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[16981] 2021-07-03_模糊测试探索者之路

文档创建者：s7ckTeam
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最后更新：2025-01-18
2021-07-03_模糊测试探索者之路 模 糊 测 试 探 索 者 之 路 姜 宇   F r e e B u f   2 0 2 1 - 0 7 - 0 3 模 糊 测 试 探 索 者 姜 宇 ： 由 于 分 布 式 系 统 固 有 的 复 杂 性 ， 保 障 分 布 式 系 统 安 全 充 满 挑 战 ； 模 糊 测 试 是 具 有 良 好 扩 模 糊 测 试 探 索 者 姜 宇 ： 由 于 分 布 式 系 统 固 有 的 复 杂 性 ， 保 障 分 布 式 系 统 安 全 充 满 挑 战 ； 模 糊 测 试 是 具 有 良 好 扩 展 性 、 适 用 性 以 及 高 准 确 率 的 漏 洞 挖 掘 技 术 ； 模 糊 测 试 在 分 布 式 系 统 上 的 应 用 还 存 在 局 限 性 ； 解 决 高 效 模 糊 测 展 性 、 适 用 性 以 及 高 准 确 率 的 漏 洞 挖 掘 技 术 ； 模 糊 测 试 在 分 布 式 系 统 上 的 应 用 还 存 在 局 限 性 ； 解 决 高 效 模 糊 测 试 三 大 关 键 挑 战 为 国 产 数 据 库 软 件 安 全 保 驾 护 航 。 试 三 大 关 键 挑 战 为 国 产 数 据 库 软 件 安 全 保 驾 护 航 。   本 文 转 自 公 众 号 ： 网 络 空 间 安 全 之 路 本 文 转 自 公 众 号 ： 网 络 空 间 安 全 之 路 0 1   分 布 式 系 统 安 全 保 障 充 满 挑 战 性 分 布 式 系 统 安 全 保 障 充 满 挑 战 性 分 布 式 系 统 安 全 是 软 件 安 全 中 尤 为 重 要 的 一 个 分 支 。 作 为 基 础 软 件 中 的 重 要 组 成 部 分 ， 具 有 高 可 用 性 的 分 布 式 系 统 往 往 是 关 键 系 统 的 实 现 方 式 。 然 而 ， 分 布 式 系 统 安 全 的 形 势 并 不 容 乐 观 。 2 0 1 9   年 以 来 ， 在 我 国 境 内 大 量 使 用 的 M o n g o D B   , E l a s t i c s e a r c h   , 数 据 库 相 继 曝 出 存 在 严 重 安 全 漏 洞 ， 可 能 导 致 数 据 泄 露 风 险   ， 对 我 国 的 软 件 安 全 造 成 了 严 重 的 隐 患 。 由 于 分 布 式 系 统 固 有 的 复 杂 性 ， 保 障 分 布 式 系 统 安 全 也 充 满 了 挑 战 由 于 分 布 式 系 统 固 有 的 复 杂 性 ， 保 障 分 布 式 系 统 安 全 也 充 满 了 挑 战 。 虽 然 分 布 式 架 构 提 供 了 全 面 、 可 拓 展 、 鲁 棒 的 服 务 ， 额 外 的 复 杂 性 也 作 为 一 个 副 作 用 被 引 入 系 统 。 以 数 据 库 管 理 系 统 为 例 ， 以 库 模 式 运 行 的   S Q L i t e   以 单 个 源 文 件 分 发 ， 并 且 只 被 报 告 了 约   7 0 0   个 缺 陷   。 与 之 对 应 的 分 布 式 系 统   P o s t g r e S Q L   却 具 有 上 百 万 行 源 码 ， 并 有 着 超 过 1 6 , 0 0 0   个 缺 陷 。 在 如 此 庞 大 的 代 码 库 中 ， 确 保 分 布 式 系 统 的 正 确 性 十 分 复 杂 。 一 方 面 ， 开 发 人 员 仍 然 手 动 编 写 集 成 测 试 和 回 归 测 试 ， 这 些 测 试 方 法 费 时 费 力 ， 尚 且 不 足 以 涵 盖 大 多 数 基 本 情 况 ， 更 不 用 说 更 可 能 出 现 错 误 的 边 缘 案 例 了 。 