定的输入序列是如何导致文本消失的。正回国wFE和 Eai swa. wart Frat m ao sty oran阳 mrt ma Dect ilt sow如mhDdF)…gB5:h1感 ATTLATI0H1b粪 ITtNTION1直 ITHNTIONMicosofT I nterMicrosoft Imt把MIcroset IotelCxn caosATHENTIONGo tD roMm 2门rNGatD fosT丑Micros af lrtenigveeKHr段hMirswios bereitKere EdCm取曰BD日要!比 b and ncosr宝tams7m· R6 anime)s□42正△=a面口日压=日日2▲·=量有趣的是仅仅将文本框旋转180度并不能发现这个bug。必须按照这样的操作顺序:旋转180度后,再旋转10度(或者更多)。逆向执行以上操作并不能修正这一问题,每当点山标题外部区域,该标题内容就会消失。改变输入的顺序之所以善于发现bug是因为很多操作自身成功执行的同时会遗留很多问题,它们将导致之后的操作失败。对输入序列进行彻底的检査会暴露出很多这样的问题。然而有时侯,下面这种攻击表明:为了发现bug,根本不需要使用多种多样的输入序列多次重复同样的输入序列。这种方式会对资源造成大规模占用,并且对存储数据空间造成压力,当然也包括发现其他负面的遗留问题。遗憾的是,大多数应用程序并不清楚自身空间和时间的限制,而许多开发人员倾向于假定资源总是足够可用的。在Word的公式编辑器中可以找到这方面的一个例子,程序本身似乎并不清楚它只能处理10层嵌套括号的计算数据攻击数据是软件的命脉;如果你设法破坏了它,那么程序将不得不使用被破坏的数据,这之后得到的就不是合理的结果。所以理解数据是如何、在何处建立是必要的从本质上讲,数据的存储是通过读取输入,然后将其存储在內部或者存储一些內部计算的结果来实现的。因此,测试正是通过提供输入和执行计算来实现数据在应用程序中的传递数据攻击遵循以下简单原则。数据攻击变量值攻击1存储不正确的数据类型2使数据值超过允许的范围数据单元大小攻击3.溢出输入缓冲区4存储过多的值5存储太少的值数据访问攻击6找出同一数据的不同修改方式变量值攻击这一类的攻击需憂对内韶存储的数据对象的数据类型和合法值进行检查。如果有对源码的权限则这些信息可以轻易得到,但是,通过小小的探索性测试和对错误信息的关注也可以确定人致的类型信息。改变输入的数据类型来找出不匹配的类型。在需要整数的区域输入字符(和类似的攻击)已经被证明十分有效,但随着现代编程语言对类型检查和类型转换的处理变得容易,我们发现这样的攻击相对之前已经不再那么有效使数据值超过允许的范围。被存储的变量数据和输入的变量数据一样,这样的攻击方式同样适用数据单元大小攻击第二类数据攻击旨在蝕发数据结构的溢出和下溢。换句话说。攻击试图打破预先设定的数据对象的大小限制。首先要说的就是典型的缓冲区溢出。溢出输入缓冲区。此处通过输入长字符串导致输入缓冲区溢出。这是黑客们偏好的攻击方式,因为有时候应用程序在崩溃之后会继续执行进程。若一名黑客将一段可执行代码附在一个长字符串中输入,程序很可能执行这段代码在Word2000的一个缓冲区溢出问题就是这样一个可被利用的bg,此bug被发现在査找/替换玏能中,如下所示。有趣的是,“查找”这一字段被合理地加以限制而“替換”没有正出面同一数据结构存储过多的值。复杂地数据结构诸如数组、矩阵和列表在测试中不仅仅要考虑存储8在其中的数值,还要考虑存储值的数目。同一数据结构存储过少的值。当数据结4正A日国重构允许增加和删除信息时,通常在做了n-1次增加的同时穿插着或在其之后做n次删除操作会导致攻击成功。数据访问攻击我的朋友 Alan Jorgensen喜欢用“右手不明左手所为”这句话来形容这一类bug。道理很简单,但开发人员却常倒在这一类攻击下:在很多程序中通常任何任务都能通过多种途径完成。对测试人员来说,这意味着同一个函数可以由多个入口来调用,这些入口都必须确保该函数的初始条件得到满足。个极好的例子是我的学生在 PowerPoint中发现的表格数据大小相关的崩溃性bug。