基于聚類和新覆蓋信息的模糊測(cè)試改進(jìn)①

程 亮, 王化磊, 張 陽(yáng), 孫曉山

1(中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

2(中國(guó)科學(xué)院 軟件研究所 可信計(jì)算與信息保障實(shí)驗(yàn)室, 北京 100190)

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展, 軟件與我們的生活和工作的關(guān)系越來越密切. 然而軟件復(fù)雜的功能使得軟件中不可避免地存在漏洞. 在模糊測(cè)試首次被提出的論文[1]中提到“常用系統(tǒng)中可能會(huì)潛伏著嚴(yán)重的漏洞”. 比如: 2010年披露的震網(wǎng)蠕蟲漏洞[2]是第一種攻擊工業(yè)控制系統(tǒng)的病毒; 2015年6月, 三星被爆出了高危的輸入法漏洞. 該漏洞影響全球超過6億的三星手機(jī)用戶[3]. 2015年7月Android被爆出存在Stagefright高危漏洞, 約95%的安卓設(shè)備受到該漏洞影響[3].2020年8月, 研究人員發(fā)現(xiàn)CSP繞過漏洞(CVE-2020-6519[4]), 該漏洞使攻擊者可以完全繞過Chrome 73版至83版的CSP規(guī)則, 數(shù)十億的用戶可能會(huì)受到影響.

軟件安全一直是安全人員研究的重點(diǎn), 當(dāng)前主流的程序安全分析方法有: 污點(diǎn)分析、符號(hào)執(zhí)行、代碼審計(jì)和模糊測(cè)試等. 如何高效地發(fā)掘軟件可能存在的漏洞一直是這些主流安全分析方法研究的重點(diǎn).

污點(diǎn)分析技術(shù)[5]可以分為動(dòng)態(tài)污點(diǎn)分析和靜態(tài)污點(diǎn)分析, 靜態(tài)污點(diǎn)在無法獲取源代碼時(shí), 靜態(tài)污點(diǎn)分析的精確性將會(huì)大大降低. 動(dòng)態(tài)污點(diǎn)分析在運(yùn)行時(shí)具有很大的開銷, 難以實(shí)際分析規(guī)模較大的軟件. 符號(hào)執(zhí)行系統(tǒng)地探索許多可能的執(zhí)行路徑, 而不需要具體的輸入, 通過抽象地將輸入表示為符號(hào), 利用約束求解器來構(gòu)造可能滿足條件的輸入. 符號(hào)執(zhí)行的缺點(diǎn)是處理像循環(huán)這樣的語(yǔ)言結(jié)構(gòu)時(shí)可能會(huì)成倍地增加執(zhí)行狀態(tài)的數(shù)量, 從而出現(xiàn)路徑爆炸的問題[6-8]. 代碼審計(jì)是一種對(duì)源代碼的全面分析技術(shù), 但是代碼審計(jì)非常依賴安全人員自身的經(jīng)驗(yàn). 綜上分析, 符號(hào)執(zhí)行等方法雖然通過提取豐富的代碼細(xì)節(jié)達(dá)到程序分析的功能, 但是由于其效率等方面的原因, 在程序安全性分析方面存在較多的局限. 模糊測(cè)試[9]通過隨機(jī)變異種子或者基于規(guī)則生成種子對(duì)程序進(jìn)行測(cè)試. 模糊測(cè)試通常分為白盒模糊測(cè)試、灰盒模糊測(cè)試和黑盒模糊測(cè)試[10-13]. 白盒模糊測(cè)試提取程序詳細(xì)的運(yùn)行時(shí)信息, 但是開銷很大,總體效率很低. 黑盒模糊測(cè)試完全忽略了程序的內(nèi)在信息, 雖然具有較快的運(yùn)行速度, 但是準(zhǔn)確性很低, 總體漏洞發(fā)現(xiàn)能力較弱. 而灰盒模糊測(cè)試兼顧了兩者的優(yōu)勢(shì), 通過靜態(tài)代碼插樁的方式獲取程序運(yùn)行時(shí)覆蓋情況, 并用獲得的信息指導(dǎo)種子變異方式, 以盡快擴(kuò)大測(cè)試的覆蓋率, 相較于其他方法能夠更快地發(fā)現(xiàn)程序潛在的漏洞. 因此, 灰盒模糊測(cè)試已成為目前主流的模糊測(cè)試方法, 其中典型工具—AFL (American fuzzy loop)[14]已成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界進(jìn)行模糊測(cè)試的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)工具, 我們的工作也基于AFL實(shí)現(xiàn).