另 一 方 面 ， 自 动 化 工 具 确 实 改 善 了 现 状 ， 但 存 在 限 制 ： 形 式 化 方 法 可 以 验 证 分 布 式 系 统 ， 但 只 能 在 设 计 层 面 验 证 ； 缺 陷 注 入 可 以 检 查 安 全 性 ， 但 却 无 法 检 测 其 他 类 型 的 重 要 属 性 ； 静 态 分 析 则 往 往 报 告 过 多 错 误 ， 因 此 开 发 人 员 依 然 需 要 逐 一 确 认 是 否 为 误 报 。 0 2   广 泛 使 用 的 模 糊 测 试 技 术 广 泛 使 用 的 模 糊 测 试 技 术 模 糊 测 试 是 一 种 漏 洞 挖 掘 技 术 ， 它 通 常 将 无 效 的 ， 非 预 期 的 或 随 机 的 数 据 作 为 目 标 程 序 的 输 入 ， 通 过 监 控 异 常 来 发 现 软 件 的 安 全 问 题 。 模 糊 测 试 最 早 出 现 在 1 9 8 9 年 ， M i l l e r 教 授 和 他 的 团 队 开 发 了 第 一 个 基 础 的 模 糊 测 试 工 具 来 测 试 U N I X 应 用 的 鲁 棒 性 。 相 比 起 其 他 测 试 技 术 ， 模 糊 测 试 具 有 良 好 的 扩 展 性 和 适 用 性 。 它 不 需 要 用 户 对 测 试 对 象 有 太 多 的 相 比 起 其 他 测 试 技 术 ， 模 糊 测 试 具 有 良 好 的 扩 展 性 和 适 用 性 。 它 不 需 要 用 户 对 测 试 对 象 有 太 多 的 了 解 ， 具 有 极 高 的 准 确 率 ， 同 时 便 于 大 规 模 的 部 署 了 解 ， 具 有 极 高 的 准 确 率 ， 同 时 便 于 大 规 模 的 部 署 。 目 前 模 糊 测 试 已 被 广 泛 使 用 在 包 括 华 为 ， 微 软 和 谷 歌 在 内 的 许 多 公 司 中 ， 并 发 现 了 大 量 的 软 件 缺 陷 和 安 全 漏 洞 。 从 待 测 对 象 上 讲 ， 输 入 生 成 会 采 用 不 同 的 策 略 ， 包 括 面 向 文 件 格 式 ， 面 向 协 议 和 面 向 内 核 的 模 糊 测 试 从 待 测 对 象 上 讲 ， 输 入 生 成 会 采 用 不 同 的 策 略 ， 包 括 面 向 文 件 格 式 ， 面 向 协 议 和 面 向 内 核 的 模 糊 测 试 。 由 于 大 多 数 应 用 软 件 都 涉 及 文 件 处 理 ， 模 糊 测 试 被 广 泛 用 于 查 找 这 些 应 用 程 序 的 错 误 。 大 多 数 关 于 模 糊 测 试 的 研 究 主 要 集 中 在 文 件 格 式 模 糊 测 试 上 ， 一 系 列 模 糊 测 试 工 具 被 提 出 ， 包 括 P e a c h ,   A F L 及 其 扩 展 。 协 议 的 安 全 问 题 可 能 比 本 地 应 用 程 序 造 成 更 严 重 的 危 害 ， 比 如 造 成 拒 绝 服 务 和 信 息 泄 露 等 等 。 针 对 其 特 点 ， 面 向 协 议 的 模 糊 测 试 通 过 伪 造 数 据 包 来 测 试 处 理 程 序 ， 其 中 一 个 代 表 性 的 模 糊 测 试 工 具 为 S P I K E 。 对 于 面 向 内 核 的 模 糊 测 试 ， 主 要 的 挑 战 在 于 捕 捉 崩 溃 和 与 内 核 进 行 交 互 。 内 核 模 糊 测 试 一 般 通 过 随 机 调 用 具 有 随 机 生 成 参 数 值 的 内 核 A P I 函 数 来 进 行 。 许 多 基 于 覆 盖 的 模 糊 测 试 工 具 被 适 配 到 内 核 上 ， 包 括 S y z k a l l e r ,   T r i f o r c e A F L 和 k A F L 。 从 产 生 测 试 用 例 的 方 法 上 讲 ， 模 糊 测 试 可 以 分 为 从 产 生 测 试 用 例 的 方 法 上 讲 ， 模 糊 测 试 可 以 分 为 “ 基 于 生 成 基 于 生 成 ” 和 和 “ 基 于 变 异 基 于 变 异 ” 两 种 类 别 两 种 类 别 。 基 于 生 成 的 模 糊 测 试 通 常 针 对 接 受 高 度 结 构 化 输 入 的 程 序 （ 比 如 S Q L 和 J a v a S c r i p t ） 。 