ÿþ© B r i t i s h C o m p u t e r S o c i e t y 2 0 0 1
C o m m e n t o n A F r a m e w o r k f o r
M o d e l l i n g T r o j a n s a n d C o m p u t e r
V i r u s I n f e c t i o n
E R K K I M Ä K I N E N
D e p a r t m e n t o f C o m p u t e r a n d I n f o r m a t i o n S c i e n c e s , P . O . B o x 6 0 7 ,
F I N - 3 3 0 1 4 U n i v e r s i t y o f T a m p e r e , F i n l a n d
E m a i l : e m @ c s . u t a . f i
W e ( r e - ) i n t r o d u c e a T u r i n g m a c h i n e m o d e l f o r c o m p u t e r v i r u s e s . D e s p i t e t h e r e c e n t c r i t i c i s m o f
T u r i n g m a c h i n e m o d e l s , t h e y e n j o y i m p o r t a n t a d v a n t a g e s : t h e i r w e l l - k n o w n n o t a t i o n a n d r i c h
t h e o r y m a k e t h e m e a s y t o u n d e r s t a n d a n d t o e l a b o r a t e . F o r m a n y n a t u r a l p r o b l e m s c o n c e r n i n g
c o m p u t e r v i r u s e s , e . g . f o r v a r i o u s d e c i d a b i l i t y p r o b l e m s , T u r i n g m a c h i n e m o d e l s p r o v i d e a s u i t a b l e
p l a t f o r m o f r e s e a r c h .
R e c e i v e d 2 4 N o v e m b e r 1 9 9 9 ; r e v i s e d 1 9 F e b r u a r y 2 0 0 1
1 . I N T R O D U C T I O N I n C o h e n s m o d e l t h e s e t o f v i r u s e s d e p e n d s o n t h e T M
o n w h i c h t h e y a r e i n t e r p r e t e d . I n o u r m o d i f i c a t i o n t h e s e t
T h i m b l e b y e t a l . [ 1 ] h a v e r e c e n t l y i n t r o d u c e d a f r a m e -
o f v i r u s e s d e p e n d s o n t h e r u l e s a c c o r d i n g t o w h i c h t h e
w o r k f o r m o d e l l i n g c o m p u t e r v i r u s e s a n d o t h e r m a l i c i o u s
d e s c r i p t i o n s o f T M s a r e w r i t t e n .
p r o g r a m s . T h e y a l s o c r i t i c i z e d t h e u s e o f T u r i n g m a c h i n e
( T M ) m o d e l s f o r t h e s a m e p u r p o s e . T h i s n o t e ( r e - ) i n t r o d u c e s
2 . T U R I N G M A C H I N E S
a u n i v e r s a l T u r i n g m a c h i n e ( U T M ) m o d e l w h i c h o r i g i n a l l y
W e a s s u m e a f a m i l i a r i t y w i t h T M s , d e c i d a b i l i t y a n d r e l a t e d
a p p e a r e d i n [ 2 ] a n d d i s c u s s e s i t s p r o p e r t i e s i n t h e l i g h t o f
t o p i c s a s g i v e n , e . g . , i n [ 4 ] , w h e r e u n e x p l a i n e d c o n c e p t s a r e
T h i m b l e b y e t a l . s c r i t i q u e . W e s h o w t h a t t h e i r p o i n t s a r e
t o b e f o u n d .
n o t v a l i d i n t h e c a s e o f m o d e l s u s i n g U T M s .
A T M i s a 7 - t u p l e M = ( Q , , , ´, q 0 , ², F ) , w h e r e
W e s h o w t h a t ( u n i v e r s a l ) T M s c a n s e r v e a s a b a s i s o f
a m o d e l i l l u s t r a t i n g t h e p r o p e r t i e s o f v i r u s e s a n d o t h e r
" Q i s t h e f i n i t e s e t o f s t a t e s ,
m a l i c i o u s p r o g r a m s . A n o b v i o u s b e n e f i t o f o u r m o d e l i s t h a t
" i s t h e f i n i t e s e t o f t a p e s y m b o l s ,
T M s a n d t h e i r p r o p e r t i e s a r e s o w i d e l y k n o w n . T h i s g i v e s
" ² i s a s p e c i a l s y m b o l i n , t h e b l a n k s y m b o l ,
a c o n s i d e r a b l e c o m p e t i t i v e a d v a n t a g e t o o u r m o d e l a n d
" , a s u b s e t o f n o t i n c l u d i n g ², i s t h e s e t o f i n p u t
c o m p e n s a t e s f o r t h e f a c t t h a t T M m o d e l s a r e a b i t c l u m s y .
s y m b o l s ,
A t y p i c a l m o d e l u s i n g T M s i s p r e s e n t e d b y C o h e n [ 3 ] .