雖然灰盒模糊測(cè)試在發(fā)現(xiàn)漏洞方面具有一定的優(yōu)勢(shì). 但是其采用的隨機(jī)性算法具有極大的盲目性, 所以仍然存在進(jìn)一步改進(jìn)的空間.

現(xiàn)有的針對(duì)基于AFL灰盒模糊測(cè)試的改進(jìn)工具將全部或過多的能量集中非確定性變異階段, 加大了變異的盲目性, 使其難以求解復(fù)雜的條件約束;并且在種子能量分配階段忽視了種子探索新分支的能力, 使得過多的能量消耗在沒有價(jià)值的種子.

針對(duì)上述問題, 我們?cè)谀：郎y(cè)試工具AFL 2.52b進(jìn)行了改進(jìn), 通過對(duì)關(guān)鍵變異位置持續(xù)性變異和能量分配策略的優(yōu)化, 提高模糊測(cè)試發(fā)現(xiàn)程序覆蓋和程序潛在漏洞的能力, 我們的設(shè)計(jì)有以下幾個(gè)特點(diǎn):

1)提取有效變異位置. 在種子變異階段, 首先對(duì)種子執(zhí)行非確定性變異. 對(duì)于產(chǎn)生新覆蓋的非確定性變異種子, 我們提取變異的組合位置并認(rèn)為該組合位置中存在有效變異位置(我們定義變異后能夠產(chǎn)生有效新覆蓋的單一位置是有效變異位置), 再利用聚類算法確定組合變異中有效變異位置, 最后針對(duì)有效變異位置以及其后續(xù)位置進(jìn)行持續(xù)的細(xì)粒度變異.

2)利用新覆蓋信息評(píng)估種子. 對(duì)于每個(gè)發(fā)現(xiàn)新覆蓋的種子, 保留新發(fā)現(xiàn)覆蓋的信息. 在種子評(píng)分階段,根據(jù)種子的新覆蓋信息對(duì)種子進(jìn)行評(píng)分.

3)提取程序靜態(tài)信息. 模糊測(cè)試改進(jìn)往往是在缺少程序信息的前提下進(jìn)行的策略上的優(yōu)化, 這種優(yōu)化存在局限性; 而使用污點(diǎn)分析或者符號(hào)執(zhí)行等方式提取程序信息的方法[15-18], 往往因?yàn)榉治鲂瘦^低而影響模糊測(cè)試工具總體的效率. 因此我們提取了輕量級(jí)的程序靜態(tài)信息, 在模糊測(cè)試階段結(jié)合靜態(tài)信息對(duì)種子的能量分配策略進(jìn)行更加準(zhǔn)確的計(jì)算.

我們?cè)谥髁鞯哪：郎y(cè)試工具AFL的設(shè)計(jì)思路上完成了改進(jìn), 并實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)后的模糊測(cè)試工具AgileFuzz經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證, AgileFuzz能夠在相同的時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)更多的程序分支覆蓋, 并且能夠挖掘到新的程序漏洞.

2 背景

本節(jié)主要以AFL為例介紹典型灰盒模糊測(cè)試的工作流程以及路徑統(tǒng)計(jì)方式.