此 方 法 需 要 用 户 对 被 测 试 系 统 有 较 强 的 领 域 知 识 ， 事 先 获 取 或 合 成 生 成 语 法 ， 并 针 对 每 一 种 规 范 开 发 相 应 的 模 糊 测 试 工 具 。 但 这 种 方 法 既 需 要 大 量 的 人 工 参 与 ， 又 难 以 保 证 测 试 的 覆 盖 率 。 P e a c h 是 一 个 利 用 输 入 建 模 的 生 成 式 模 糊 测 试 工 具 。 它 通 过 建 立 描 述 输 入 格 式 的 数 据 模 型 来 生 成 测 试 用 例 。 基 于 变 异 的 模 糊 测 试 工 具 通 过 不 断 的 变 异 现 有 的 输 入 来 创 造 新 的 测 试 用 例 。 例 如 ， z z u f 是 早 期 的 基 于 变 异 的 模 糊 测 试 工 具 ， 它 通 过 随 机 的 翻 转 输 入 中 的 某 些 位 来 对 测 试 用 例 进 行 修 改 。 目 前 大 部 分 流 行 模 糊 测 试 工 具 都 是 基 于 变 异 生 成 测 试 用 例 的 ， 例 如 A F L ,   l i b F u z z e r 和 h o n g g f u z z 等 。 随 机 的 变 异 常 常 会 产 生 许 多 无 用 的 测 试 用 例 ， 特 别 是 对 于 复 杂 的 程 序 。
现 代 的 软 件 规 模 越 来 越 庞 大 ， 需 要 解 析 的 数 据 结 构 越 来 越 复 杂 ， 执 行 的 逻 辑 也 越 来 越 繁 琐 ， 这 都 增 大 了 漏 洞 产 生 的 可 能 性 。 而 使 用 随 机 变 异 方 法 的 盲 目 模 糊 策 略 通 常 会 导 致 大 量 无 效 的 测 试 用 例 ， 因 而 造 成 较 低 的 模 糊 测 试 效 率 。 为 了 提 升 模 糊 测 试 的 效 率 ， 实 际 运 用 中 通 常 将 模 糊 测 试 并 行 化 和 导 向 化 。 0 3   分 布 式 系 统 模 糊 测 试 初 探 分 布 式 系 统 模 糊 测 试 初 探 由 于 模 糊 测 试 的 高 度 有 效 性 ， 开 发 人 员 对 模 糊 测 试 进 行 了 初 步 探 索 ， 从 而 将 模 糊 测 试 应 用 于 分 布 式 系 统 。 首 先 ， 研 究 者 尝 试 剥 离 分 布 式 系 统 所 使 用 的 基 础 库 ， 从 而 进 行 单 进 程 测 试 。 由 于 基 础 库 的 依 赖 性 很 少 ， 很 容 易 进 行 模 糊 测 试 。 例 如 ， 域 名 解 析 是 分 布 式 系 统 中 的 一 项 基 本 任 务 ， 研 究 者 通 过 模 糊 测 试   G o l a n g   中 的   D N S   解 析 器 ， 发 现 了 数 十 个 缺 陷 。 其 次 ， 研 究 者 尝 试 将 分 布 式 系 统 进 行 切 片 。 领 域 专 家 详 细 调 研 目 标 系 统 ， 并 通 过 搭 建 脚 手 架 ， 在 代 码 中 添 加   M o c k   组 件 ， 从 而 将 代 码 拆 分 出 多 个 独 立 组 件 。 此 时 ， 每 个 组 件 可 以 在 单 进 程 中 进 行 模 糊 测 试 。 例 如 ， 开 发 人 员 没 有 将 谷 歌 浏 览 器 作 为 一 个 整 体 进 行 测 试 ， 而 是 将 项 目 拆 分 为 大 约   5 0 0   个 模 糊 测 试 组 件 。 这 些 尝 试 的 确 使 得 模 糊 测 试 能 够 应 用 于 这 些 尝 试 的 确 使 得 模 糊 测 试 能 够 应 用 于 分 布 式 系 统 ， 但 它 们 存 在 着 明 显 的 局 限 性 分 布 式 系 统 ， 但 它 们 存 在 着 明 显 的 局 限 性 。 1 .   界 限 不 明 界 限 不 明 ： 基 础 库 中 的 缺 陷 固 然 会 影 响 整 个 系 统 ， 但 通 常 不 是 特 定 分 布 式 系 统 的 主 要 关 注 点 。 开 发 者 往 往 直 接 升 级 外 部 依 赖 ， 而 不 是 手 动 检 测 并 修 复 缺 陷 。 1 .   