" ´ i s t h e n e x t m o v e p a r t i a l f u n c t i o n f r o m Q × t o
T h e c o n c e p t o f v i r a l s e t s i s e s s e n t i a l i n t h e m o d e l . A v i r a l
Q × × { l e f t , r i g h t } ,
s e t i s a p a i r ( M , W ) w h e r e M i s a T M a n d W i s a s e t o f
" q 0 i n Q i s t h e s t a r t s t a t e a n d
s t r i n g s o v e r i t s t a p e a l p h a b e t . E a c h s t r i n g w i n W h a s t h e
" F , a s u b s e t o f Q , i s t h e s e t o f f i n a l s t a t e s .
p r o p e r t y t h a t w h e n M , b e i n g i n i t s s t a r t s t a t e , s t a r t s r e a d i n g
W e c a n s u p p o s e w i t h o u t l o s s o f g e n e r a l i t y t h a t T M s h a v e
w i t a l w a y s w r i t e s a n o t h e r s t r i n g w o f W t o s o m e w h e r e e l s e
a u n i q u e f i n a l s t a t e . T h e s t r u c t u r e o f M c a n b e e n t i r e l y
i n i t s t a p e . H e n c e , e a c h w i n W i s a v i r u s a n d w h e n M ( i . e .
d e s c r i b e d b y t h e s e t o f v a l i d m o v e s p r o v i d e d t h a t t h e s t a r t
a c o m p u t e r ) r e a d s i t , a n o t h e r v i r u s w i l l a p p e a r s o m e w h e r e
s t a t e a n d t h e f i n a l s t a t e c a n b e i n f e r r e d f r o m t h e e n c o d i n g
i n i t s t a p e ( i . e . i n i t s m e m o r y ) . C o h e n s m o d e l a l l o w s u s
u s e d .
t o d i r e c t l y a p p l y t h e w e l l - k n o w n u n d e c i d a b i l i t y r e s u l t s f o r
S u p p o s e t h e s t a t e s i n Q a n d t h e a l p h a b e t s i n a r e n a m e d
T M s , e . g . i t f o l l o w s f r o m t h e h a l t i n g p r o b l e m o f T M s t h a t
b y { q 1 , . . . , q n } a n d { a 1 , . . . , a m } , a n d t h e d i r e c t i o n s l e f t a n d
i t i s u n d e c i d a b l e w h e t h e r o r n o t a g i v e n p a i r ( M , { w } ) i s a
r i g h t a r e d e n o t e d b y d 1 a n d d 2 , r e s p e c t i v e l y . T h e n a m o v e
v i r a l s e t .
´( q i , a j ) = ( q k , a l , d m ) c a n b e e n c o d e d b y a b i n a r y s t r i n g
T h e s h o r t c o m i n g s o f C o h e n s m o d e l a r e d i s c u s s e d i n [ 2 ] .
M o s t o f t h e c r i t i q u e s o f T h i m b l e b y e t a l . [ 1 ] a r e a p p r o p r i a t e
0 i 1 0 j 1 0 k 1 0 l 1 0 m .
i n t h e c a s e o f C o h e n s m o d e l .
I n s t e a d o f a T M w e u s e t h e U T M a s a m o d e l o f a
A b i n a r y c o d e f o r a w h o l e T M i s
c o m p u t e r . V i r u s e s a r e t h e n d e s c r i p t i o n s o f T M s c a u s i n g
o t h e r d e s c r i p t i o n s t o b e w r i t t e n t o t h e t a p e o f t h e U T M . 1 1 1 c o d e 1 1 1 c o d e 2 1 1 . . . 1 1 c o d e p 1 1 1 ,
T H E C O M P U T E R J O U R N A L , V o l . 4 4 , N o . 4 , 2 0 0 1
3 2 2 E . M Ä K I N E N
w h e r e e a c h c o d e r , r = 1 , . . . , p , i s a n e n c o d i n g o f a m o v e T h e i r s e c o n d a r g u m e n t c o n c e r n s t h e o t h e r p r o g r a m s . I n
a c c o r d i n g t o ´ a n d p i s t h e n u m b e r o f s u c h m o v e s [ 4 ] . c o n v e n t i o n a l T M m o d e l s t h e r e a r e n o o t h e r p r o g r a m s t o
G i v e n t h e a b o v e c o d e f o r M a n d t h e i n i t i a l t a p e c o n t e n t s , b e i n f e c t e d . T h i s , o f c o u r s e , i s n o t a p r o b l e m i n U T M b a s e d
t h e U T M U i s c a p a b l e o f s i m u l a t i n g t h e c o m p u t a t i o n o f m o d e l s w h e r e t h e t a p e m a y c o n t a i n a n y n u m b e r o f p r o g r a m s ,
M . I t i s o b v i o u s t h a t t h e r e a r e e n c o d i n g s w h o s e s i m u l a t i o n n o r m a l p r o g r a m s a s w e l l v a r i o u s m a l i c i o u s o n e s .