创建表格时最大尺寸被限定为25×25。然而,可以创建一个25×25的表格,然后为其添加行和列——导致应用程序崩溃。这就是说,程序一方面不允许26×26的表格存在而另一方面却并不清楚这个规则的存在。运算攻击运算攻击操作数攻击使用非法操作数进行运算找出非法操作数组合结果攻士使运算结果过大使运算结果过小功能相互作用攻击找出共亨数据不佳的功能操作数攻击这类攻击需要知道在一个或史多内部运算中操作数的数据类型和可用的值。如果有源码权限则这些信息可以轻易获得。否则,测试人员必须尽最大努力去弄清楚正在进行的运算只体是什么、使用的是什么数据类型。触发由非法操作数引起的运算。有时侯输入或存储的数据处于合法的范围之中,但是在某些运算类型中却是非法的。被0除就是一个很好的例子。0是一个合法的整数,但作为除法运算的除数却是非法的。找出不能共存的操作数的组合。涉及到一个以上操作数的运算不仅受制于上面的攻击,同时存在操作数冲突的可能性。结果攻击第二类运算攻击旨在造成存储运算结果的数据对象的溢出和下溢试图造成运算结果过大而存储失败。就算是简单如y=x+1这样的运算在数值边界上也常出问题。如果x和y都是2比特的整数并且ⅹ的值为32768,则这一运算将失败,因为结果将会造成存储溢出。试图造成运算结果过小而存储失败和上文相同,不同的是使用y=x-1并且使x的值为-32767功能相互作用攻击文章中讨论的这最后一类攻击或许算是所有种类的鼻祖,可以用来区分测试菜鸟和专业人员:功能的相互作用。问题没有什么新意:不同的应用程序功能共享同一数据空间。两种功能的相工作用导致应用程序失败,不是因为对数据处理的设定不同,就是因为产生了不良副作用但是哪些功能共享数据并且能够在冲突情况下实现数据转化口前还是测试领域中一个开放的问题。日前我们正停留在不断地尝试阶段。下面这个例子足以说明情况这个例子给出了在Word2000中的同一页面上合并注和双列时出现的一个出人意料的结果。问题在于:Word从注释的引用点计算脚注的页面宽度。所以,若同一页面上存在两条脚注,一条被处于双列位置的内容所引用,另一条则被处于单列位置的内容所引用,单列脚注公将双列脚注挤到下一页面。同时被挤掉的还有引用点至页面底部间的文本。三萨三下面的屏幕截图形象地说明」问题。第二列的文木去哪里∫?连同脚如三签注一起处在n远aoh1M黑下一次你会任由文档像1=11 aata Ln1a回下111D这样显小吗?在找到解决方法(这意味着你得花时间去整理)前你将不得不忍受这一现状结论简单遍历—遍上面罗列的21种攻击策略叮以覆盖应用程序的大部分功能。事实上,施行次成功的攻击通常意味着尝试各种可能性,走过很多死胡同。但是仅仅因为部分这一类探索性方法发现不了bug并不意味着它们没有用。首先,这段吋间使用应用程序帮助测试人员熟悉程序的各种功能,从而产生新的攻击思路。其次,测试通过是好的消息!它们表明,品是可靠的:尤其当这组测试是上面所说的恶意攻击。如果代码可以承受这样的测试过程,它儿乎可以应对用户作出的任何操作。另外,永远不要低估了测试时怀揣一个具体目标的作用。我见过太多测试人员把时间浪费在亳无目的地输入或者随机地调用API试图导致软件出错。实行测试意味着制定明确的目标一一基丁会出错的点—一然后设计测试用例来实践该目标。这样,每个测试用例都有目的泩并且进度可以被随时控制。最后,记住,测试应该是有趣的。攻击这一比喻正是对测试的这一特性很好的诠释并且还为愉快的消遣时光添加∫些许作料。狩猎愉快
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信号稀疏表示理论及其应用