2.1 AFL工作流程

AFL主函數(shù)是一個(gè)條件為true的while循環(huán), 只有用戶主動(dòng)停止模糊測(cè)試工作, 測(cè)試才會(huì)結(jié)束. AFL的工作流程如圖1所示, 核心步驟如下: 1)待測(cè)目標(biāo)程序和程序的輸入文件作為AFL啟動(dòng)時(shí)的原始輸入, 初始輸入經(jīng)過運(yùn)行后會(huì)加入種子庫(kù)中參與后續(xù)的模糊測(cè)試. 2) AFL每次執(zhí)行測(cè)試, 都會(huì)從種子隊(duì)列中選擇1個(gè)種子, 根據(jù)該種子的執(zhí)行時(shí)間、種子大小、路徑覆蓋數(shù)量、執(zhí)行次數(shù)等進(jìn)行種子評(píng)分, 評(píng)分越高的種子在非確定性變異階段會(huì)進(jìn)行更多次的變異. 并且, AFL根據(jù)路徑不同保存了很多種子, 但是AFL會(huì)將單一分支執(zhí)行最快的種子標(biāo)記為favored, 在種子被選擇后, 不是favored標(biāo)記的種子會(huì)以較大的概率跳過執(zhí)行. 3)種子經(jīng)過變異后, 得到的新種子作為待測(cè)程序的輸入,AFL監(jiān)視每個(gè)種子執(zhí)行過程中程序是否發(fā)生崩潰, 如果待測(cè)程序發(fā)生崩潰, 則種子被保存在crash種子隊(duì)列. 4) AFL還記錄每個(gè)種子在程序執(zhí)行過程中的路徑覆蓋情況, 如果產(chǎn)生新的覆蓋則將種子加入正常樣本隊(duì)列, 然后參與后續(xù)的模糊測(cè)試工作.

圖1 AFL工作流程圖

2.2 AFL路徑統(tǒng)計(jì)方式

AFL通過插樁方式獲取程序運(yùn)行時(shí)的執(zhí)行路徑信息. 對(duì)于有源碼的程序, AFL在編譯程序時(shí)將插樁代碼插入程序的每個(gè)基本塊中, 具體流程如下: AFL在每個(gè)基本塊入口處插入0-65535范圍的隨機(jī)數(shù)以及特定功能的函數(shù)afl_maybe_log;如果程序執(zhí)行了該基本塊,afl_maybe_log函數(shù)會(huì)將插入基本塊的隨機(jī)數(shù)與前一個(gè)執(zhí)行的基本塊的隨機(jī)數(shù)進(jìn)行異或操作, 運(yùn)算的結(jié)果作為覆蓋信息寫入共享內(nèi)存. 共享內(nèi)存是一塊64 KB的內(nèi)存空間, 可以統(tǒng)計(jì)65 536條分支轉(zhuǎn)移信息, AFL不僅記錄分支轉(zhuǎn)移是否發(fā)生, 還會(huì)記錄分支轉(zhuǎn)移執(zhí)行的次數(shù), 因?yàn)橥粋€(gè)分支轉(zhuǎn)移, 可能因?yàn)椴煌膱?zhí)行次數(shù)出現(xiàn)不用的程序狀態(tài). 對(duì)于沒有源碼的程序, AFL使用運(yùn)行時(shí)插樁技術(shù)統(tǒng)計(jì)程序執(zhí)行路徑, 插樁的邏輯與靜態(tài)插樁方式相同.

3 方案設(shè)計(jì)

如圖2所示, 其中實(shí)線方框?yàn)锳FL的標(biāo)準(zhǔn)功能模塊, 使用虛線方框的部分是我們?cè)黾踊蚋倪M(jìn)的模塊, 主要包括3個(gè)部分: 第1部分是對(duì)模糊測(cè)試變異策略的改進(jìn), 第2部分是利用聚類算法確定關(guān)鍵變異位置, 第3部分是結(jié)合靜態(tài)分析和新覆蓋信息的種子評(píng)分策略調(diào)整.

