A Hypothesis-Based Approach to Digital Forensic Investigations (Brian D. Carrier)
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CERIAS Tech Report 2006-06 A HYPOTHESIS-BASED APPROACH TO DIGITAL FORENSIC INVESTIGATIONS by Brian D. Carrier Center for Education and Research in Information Assurance and Security, Purdue University, West Lafayette, IN 47907-2086 A HYPOTHESIS-BASED APPROACH TO DIGITAL FORENSIC INVESTIGATIONS A Thesis Submitted to the Faculty of Purdue University by Brian D. Carrier In Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy May 2006 Purdue University West Lafayette, Indiana ii To my parents, Gerry and Suzanne. iii ACKNOWLEDGMENTS I would first like to thank my advisor, Eugene Spafford (spaf). His advice and guidance helped to shape and direct this work. I would also like to thank my com- mittee for their helpful ideas and comments: Cristina Nita-Rotaru, Sunil Prabhakar, Marc Rogers, and Sujeet Shenoi (University of Tulsa). The Center for Education and Research in Information Assurance and Security (CERIAS) provided me with a great environment and the resources needed to complete this work and my appreciation goes to the faculty and staff. Thanks to the many people in the digital forensics community that have assisted me over the years. Special thanks to Dan Kalil, Chet Maciag, Gary Palmer, and others at the Air Force Research Labs for the creation of the annual Digital Foren- sic Research Workshop (DFRWS). This work is based on concepts from the initial DFRWS Research Roadmap and the framework discussions at DFRWS 2004 helped to direct this work. Simson Garfinkel provided many helpful comments during his review of this document. Lastly, thanks to my family. My parents have always supported my endeavors (and gently guided me towards a degree in engineering instead of one in music). Enormous appreciation goes to my wife Jenny for being my best friend, moving back to West Lafayette from Boston, and being extra understanding during the final months of this process. iv TABLE OF CONTENTS Page LIST OF TABLES : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : viii LIST OF FIGURES : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : ix SYMBOLS : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : xii ABSTRACT : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : xvii 1 Introduction : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 1.1 Motivation : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 1.2 Related Work : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 4 1.2.1 Computation Models : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 4 1.2.2 Digital Investigation Definitions : : : : : : : : : : : : : : : : : 5 1.2.3 Digital Investigation Process Models : : : : : : : : : : : : : : 6 1.3 A Hypothesis-Based Approach : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 11 1.3.1 Scientific Hypotheses : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 13 1.4 Thesis Statement and Outline of Dissertation : : : : : : : : : : : : : 14 2 Ideal and Inferred Computer History Models : : : : : : : : : : : : : : : : : 16 2.1 An Object's History : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 16 2.2 General Model Concepts : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 17 2.3 The Ideal Primitive History : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 20 2.3.1 Primitive State History : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 22 2.3.2 Primitive Event History : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 28 2.3.3 Primitive History Model Proofs : : : : : : : : : : : : : : : : : 32 2.4 The Ideal Complex History : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 33 2.4.1 Overview : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 33 2.4.2 Complex State History : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 37 2.4.3 Complex Event History : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 43 v Page 2.4.4 Complex History Model Proofs : : : : : : : : : : : : : : : : : 47 2.5 The Inferred History : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 49 2.5.1 Inferred Primitive History : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 50 2.5.2 Inferred Complex History : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 52 3 Scientific Digital Investigation Process : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 55 3.1 Overview : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 55 3.2 Observation Phase : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 57 3.2.1 Direct and Indirect Observations : : : : : : : : : : : : : : : : 58 3.2.2 Observation Zones : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 59 3.2.3 State Preservation : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 61 3.3 Hypothesis Formulation Phase : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 63 3.4 Prediction Phase : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 65 3.4.1 Searching the Inferred History : : : : : : : : : : : : : : : : : : 66 3.5 Testing and Searching Phase : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 68 4 Categories and Classes of Analysis Techniques : : : : : : : : : : : : : : : : 70 4.1 Primitive History Categories : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 71 4.1.1 History Duration Category : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 71 4.1.2 Primitive Storage System Configuration Category : : : : : : : 73 4.1.3 Primitive Event System Configuration Category : : : : : : : : 77 4.1.4 Primitive State and Event Definition Category : : : : : : : : 80 4.2 Complex History Categories : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 89 4.2.1 Complex Storage System Configuration Category : : : : : : : 90 4.2.2 Complex Event System Configuration Category : : : : : : : : 94 4.2.3 Complex State and Event Definition Category : : : : : : : : : 98 4.3 Completeness of Categories : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 111 4.4 Category and Class Dependencies : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 114 4.5 Examples : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 116 4.5.1 File Searching : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 116 vi Page 4.5.2 Image Searching : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 117 4.5.3 Event Occurrence : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 118 4.6 Related Work : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 120 4.6.1 Program Understanding : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 120 4.6.2 Decompiling : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 120 4.6.3 User-level Events : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 121 4.6.4 Automated Event Hypothesis and Prediction Formulation : : 122 4.6.5 Digital Event Reconstruction : : : : : : : : : : : : : : : : : : 124 4.6.6 Analysis Layers : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 126 5 Application to Practice : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 128 5.1 Process Models : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 128 5.1.1 NIJ Electronic Crime Scene Model : : : : : : : : : : : : : : : 128 5.1.2 Integrated Digital Investigation Process Model : : : : : : : : : 130 5.2 Existing Investigation Tools : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 130 5.3 Trusted Software and Hardware : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 133 5.4 Forensic Science Concepts : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 135 5.4.1 Transfer : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 135 5.4.2 Identification : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 137 5.4.3 Classification : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 138 5.4.4 Individualization : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 139 5.4.5 Association : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 140 5.4.6 Reconstruction : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 141 5.5 Daubert Guidelines : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 141 5.6 Software Debugging : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 142 6 Summary : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 144 6.1 Accomplishments : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 144 6.2 Implications of Work : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 145 6.3 Future Directions : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 148 vii Page 6.3.1 Certainty Values : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 149 6.3.2 Event and State Logging Devices : : : : : : : : : : : : : : : : 150 6.3.3 Complex Event Database : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 152 6.3.4 Partitioned Systems : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 153 LIST OF REFERENCES : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 154 A 4-bit Simulator Reconstruction : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 163 VITA : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 169 viii LIST OF TABLES Table Page A.1 The possible events and their probability after reconstructing one time step from a known state. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 165 A.2 A final state was used to reconstruct the possible histories that could result in this state. This table shows the results from seven time steps and includes time step, the total number of possible histories, and the number of unique histories. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 167 ix LIST OF FIGURES Figure Page 1.1 The NIJ Electronic Crime Scene Guide has a process with five phases in it for a digital investigation. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 7 1.2 The Integrated Digital Investigation Process Model has five phases in it the Digital Crime Scene Investigation that are based on a physical