p r o d u c e s o t h e r e n c o d i n g s h a v i n g t h i s s a m e p r o p e r t y t o t h e T h e t h i r d a r g u m e n t o f T h i m b l e b y e t a l . d e a l s w i t h s e l f -
t a p e o f U . a w a r e n e s s o f i n f e c t i o n : i t s h o u l d b e p o s s i b l e t o i n f e c t
a p r o g r a m s u c h t h a t i t c a n n o t t e l l t h a t t h e i n f e c t i o n h a s
h a p p e n e d , i . e . t h e r e l i a b l e j u d g e m e n t w h e t h e r o r n o t a
3 . W H A T I S A V I R U S ?
p r o g r a m i s i n f e c t e d d e p e n d s o n a n i n t e r n a l m e c h a n i s m t h a t i s
I n C o h e n s m o d e l a s t r i n g w ( a v i r u s ) i n W h a s t h e p r o p e r t y
n o t a f f e c t e d b y t h e i n f e c t i o n . M o r e s p e c i f i c a l l y , T h i m b l e b y
t h a t w h e n M , b e i n g i n i t s s t a r t s t a t e , s t a r t s r e a d i n g w i t
e t a l . f i n d i t p r o b l e m a t i c t h a t i n m o s t T M m o d e l s o f v i r u s
a l w a y s w r i t e s a n o t h e r s t r i n g w o f W t o s o m e w h e r e e l s e i n i t s
i n f e c t i o n t h e e f f e c t o f t h e v i r u s i s n o t v i s i b l e ; t h e r u n n i n g o f
t a p e . I n o u r m o d e l a c o m p u t e r v i r u s i s a d e s c r i p t i o n o f a T M
t h e p r o g r a m i s e i t h e r u n c h a n g e d o r i t b e c o m e s i n c o r r e c t .
w h o s e s i m u l a t i o n b y t h e U T M c a u s e s a n o t h e r d e s c r i p t i o n
A l t h o u g h t h i s c r i t i q u e h o l d s f o r t h e T M m o d e l s c i t e d
o f a v i r a l T M t o a p p e a r t o t h e t a p e o f t h e U T M . A v i r u s
i n [ 1 ] , t h e r e s h o u l d b e n o p r o b l e m s i n s h a r p e n i n g t h e
c a n a l s o m o d i f y e x i s t i n g T M s ( i . e . p r o g r a m s ) i n t h e t a p e .
T M m o d e l s i n t h i s r e s p e c t . C o n s i d e r a g a i n s t e p s 1 3
A s a n e x a m p l e ( s k e t c h ) , c o n s i d e r a T M T p e r f o r m i n g t h e
a b o v e . I n s t e p 3 ( a ) t h e i n f e c t e d T M j u m p s t o p e r f o r m
f o l l o w i n g t a s k s :
s o m e u n d e s i r a b l e a c t i v i t i e s . T h i s j u m p c a n b e e a s i l y m a d e
d e p e n d a b l e o n a c o n d i t i o n o u t s i d e t h e i n f e c t e d T M , e . g . o n
1 . f i n d a d e s c r i p t i o n o f s o m e o t h e r T M , s a y T , f r o m t h e
t h e c o n t e n t s o n a c e r t a i n t a p e p o s i t i o n . N o w t h e e f f e c t o f
t a p e ;
t h e i n f e c t i o n c a n v a r y i n d i f f e r e n t e x e c u t i o n s o f t h e i n f e c t e d
2 . i n s e r t a s p e c i a l s y m b o l i n t o t h e b e g i n n i n g o f t h e i n i t i a l
T M .
t a p e c o n t e n t s o f T ;
F o u r t h , T h i m b l e b y e t a l . s u g g e s t t h a t t h e m o d e l s h o u l d
3 . s u p p l e m e n t t h e e n c o d i n g o f T b y m o v e s h a v i n g t h e
a l l o w s e l f - r e p l i c a t i o n . L e e [ 5 ] h a s d e s c r i b e d a T M c a p a b l e o f
e f f e c t s d e s c r i b e d i n t h e i t e m s ( a ) ( c ) b e l o w ,
o u t p u t t i n g i t s o w n d e s c r i p t i o n ( s e e a l s o [ 6 , P r o b l e m 7 . 4 - 3 . ] ) .