圖2 改進(jìn)后的模糊測(cè)試工作流程

3.1 變異策略改進(jìn)

AFL在種子變異階段分為確定性變異和非確定性變異. 每個(gè)被選中的種子都會(huì)執(zhí)行一次確定性變異, 在確定性變異階段會(huì)對(duì)種子進(jìn)行比特位粒度的變異, 所以在確定性變異階段十分耗時(shí). 事實(shí)上, 種子的很多位置都是無效的變異位置, 即無論進(jìn)行何種變異都無法產(chǎn)生新的覆蓋. MOPT和EcoFuzz考慮到確定性變異耗時(shí), 所以選擇直接跳過了確定性變異, 但是只通過非確定性變異, 將會(huì)使得模糊測(cè)試變異更加盲目和隨機(jī).

(1) 確定種子關(guān)鍵變異位置. 在調(diào)整后的變異策略中, 種子變異階段只對(duì)種子的部分關(guān)鍵位置進(jìn)行確定性變異. 核心步驟是確定種子的關(guān)鍵位置. 具體來說,當(dāng)選中一個(gè)種子后, 首先進(jìn)行非確定性變異, 如果非確定性變異生成的種子訪問了新的分支覆蓋, 并不會(huì)在保存種子后直接進(jìn)行下一次變異操作, 而是分析產(chǎn)生該種子的變異過程. 通過分析, 可以確定組合變異位置中有效的變異位置, 而有效的變異位置將會(huì)記作新種子的關(guān)鍵位置.

(2) 選擇性確定性變異. 在確定關(guān)鍵位置w后, 變異前的種子和變異后的種子會(huì)針對(duì)關(guān)鍵位置進(jìn)行不同的變異操作. 對(duì)變異前的種子的w位置進(jìn)行與AFL相同的確定性變異, 對(duì)于記錄關(guān)鍵位置的新種子, 如果關(guān)鍵位置的字段長(zhǎng)度小于m個(gè)字節(jié), 那么當(dāng)該種子被選中進(jìn)行變異時(shí), 首先對(duì)該關(guān)鍵位置的后續(xù)n個(gè)位置進(jìn)行更加細(xì)粒度的確定性變異, 與AFL原有的確定性變異不同, 細(xì)粒度的確定性變異會(huì)將選中的位置(字節(jié))變異成所有可能的結(jié)果. 經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試, m和n的值取2時(shí), 總體效果較好.

3.2 聚類確定關(guān)鍵變異位置

關(guān)鍵位置的長(zhǎng)度直接影響變異的效率. 如果將產(chǎn)生新覆蓋的種子變異過程中的所有組合變異位置都看作關(guān)鍵位置, 然后對(duì)這些進(jìn)行確定性變異, 仍然存在較多的無效變異.

為了縮小關(guān)鍵位置的長(zhǎng)度, 使用聚類算法對(duì)離散的組合變異位置進(jìn)行聚類. 在文件結(jié)構(gòu)中, 字段是連續(xù)的一段內(nèi)容, 所以在一個(gè)文件中, 距離越近的位置越可能屬于同一字段. 如圖3所示, 文件A的組合變異M個(gè)位置(其中包括藍(lán)色標(biāo)記和紅色位置標(biāo)記的位置,而且紅色位置為關(guān)鍵變異位置)得到的種子B訪問了新的覆蓋, 對(duì)種子B變異的位置進(jìn)行聚類操作-將離散的變異位置聚類為N個(gè)字段, 根據(jù)N個(gè)字段生成N個(gè)新的種子, 每個(gè)新種子只有對(duì)應(yīng)字段的內(nèi)容與原文件不同. 如果種子Ni訪問了新的覆蓋, 那么Ni種子對(duì)應(yīng)的變異字段就是關(guān)鍵的變異字段.

圖3 對(duì)組合變異位置進(jìn)行聚類

為了完成變異位置聚類, 我們使用Meanshift算法.使用該算法的原因有兩點(diǎn): 1)該算法是基于密度的聚類算法, 2)聚類之前不需要指定類的數(shù)量. Meanshift算法的核心思想是通過不斷移動(dòng)樣本點(diǎn), 使其向密度更大的區(qū)域移動(dòng), 直到滿足某一條件, 此時(shí)該點(diǎn)就是樣本點(diǎn)的收斂點(diǎn), 收斂到同一點(diǎn)則被認(rèn)為屬于同一族類.對(duì)于變異位置p, 其偏移向量計(jì)算方式如式(1)所示,其中, pi表示所有變異位置點(diǎn)集中到p點(diǎn)距離小于l的所有點(diǎn).