信号稀疏表示理论及其应用信号稀疏表示理论及其应用郭金库刘光斌余志勇吴瑾颖著斜学出版社北京内容简介信号稀疏表示是一种新兴的信号分析和综合的方法,吸引了研究者的大量关注,同时被应用到信号处理的许多方面,如非平稳信号分析,信号编码、识别与信号去噪,压缩感知,盲源分离等。信号稀疏表示方向的研究热点主要集中在稀硫分解算法、过完备原子字典和稀硫表示的应用等方面。本书在介绍国内外该研究方向研究进展的基础上,重点介绍了作者在稀疏分解快速算法、色散原子字典,稀疏表示在线性调频信号参数估计以及电磁兼容测试信号处理等方面的研究成果。本书可供从事信号与信息处理信号表示、非平稳信号分析等方面工作的科研工作人员和研究生学习、研究使用图书在版编目CIP)数据信号稀疏表示理论及其应用/郭金库等著,一北京:科学出版社2013IsBN978-7-03-038209-2Ⅰ.信…Ⅱ郭…Ⅲ.信号处理Ⅳ.TN91.7中国版本图书馆CP数据核字(2013)第171727号责任編辑:魏英杰杨向萍/责任校对:桂伟利责任印制:张倩/封面设计:陈敬荦幽社出版北京东黄城根北街16号邮政编码:10717http://www.sciencep,com此象通州皇家印刺厂印刷科学出版社发行各地新华书店经销2013年7月第一版开本:720×1000B52013年7月第一次印刷印张:91/4字数:176000定价:50.00元(如有印装质量问题,我社负责调换(科印〉)前言信号稀疏表示是过去近20年来信号处理界一个非常引人关注的硏究领域,众多硏究论文和专题研讨会表明了该领域的蓬勃发展。信号稀疏表示的目的就是在给定的过完备字典中用尽可能少的原子来表示信号,可以获得信号更为简洁的表示方式,从而使我们更容易地获取信号中所蕴含的信息,更方便进一步对信号进行加工处理,如压缩、编码等。信号稀疏表示方向的研究热点主要集中在稀疏分解算法、过完备原子字典和稀疏表示的应用等方面。本书在介绍国内外该方向研究进展的基础上,重点介绍作者在稀疏分解快速算法、色散原子字典及稀疏表示在线性调频信号参数估计等方面的研究成果。全书共分为6章。第1章为绪论,在回顾传统的非平稳信号分析方法的基础上引出信号稀疏表示的基本思想,并介绍稀疏表示理论的发展历程和研究现状。第2章首先给岀稀疏逼近和稀疏表示的定义,然后简要介绍常用的稀疏分解算法和时频原子字典,最后介绍一种利用稀疏表示结果构造的时频分布。第3章利用 Gabor原子特点,构造一种随信号或分解残留信号自适应变化的 Gabor子字典,提出基于自适应 Gabor子字典的匹配追踪算法并证明了算法的收敛性。进一步,基于离散自适应 Gabor子字典提出相应的匹配追踪快速算法并分析了计算复杂度。最后利用数值实验结果验证了提出的方法与传统的匹配追踪算法具有相同的计算精度。第4章为了描述色散信号,利用色散关系或者近似色散关系设计出能够描述色散特性的原子,并构造色散原子字典。针对类似色散原子这种瞬时频率随时间非线性变化的时频原子,给出一种非负、无交叉项的能量时频分布。第5章研究信号稀疏表示在线性调频信号的参数估计及线性时不变系统辨识中的应用。第6章探讨信号稀疏表示在电磁兼容现场测试信号处理方面的应用。本书的很多研究成果是在清华大学自动化系邹红星教授的指导和信号稀疏表示理论及其应用帮助下完成的,这为本书的写作打下了坚实的基础。同时,第二炮兵工程大学的领导也一直关心和支持作者的课题研究,尤其是本书的出版得到了第二炮兵工程大学控制工程系的直接支持和帮助。在本书出版之际谨向他们表示衷心的感谢!另外,借此杋会特别感谢第二炮兵工程大学控制工程系以及清华大学自动化系的周志杰、苏娟、郜震宵、杨晓君、王榕、马竞伟、俞力杰、刘冰、汪洪桥、胡来红、孙振生、席建祥等老师和同学的帮助。本书的出版得到了国家自然科学基金项目(61201120)、中国博士后科学基金(2012M521904)和第二炮兵工程大学创新性探索项目的资助。作者2年6月目录前言第1章绪论1.1非平稳信号分析方法·1.2基于基分解的线性时频表示1.2.1傅里叶变换1.2.2短时傅里叶变换………1124561.2.3小波变换1.2.4基分解的不足·1.3经典的时频分布101.3.1 Wigner- ville分布……101.3.2 Cohen类时频分布……1.4稀疏表示方法121.4.1稀疏的就是更优的121.4.2稀疏表示理论的发展141.4.3稀疏表示的应用………………………191.5本书的结构安排……21第2章信号的稀疏表示…222.1稀疏逼近与稀疏表示222.2常用的稀疏分解算法242.2.1框架算法………252.2.2匹配追踪算法262.2.3基追踪算法262.2.4稀疏分解算法的信号精确重构条件∵272.3时频原子字典…………………282.3.1 Gabor原子字典…282.3.2 Chirplet字典………………………29信号稀疏表示理论及其应用2.3.3 FMm let字典………292.3.4 Dopplerlet字典302.4稀疏表示与时频分布…302.5本章小结…34第3章自适应 Gabor子字典的匹配追踪算法363.