S u c h a T M i s q u i t e s u f f i c i e n t f o r o u r p u r p o s e s . T h i m b l e b y
( a ) r e a d i n g t h e n e w s y m b o l f r o m t h e t a p e c a u s e s T
e t a l . f i n d i t r e s t r i c t i n g t h a t t h i s k i n d o f s e l f - r e p l i c a t i o n
t o e n t e r i n t o a n e w s u b s y s t e m o f s t a t e s ,
p r o p e r t y i s u p t o r e p r e s e n t a t i o n . W e d o n o t f i n d i t a s a
( b ) a c o p y o f T i s i n s e r t e d i n t o t h e d e s c r i p t i o n o f T ,
r e s t r i c t i o n . I t f a c t , t h e w h o l e m o d e l i s u p t o r e p r e s e n t a t i o n .
a n d
N a m e l y , w e f i x t h e r e p r e s e n t a t i o n f o r T M s a p p e a r i n g i n
( c ) t h e c o n t r o l i s r e t u r n e d t o t h e s t a r t s t a t e o f T a n d
t h e t a p e o f t h e U T M . A n o t h e r c o d i n g w o u l d e n d u p w i t h
t h e h e a d o f T i s m o v e d t o t h e f i r s t c e l l o f t h e
d i f f e r e n t k i n d s o f r e p r e s e n t a t i o n f o r a l l p a r t s o f t h e m o d e l .
o r i g i n a l t a p e c o n t e n t s .
T h e f i f t h a n d l a s t a r g u m e n t b y T h i m b l e b y e t a l . c o n c e r n s
T h i m b l e b y e t a l . [ 1 ] h a v e a f i n e r c l a s s i f i c a t i o n o f
t i m e a n d s p a c e r e q u i r e m e n t s . T h e y p o i n t o u t t h a t s o m e
m a l i c i o u s p r o g r a m s i n t h e i r m o d e l . W e c o u l d a l s o i n c r e a s e
v i r u s e s d o t h e i r d a m a g e b y c o n s u m i n g t i m e a n d s p a c e , a n d
t h e c o n c r e t e n e s s o f o u r T M m o d e l b y d e f i n i n g m a s q u e r a d e s ,
t h a t t h i s h a s n o c o n s e q u e n c e s i n T M m o d e l s w h e r e s p e e d
T r o j a n s e t c . H o w e v e r , t h e a p p r o p r i a t e l e v e l o f t h e m o d e l
a n d s p a c e a r e i m m a t e r i a l . A g a i n , t h i s i s a m a t t e r o f t h e l e v e l
d e p e n d s o n i t s a c t u a l u s e . I f w e a r e i n t e r e s t e d i n t h e b a s i c
o f a b s t r a c t i o n . T i m e a n d s p a c e r e q u i r e m e n t s f o r T M s c a n
u n d e c i d a b i l i t y r e s u l t s c o n c e r n i n g v i r u s e s a n d t h e i r d e t e c t i o n ,
b e d e f i n e d , b u t i t i s q u e s t i o n a b l e w h e t h e r t h e e f f e c t s o f s u c h
t h e p r e s e n t l e v e l i s s u f f i c i e n t .
v i r u s e s a r e m e a n i n g f u l t o m e a s u r e i n a n a b s t r a c t m o d e l .
I n w h a t f o l l o w s , w e s h o w t h a t c o n t r a r y t o T h i m b l e b y
e t a l . s c r i t i q u e [ 1 , S e c t i o n 2 ] , T M m o d e l s a r e u s e f u l i n
4 . C O N C L U D I N G R E M A R K S
m o d e l l i n g c o m p u t e r v i r u s e s .