聚類算法具體步驟如下:

1)隨機(jī)選擇未被分類的變異位置, 作為中心點(diǎn)P.

2)找出離中心點(diǎn)P距離L范圍的所有變異點(diǎn), 這些點(diǎn)記作集合M.

3)計(jì)算中心點(diǎn)P與集合M中所有點(diǎn)的向量, 將這些向量相加得到偏移向量M.

4)將中心點(diǎn)P加上向量M得到新的中心點(diǎn).

5)重復(fù)步驟2)-4), 直到偏移向量滿足設(shè)定的閾值,保存此時(shí)的中心點(diǎn).

6)重復(fù)步驟1)-5)直到所有點(diǎn)都完成分類.

7)根據(jù)每個(gè)類, 對(duì)每個(gè)點(diǎn)的訪問頻率, 取訪問頻率最大的那個(gè)類, 作為當(dāng)前點(diǎn)集的所屬類.

算法1. 基于聚類的確定性變異優(yōu)化方法輸入: 非確定性變異后產(chǎn)生新覆蓋的種子seed_son和變異前的種子seed輸出: 確定性變異產(chǎn)生的新覆蓋的種子1 diff_points=get_diff_point(seed, seed_son)2 cluster_points=cluster(diff_ponts)3 for cluster in cluster_points:4 seed_single_cluster=generate_seed_by_cluster(cluster):5 if(is_new_path(seed_single)):6 seeds_deter=deter_variate(cluster, seed):7 while seed_deter in seeds_deter:8 fuzzy_run(seed_deter)9 end while 10 end if 11 end for

3.3 新覆蓋與靜態(tài)分析進(jìn)行種子評(píng)分

在AFL的種子評(píng)分中, 會(huì)根據(jù)種子的總分支覆蓋數(shù)量進(jìn)行能量分配, 這種方式導(dǎo)致能量分配不合理. 我們調(diào)整種子評(píng)分策略, 將種子新發(fā)現(xiàn)的分支數(shù)量作為評(píng)分依據(jù). 并且我們對(duì)待測(cè)二進(jìn)制程序進(jìn)行靜態(tài)分析,提取基本塊轉(zhuǎn)移信息. 這樣做的目的是因?yàn)椴⒉皇敲總€(gè)分支轉(zhuǎn)移都存在潛在未發(fā)現(xiàn)的分支轉(zhuǎn)移.

如圖4所示, 對(duì)于每個(gè)基本塊轉(zhuǎn)移, 如: branch 1,我們記錄通過該分支轉(zhuǎn)移到達(dá)基本塊后, 可能存在的后續(xù)基本塊轉(zhuǎn)移, 即對(duì)于branch 1, 我們記錄branch 1-1和branch 1-2的信息, 我們把branch 1-1和branch 1-2記作分支branch 1的子分支轉(zhuǎn)移. 注意的是, 雖然基本塊是連續(xù)指令的集合, 但是branch 1-1或branch 1-2可能并不同時(shí)存在或都不存在. 這種情況發(fā)生在某基本塊子節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)超過一個(gè)時(shí), 其子節(jié)點(diǎn)即使只有一個(gè), 但是仍然是一個(gè)獨(dú)立的基本塊. 通過靜態(tài)分析, 我們可以得到每個(gè)基本塊轉(zhuǎn)移的子分支轉(zhuǎn)移, 如果某個(gè)分支的子分支轉(zhuǎn)移數(shù)量為2, 我們認(rèn)為該分支轉(zhuǎn)移對(duì)發(fā)現(xiàn)新覆蓋是有價(jià)值的, 將會(huì)對(duì)種子評(píng)分產(chǎn)生增益效果.

