Laufzeitangriffe nutzen Speicher- und Programmierfehler aus, um beliebiges Schadverhalten auf einem Computersystem zu verursachen. Obwohl diese Angriffe seit über zwei Jahrzehnten bekannt sind, stellen sie immer noch eine große Bedrohung für moderne Software-Programme dar. Dabei benutzen heutige Angriffe eine ausgeklügelte Technik, die sich Return-Oriented Programming (ROP) nennt. Im Gegensatz zu klassischen Laufzeitangriffen, die auf das Einschleusen von Schadcode in den Speicher eines Programmes angewiesen waren, können ROP Angriffe allein über das Zusammensetzen von vorhandenen gutartigen Code Schadverhalten erzeugen. Weil hierbei kein neuer Schadcode explizit eingeschleust wird, umgehen ROP Angriffe weit verbreitete Abwehrmechanismen wie beispielsweise Ausführungsschutz für den Arbeitsspeicher. Insbesondere können ROP Angriffe in Kombination mit sogenannten Speicherlecks -in der englischen Fachliteratur häufig als Memory Disclosure bezeichnet- dazu verwendet werden, um Adress Randomisierung zu umgehen. Um effektiv gegen diese neuartigen Laufzeitangriffe vorzugehen, wurden in den letzten Jahre eine Vielzahl an Abwehrmethoden vorgeschlagen, die meistens entweder auf Kontrollfluss-Integrität oder auf fortgeschrittenen Speicheradressen Randomisierungstechniken basieren.

In dieser Dissertation erforschen wir die Grenzen und Einschränkungen von existierenden Schutzmechanismen gegen ROP Angriffe und demonstrieren praktische Angriffe gegen kürzlich präsentierte Kontrollfluss-Integritätslösungen sowie Speicheradressen Randomisierungstechniken, die nicht selten mit nur minimalen Anforderungen angegriffen werden können. Insbesondere präsentieren wir einen neuartigen ROP Angriff, der ausschließlich indirekte Sprungbefehle missbraucht, um Detektion von Schutzmechanismen zu umgehen, die Integritätsprüfungen für Funktionsrücksprünge ausführen.

Um den Sicherheitsproblemen von vorhandenen Schutzmechanismen effektiv entgegenzutreten, stellen wir in dieser Dissertation die Konzepte und die Implementierungen von mehreren neuartigen Abwehrmethoden vor. Zuerst präsentieren wir eine allgemeine und fortgeschrittene Kontrollflussintegritäts-Lösung für mobile Geräte. Unsere Lösung ist kompatibel zu digitalen Code Signaturen, weil sie nur bereits verifizierten Code dynamisch im Adressspeicher um Integritätsprüfungen erweitert. Zudem erforschen wir einen neuen Hardware-basierten Ansatz zur Kontrollflussintegrität, der im Besonderen die Leistungseinbußen von existierenden Ansätzen löst. Unser Prototyp basiert auf der Intel-basierten Platform Siskiyou Peak, die besonders für eingebettete Systeme geeignet ist. Zuletzt erforschen wir fortgeschrittene Speicheradressen Randomisierungstechniken.