T h e f i r s t a r g u m e n t o f T h i m b l e b y e t a l . c o n c e r n s t h e
l e v e l o f a b s t r a c t i o n i n T M m o d e l s , i . e . c o n c e p t s l i k e
W e h a v e ( r e - ) i n t r o d u c e d a u n i v e r s a l T M m o d e l f o r c o m p u t e r
m a s q u e r a d i n g a n d i n f e c t i o n a r e n o t p r e s e n t i n T M
v i r u s e s , a n d h a v e e v a l u a t e d i t s m e r i t s a g a i n s t t h e c r i t i q u e b y
m o d e l s . T h i s i s t r u e f o r e x i s t i n g m o d e l s , b u t t h e r e i s n o
T h i m b l e b y e t a l . T h e k e y c o n c e p t i s t h e l e v e l o f a b s t r a c t i o n .
r e a s o n p r e v e n t i n g u s s h a r p e n i n g t h e a b o v e m o d e l b a s e d o n
W h a t a r e y o u d o i n g w i t h y o u r m o d e l ? F o r m a n y p u r p o s e s ,
U T M s t o a n y l e v e l o f f i n e g r a n u l a r i t y .
e s p e c i a l l y i n c l u d i n g t h o s e r e l a t e d t o t h e b a s i c u n d e c i d a b i l i t y
S t e p s 1 3 a b o v e d e s c r i b e o n e p o s s i b l e w a y t o p e r f o r m
q u e s t i o n s c o n c e r n i n g c o m p u t e r v i r u s e s , t h e U T M m o d e l
i n f e c t i o n . M a s q u e r a d i n g , i n t u r n , i n v o l v e s a n a m i n g
d i s c u s s e d s e e m s t o b e q u i t e a p p r o p r i a t e .
c o n v e n t i o n o f p r o g r a m s . I n o u r c a s e , a n a m e o f a p r o g r a m
c o u l d b e a b i t s t r i n g i n i t s e n c o d i n g . M a s q u e r a d i n g m e a n s
A C K N O W L E D G E M E N T
t h a t t h e e n c o d i n g o f a m a l i c i o u s p r o g r a m c o n t a i n s t h e s a m e
b i t s t r i n g f a l s e l y n a m i n g t h e p r o g r a m . T h i s i s n o t d i f f i c u l t t o
i m p l e m e n t i n t h e t a p e o f a U T M i r r e s p e c t i v e o f t h e f u n c t i o n T h i s w o r k w a s s u p p o r t e d b y t h e A c a d e m y o f F i n l a n d
o f t h e T M c o n t a i n i n g t h e m a s q u e r a d i n g b i t s t r i n g . ( P r o j e c t 3 5 0 2 5 ) .
T H E C O M P U T E R J O U R N A L , V o l . 4 4 , N o . 4 , 2 0 0 1
C O M M E N T O N A F R A M E W O R K F O R M O D E L L I N G T R O J A N S A N D C O M P U T E R V I R U S I N F E C T I O N 3 2 3
R E F E R E N C E S
[ 4 ] H o p c r o f t , J . E . a n d U l l m a n , J . D . ( 1 9 7 9 ) I n t r o d u c t i o n t o
[ 1 ] T h i m b l e b y , H . W . , A n d e r s o n , S . O . a n d C a i r n s , P . ( 1 9 9 8 )
A u t o m a t a T h e o r y , L a n g u a g e s , a n d C o m p u t a t i o n . A d d i s o n -
A f r a m e w o r k f o r m o d e l l i n g T r o j a n s a n d c o m p u t e r v i r u s
W e s l e y , R e a d i n g , M A .
i n f e c t i o n . C o m p . J . , 4 1 , 4 4 4 4 5 8 .
[ 5 ] L e e , C . ( 1 9 6 3 ) T h e c o n s t r u c t i o n o f a s e l f - d e s c r i b i n g T u r i n g
[ 2 ] K a u r a n e n , K . a n d M ä k i n e n , E . ( 1 9 9 0 ) A n o t e o n C o h e n s
m a c h i n e . I n F o x , J . ( e d . ) , M a t h e m a t i c a l T h e o r y o f A u t o m a t a ,
f o r m a l m o d e l f o r c o m p u t e r v i r u s e s . A C M S I G S A C R e v . , 8 ,
p p . 1 5 5 1 6 4 . P o l y t e c h n i c , B r o o k l y n , N Y .
4 0 4 3 .
[ 6 ] M i n s k y , M . ( 1 9 7 2 ) C o m p u t a t i o n : F i n i t e a n d I n f i n i t e
[ 3 ] C o h e n , F . ( 1 9 8 9 ) C o m p u t a t i o n a l a s p e c t s o f c o m p u t e r v i r u s e s .
M a c h i n e s . P r e n t i c e - H a l l , L o n d o n .
C o m p . S e c u r i t y , 8 , 3 2 5 3 4 4 .
T H E C O M P U T E R J O U R N A L , V o l . 4 4 , N o . 4 , 2 0 0 1
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