圖4 基本塊轉(zhuǎn)移示意圖

所以在種子評(píng)分階段, 具體步驟如下:

1) 對(duì)于待測(cè)程序, 通過靜態(tài)分析獲取每個(gè)基本塊轉(zhuǎn)移的子分支轉(zhuǎn)移信息, 保存在文件中, 在啟動(dòng)模糊測(cè)試測(cè)試時(shí), 該文件作為分支附加信息提供.

2) 對(duì)于每個(gè)新加入隊(duì)列的種子, 比較其分支覆蓋與總分支覆蓋的差異, 得到新發(fā)現(xiàn)的分支覆蓋數(shù)量和具體分支編號(hào).

3) 在種子評(píng)分階段, 計(jì)算種子分支覆蓋中是新覆蓋且對(duì)應(yīng)分支有兩個(gè)子分支的數(shù)量, 記作value_branch_num.

4) 種子A的評(píng)分使用式(2)進(jìn)行計(jì)算, 使用log函數(shù)是為了避免分支覆蓋數(shù)量對(duì)種子能量進(jìn)行成倍的增益, 并且經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證, ln函數(shù)作為計(jì)算種子能量總體實(shí)驗(yàn)效果較好. 根據(jù)公式可知, 當(dāng)種子的新覆蓋數(shù)量為0時(shí), 最低能量值為1.

4 實(shí)驗(yàn)評(píng)估

我們?cè)贏FL 2.52b的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)策略, 得到了改進(jìn)后的模糊測(cè)試工具AgileFuzz. 我們的評(píng)估主要回答下面4個(gè)問題:

1) 產(chǎn)生新覆蓋的非確定性變異的組合位置中是否存在關(guān)鍵位置? 如果存在, 存在的比例是多少? 對(duì)關(guān)鍵位置進(jìn)行確定性變異, 是否能夠發(fā)現(xiàn)新的覆蓋?

2) 與非確定性變異相比, 對(duì)聚類得到關(guān)鍵位置進(jìn)行細(xì)粒度持續(xù)變異如何能夠更快地發(fā)現(xiàn)新覆蓋?

3) AgileFuzz在實(shí)際程序中發(fā)現(xiàn)程序覆蓋的能力與現(xiàn)有的模糊測(cè)試改進(jìn)工具對(duì)比如何?

4) AgileFuzz是否能夠發(fā)現(xiàn)真實(shí)程序程序中的漏洞?

4.1 “關(guān)鍵位置”分析與統(tǒng)計(jì)

非確定性變異階段對(duì)種子的隨機(jī)組合位置進(jìn)行變異, 變異后的種子產(chǎn)生新覆蓋可能有兩個(gè)原因: 1)組合變異產(chǎn)生新覆蓋, 單一位置變異并不能產(chǎn)生; 2)組合變異中, 變異了“關(guān)鍵位置”, 而且即使只變異該位置, 也可以產(chǎn)生新覆蓋. 其中, 我們稱這種“關(guān)鍵位置”為單一有效變異位置. 我們統(tǒng)計(jì)在模糊測(cè)試過程中, 產(chǎn)生新覆蓋的非確定性變異包括多少“關(guān)鍵位置”以及針對(duì)“關(guān)鍵位置”變異仍然能夠產(chǎn)生新覆蓋的數(shù)量. 實(shí)驗(yàn)測(cè)試選擇libxml2 (xmllint)、binutils (readelf)和harfbuzz(test)這3組程序, 這3組程序常用作模糊測(cè)試工具的測(cè)評(píng), 比較具有代表性. 在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下, 對(duì)3個(gè)程序進(jìn)行3組重復(fù)性實(shí)驗(yàn), 每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行72 h, 最終取平均結(jié)果. 統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示, 從結(jié)果中可以看出, 產(chǎn)生新覆蓋的非確定性變異次數(shù)中, 具有“關(guān)鍵位置”的非確定性變異比例較高(分別為59%、45%和36%), 并且90%以上的“關(guān)鍵位置”經(jīng)過確定性變異后仍然能夠產(chǎn)生新覆蓋.