成 本 高 昂 成 本 高 昂 ： 需 要 搭 建 脚 手 架 、 进 行 程 序 切 片 和 开 发   M o c k   组 件 。 这 些 方 法 在 大 型 系 统 上 往 往 难 以 实 施 ； 若 能 实 施 ， 也 需 要 大 量 修 改 目 标 系 统 ， 开 发 成 本 高 昂 。 1 .   缺 少 交 互 缺 少 交 互 ： 上 述 两 种 方 法 仅 同 时 执 行 代 码 的 一 部 分 ， 因 此 不 能 测 试 组 件 之 间 的 跨 进 程 交 互 。 0 4   分 布 式 系 统 模 糊 测 试 的 三 大 关 键 挑 战 分 布 式 系 统 模 糊 测 试 的 三 大 关 键 挑 战 由 于 分 布 式 系 统 的 这 些 特 征 与 基 础 库 和 实 用 程 序 大 相 径 庭 ， 因 此 大 多 数 单 进 程 的 模 糊 测 试 工 具 无 法 良 好 支 持 分 布 式 大 多 数 单 进 程 的 模 糊 测 试 工 具 无 法 良 好 支 持 分 布 式 系 统 系 统 。 在 耗 费 大 量 成 本 进 行 适 配 后 ， 模 糊 测 试 在 分 布 式 系 统 上 的 缺 陷 寻 找 效 果 却 不 能 和 基 础 库 和 实 用 程 序 的 性 能 相 匹 配 。 分 布 式 系 统 的 模 糊 测 试 工 作 需 要 解 决 如 下 三 个 关 键 挑 战 分 布 式 系 统 的 模 糊 测 试 工 作 需 要 解 决 如 下 三 个 关 键 挑 战 。 跨 进 程 逻 辑 的 反 馈 收 集 跨 进 程 逻 辑 的 反 馈 收 集
由 于 分 布 式 系 统 逻 辑 复 杂 ， 盲 目 生 成 随 机 输 入 不 足 以 在 可 行 的 时 间 内 覆 盖 源 码 。 因 此 ， 模 糊 测 试 工 具 必 须 收 集 每 个 输 入 的 反 馈 ， 以 引 导 目 标 程 序 进 入 有 趣 的 新 路 径 。 传 统 上 ， 模 糊 器 通 过 创 建 计 数 器 数 组 收 集 反 馈 ： 在 编 译 过 程 中 ， 插 桩 编 译 器 为 基 本 块 生 成 随 机 的 标 签 ； 在 运 行 过 程 中 执 行 基 本 块 时 ， 会 对 当 前 控 制 流 转 移 标 签 所 对 应 的 计 数 器 执 行 增 加 操 作 ， 从 而 反 映 执 行 到 的 逻 辑 。 收 集 反 馈 在 分 布 式 系 统 中 充 满 挑 战 。 分 布 式 系 统 的 调 度 过 程 是 动 态 的 ： 分 布 式 系 统 由 一 组 不 断 变 化 的 组 件 构 成 ； 这 些 组 件 位 于 不 同 的 进 程 中 ， 运 行 在 不 同 的 主 机 上 ， 并 处 理 不 同 的 请 求 。 由 于 分 布 式 系 统 的 动 态 性 ， 测 试 工 具 难 以 确 定 收 集 反 馈 的 目 标 进 程 ， 更 不 用 说 在 区 分 不 同 请 求 带 来 的 不 同 语 意 了 。 即 使 可 以 收 集 反 馈 ， 反 馈 的 质 量   仍 然 低 下 。 由 于 标 签 是 随 机 分 配 的 ， 在 逻 辑 量 大 的 复 杂 系 统 中 ， 不 同 位 置 的 代 码 可 以 映 射 到 同 一 计 数 器 。 此 外 ， 多 进 程 系 统 还 存 在 另 一 个 问 题 ： 不 同 进 程 内 的 基 本 块 可 以 映 射 到 同 一 个 计 数 器 。 综 上 ， 低 质 量 的 反 馈 信 息 会 误 导 模 糊 测 试 工 具 ， 使 得 新 发 现 的 代 码 被 直 接 忽 略 。 为 了 准 确 收 集 反 馈 ， 需 要 分 析 驱 动 的 插 桩 策 略 。 插 桩 器 针 对 多 进 程 程 序 进 行 优 化 ， 在 精 确 收 为 了 准 确 收 集 反 馈 ， 需 要 分 析 驱 动 的 插 桩 策 略 。 插 桩 器 针 对 多 进 程 程 序 进 行 优 化 ， 在 精 确 收 集 反 馈 信 息 的 同 时 降 低 执 行 成 本 集 反 馈 信 息 的 同 时 降 低 执 行 成 本 。 