Ⅰ稀疏分解与匹配追踪算法363.1.1基本的匹配追踪算法………………363.1.2正交匹配追踪算法……383.1.3匹配追踪算法的计算和存储瓶颈……403.2自适应 Gabor子字典…………443.3自适应子字典的匹配追踪算法收敛性493.4离散自适应子字典的匹配追踪快速算法3.5算法验证与实验…603.6应用GPU实现的匹配追踪算法…633.7本章小结··67第4章基于色散原子字典的信号稀疏表示…684.1稀疏表示与原子字典…694.2色散原子字典……………724.2.1稳态相位法4.2.2初始波形及色散原子734.2.3色散原子字典的构造754.2.4基于色散原子字典的稀疏表示…………764.3非负的无交叉项时频分布…804.3.1时频半仿射平面…804.3.2色散原子的非负、无交叉项的时频分布…834.4应用854.5本章小结…88第5章稀疏表示在线性调频信号参数估计及线性时不变系统辨识中的应用895.1基于稀疏信息的线性调频信号参数估计…895.1.1线性调频信号的参数估计89目录5.1.2线性调频率估计·955.1.3初始频率与结束频率估计985.1.4实验结果1005.1.5讨论1055.2稀疏分解在系统辨识中的应用…1065.2.1基于互功率谱的线性时不变系统辨识………1065.2.2匹配追踪算法的降噪原理1085.2.3利用稀疏分解进行线性时不变系统辨识1095.3本章小结…112第6章基于稀疏表示的电磁兼容测试信号处理技术………1136.1现阶段电磁兼容现场测试信号处理面临的难题…………1136.2国内外研究现状…1146.3稀疏表示在电磁兼容测试信号处理中的优势以及待解决的问题117参考文献119附录:自适应子字典的匹配追踪算法参考程序……133第1章绪论1.1非平稳信号分析方法信号的傅里叶变换和反变换实现了信号在时域和频域內的相互转换。傅里叶变换将信号分解为不同频率分量的线性组合,其结果可以告诉我们信号是由多少个正弦波叠加而成,以及相对的幅度。由于不能给出关于这些频率分量何时出现与何时消亡的时变信息,因此傅里叶变换比较适用于分析频率成分不随时间变化的平稳信号。但是,人们发现众多的实际信号却具有明显的非平稳特征。信号的平稳性或非平稳性主要是根据信号的统计量特征来衡量。常用的统计量包括均值(一阶统计量)、相关函数与功率谱密度(二阶统计量),以及高阶矩与高阶谱等(高阶统计量)。若信号的联合分布函数相对于时间是不变的,即信号的各阶统计量与时间无关,则称信号是平稳信号。若信号某阶统计量随时间变化,则称信号为非平稳信号或者时变信号,2。现实世界中存在着各种频率随时间变化的信号,如人类的声音、动物的叫声雷达和声呐信号、生物医学信号等。这些信号都是典型的非平稳信号,它们共同的特点都是持续时间有限,并且自相关函数或功率谱密度是随时间变化的。当研究和处理非平稳信号时,传统的傅里叶变换不能提供对信号频谱时变特征的有效分析和处理,也就是说,频谱和功率谱并不能清楚地描述信号的某个频率分量出现的具体时间及变化趋势。非平稳信号分析与处理是现代信号处理的一个重要研究内容和发展方向,在通信、雷达、信息对抗、自动控制、模式识别、水声、地震勘测和生物医学工程等领域有着广泛应用24。非平稳信号分析方法可以分为线性时频表示、非线性时频分布和信号的稀疏表示(图1-1)。假设信号为几个分量信号的线性组合,如果信号的时频表示也可以表示为这几个分量时频表示的相同线性组合,则这种时频表示称为线性时频表示;否则,称为非线性时频表示,2。传统意义上的线性时频表示通
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