4.2 新覆蓋發(fā)現(xiàn)效率的分析

在本小節(jié), 我們解釋為什么針對(duì)“關(guān)鍵位置”進(jìn)行細(xì)粒度變異相比非確定性變異能夠更快地發(fā)現(xiàn)新覆蓋.我們以libxml2的xmllint程序?yàn)槔? 將我們的模糊測(cè)試工具AgileFuzz與AFL 2.52b、關(guān)閉確定性變異的AFL 2.52b -d以及關(guān)閉確定性變異的模糊測(cè)試改進(jìn)工具EcoFuzz進(jìn)行24 h實(shí)驗(yàn)比較, 覆蓋率對(duì)比結(jié)果如圖5所示, 圖中可以看出AgileFuzz在相同的時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)了更多的路徑. 我們將對(duì)這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的分析,并展示我們的模糊測(cè)試工具的優(yōu)勢(shì).

圖5 xmllint程序覆蓋率對(duì)比

為了分析覆蓋率差異, 我們使用afl-cov[19]分析4個(gè)模糊測(cè)試工具所發(fā)現(xiàn)的程序覆蓋的差異. 分析結(jié)果顯示, AgileFuzz不僅發(fā)現(xiàn)了EcoFuzz等工具所發(fā)現(xiàn)的全部程序代碼, 還發(fā)現(xiàn)了更多的難以發(fā)現(xiàn)的程序代碼.其中hash.c文件的代碼, AgileFuzz覆蓋率為56.3%,而EcoFuzz等工具為0%, 這是導(dǎo)致程序覆蓋率出現(xiàn)較大差異的主要原因. 我們進(jìn)一步分析產(chǎn)生現(xiàn)象的原因,通過程序分析發(fā)現(xiàn)如圖6所示的調(diào)用序列以及條件判斷. 這里簡(jiǎn)單介紹一下CMP9函數(shù), 這是xmllint實(shí)現(xiàn)的定長(zhǎng)字符串匹配宏定義, 與C語(yǔ)言自帶的strcmp函數(shù)不同的是, “<”和“

圖6 xmllint程序hash.c調(diào)用依賴

EcoFuzz通過24 h的變異無法產(chǎn)生滿足條件約束的字符串-“

AgileFuzz在通過非確定性變異產(chǎn)生了包含字符串“<**”種子時(shí), 觸發(fā)了cmp9函數(shù)新的覆蓋, 此時(shí)AgileFuzz利用聚類算法確定單一有效變異位置, 確定新覆蓋是由于變異了“<”字符所在的位置. 保存的新種子記錄了關(guān)鍵位置, 能夠?qū)﹃P(guān)鍵位置的后繼位置進(jìn)行持續(xù)性的細(xì)粒度變異, 從而保證了產(chǎn)生“

圖7 種子變異過程

4.3 程序覆蓋率對(duì)比

為了驗(yàn)證我們改進(jìn)的模糊測(cè)試工具AgileFuzz在通用程序上的測(cè)試效果, 我們與近年來效果比較好的Eco-Fuzz、AFLFast以及原始的AFL 2.52b進(jìn)行了實(shí)驗(yàn), 實(shí)驗(yàn)以覆蓋率作為對(duì)比指標(biāo), 選擇了libxml2、binutils等常用的程序作為測(cè)試對(duì)象. 在相同的硬件和軟件環(huán)境中進(jìn)行了3次實(shí)驗(yàn), 每次實(shí)驗(yàn)的時(shí)間為72 h, 3次實(shí)驗(yàn)的覆蓋率的平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 然后計(jì)算覆蓋率對(duì)比圖, 如圖8所示. 通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比可以看出, AgileFuzz能夠更快地發(fā)現(xiàn)程序的覆蓋, 并且在不同的程序中效果較為穩(wěn)定.

圖8 多個(gè)程序72 h的覆蓋率比較

4.4 漏洞挖掘能力

如表2所示, 為體現(xiàn)工具的普適性, 我們使用Agile-Fuzz對(duì)字體解析、html解析等多種類型的程序進(jìn)行漏洞挖掘工作, 如: fontforge、harfbuzz、htmlcss、ffjpeg等軟件, 在挖掘工作中發(fā)現(xiàn)了大量的未知漏洞, 經(jīng)過分析確定了漏洞類型, 并將漏洞崩潰樣本以及漏洞分析結(jié)果反饋給作者. 通過在實(shí)際程序中發(fā)現(xiàn)的未知漏洞,證明了AgileFuzz具有發(fā)現(xiàn)實(shí)際程序漏洞的能力.

表2 程序漏洞挖掘結(jié)果統(tǒng)計(jì)

5 相關(guān)工作

國(guó)際很多研究工作都針對(duì)AFL進(jìn)行了改進(jìn). 這些針對(duì)AFL的改進(jìn)主要在種子變異、能量分配方面進(jìn)行了改進(jìn)[20-23], 在確定性變異改進(jìn)方面, FairFuzz[21]根據(jù)是否包括稀有分支跳過部分確定性變異, MOPT[22]詳細(xì)分析了確定性變異效率低對(duì)變異的影響, 并只保留了極少數(shù)的確定性變異, EcoFuzz[19]直接跳過了所有的確定性變異. 在種子評(píng)分改進(jìn)方面, AFLFast[20]使用馬爾科夫鏈對(duì)種子能量分配進(jìn)行建模, 被選次數(shù)更多的和被執(zhí)行次數(shù)較少的種子分配的能量較高. EcoFuzz[19]使用多臂老虎機(jī)對(duì)模糊測(cè)試進(jìn)行更準(zhǔn)確的建模以完成能量分配. 但是這些模糊測(cè)試改進(jìn)存在以下兩個(gè)問題:

1)變異更加盲目和隨機(jī). 這些模糊測(cè)試工具認(rèn)為確定性變異效率較低, 采取的策略是直接跳過全部或大部分確定性變異, 但是只保留非確定性變異的模糊測(cè)試在對(duì)種子進(jìn)行變異時(shí)更加盲目和隨機(jī), 無法對(duì)產(chǎn)生新覆蓋的變異位置進(jìn)行持續(xù)的變異.

2)忽視了種子產(chǎn)生的新分支覆蓋數(shù)量對(duì)模糊測(cè)試的影響. 種子評(píng)分階段根據(jù)種子大小、種子運(yùn)行速度和種子總分支覆蓋數(shù)量對(duì)種子進(jìn)行評(píng)分, 但是總分支覆蓋數(shù)量越多的種子新發(fā)現(xiàn)的分支覆蓋數(shù)量并不一定越多, 所以新分支數(shù)量多的種子評(píng)分可能很低, 這導(dǎo)致模糊測(cè)試將大量的能量消耗在已經(jīng)經(jīng)過多次變異的分支覆蓋, 發(fā)現(xiàn)新覆蓋的能力受到限制, 并且作為影響種子評(píng)分的分支信息缺少程序的靜態(tài)分析.

6 結(jié)束語(yǔ)

模糊測(cè)試是一種高效的漏洞挖掘工具, 能夠發(fā)現(xiàn)程序真實(shí)的漏洞. 本文設(shè)計(jì)了一種基于聚類算法和新覆蓋的模糊測(cè)試改進(jìn)工具, 能夠針對(duì)單一有效位置進(jìn)行持續(xù)性細(xì)粒度變異, 并且利用待測(cè)程序的靜態(tài)分析結(jié)果與新覆蓋信息結(jié)合對(duì)種子評(píng)分進(jìn)行調(diào)整, 使得更多的能量分配給新分支, 降低了變異的盲目性. 總體來看, 我們的改進(jìn)取得了較好的效果.模糊測(cè)試仍然存在很多的工作需要進(jìn)一步研究, 在將來的工作中, 我們將研究如何針對(duì)程序的長(zhǎng)字符串和整數(shù)匹配進(jìn)行拆分,提高針對(duì)關(guān)鍵位置進(jìn)行細(xì)粒度變異的適用性和效率.