动 态 进 程 集 合 的 异 常 检 测 动 态 进 程 集 合 的 异 常 检 测 每 个 模 糊 测 试 工 具 都 需 要 一 个 测 试 准 则 ， 该 测 试 准 则 可 识 别 当 前 输 入 是 否 触 发 缺 陷 。 一 般 地 ， 模 糊 器 会 创 建 目 标 进 程 并 等 待 其 退 出 码 。 如 果 退 出 码 表 示 异 常 （ 如   a b o r t ( )   ） 或 段 错 误 ， 则 当 前 执 行 被 视 为 异 常 ； 测 试 工 具 将 存 储 输 入 以 供 进 一 步 检 查 。 然 而 ， 此 方 法 不 能 适 用 于 多 进 程 的 分 布 式 系 统 。 通 常 ， 要 启 动 分 布 式 系 统 ， 用 户 会 首 先 调 用 启 动 器 ， 启 动 器 接 下 来 会 启 动 守 护 进 程 ， 而 守 护 进 程 会 最 终 创 建 工 作 进 程 。 简 而 言 之 ， 在 多 阶 段 的 初 始 化 过 程 中 ， 进 程 集 合 发 生 动 态 而 难 以 预 知 的 变 化 。 因 此 ， 模 糊 测 试 工 具 无 法 确 定 是 否 发 生 了 异 常 。 此 外 ， 鉴 于 工 作 进 程 已 经 受 到 内 置 的 守 护 进 程 的 监 控 ， 模 糊 测 试 工 具 无 法 重 复 地 监 视 工 作 进 程 的 异 常 。 为 了 检 测 异 常 ， 需 要 调 试 辅 助 的 监 视 策 略 。 监 视 器 捕 获 新 创 建 的 进 为 了 检 测 异 常 ， 需 要 调 试 辅 助 的 监 视 策 略 。 监 视 器 捕 获 新 创 建 的 进 线 程 ， 并 在 不 影 响 父 子 进 程 关 系 的 情 况 下 监 视 它 们 线 程 ， 并 在 不 影 响 父 子 进 程 关 系 的 情 况 下 监 视 它 们 。 无 关 进 程 的 噪 音 消 除 无 关 进 程 的 噪 音 消 除 分 布 式 系 统 往 往 创 建 背 景 任 务 以 维 护 必 要 的 基 本 功 能 。 例 如 ， P o s t g r e S Q L   定 期 运 行   V A C C U M   任 务 ， 从 而 回 收 数 据 库 存 储 在 文 件 系 统 中 的 过 时 记 录 项 。 由 于 该 任 务 的 执 行 需 要 消 耗 一 定 时 间 ， 执 行 反 馈 中 会 因 此 出 现 大 量 的 额 外 记 录 。 有 必 要 在 执 行 反 馈 中 移 除 这 些 记 录 ， 因 为   V A C C U M   任 务 与 当 前 查 询 无 关 。 通 过 频 繁 重 新 启 动 程 序 来 消 除 噪 音 是 不 可 行 的 。 模 糊 测 试 工 具 通 过 不 断 生 成 输 入 来 测 试 目 标 系 统 。 由 于 输 入 的 执 行 次 数 巨 大 ， 必 须 避 免 对 分 布 式 系 统 进 行 昂 贵 的 重 新 启 动 。 但 是 ， 传 统 的 模 糊 测 试 加 速 方 法 不 支 持 多 进 程 分 布 式 系 统 。 针 对 库 的 模 糊 测 试 工 具 通 常 使 用 进 程 内 测 试 ， 以 降 低 每 次 执 行 输 入 时 创 建 进 程 的 成 本 。 根 据 定 义 ， 显 然 进 程 内 模 糊 不 适 用 于 多 进 程 的 分 布 式 系 统 。 针 对 实 用 程 序 的 模 糊 器 通 常 使 用   f o r k s e r v e r   以 减 少   e x e c v e   系 统 调 用 的 成 本 。 然 而 ， f o r k s e r v e r   仅 能 维 护 单 个 进 程 的 状 态 ， 所 有 进 程 共 享 的 状 态 将 随 之 丢 失 。 因 此 ， f o r k s e r v e r 也 不 能 应 用 于 分 布 式 系 统 。 为 了 消 除 噪 音 ， 需 要 进 程 感 知 的 调 度 策 略 。 调 度 器 将 输 入 与 处 理 它 的 进 程 关 联 在 一 起 ， 从 而 在 不 重 启 目 标 为 了 消 除 噪 音 ， 需 要 进 程 感 知 的 调 度 策 略 。 调 度 器 将 输 入 与 处 理 它 的 进 程 关 联 在 一 起 ， 从 而 在 不 重 启 目 标 系 统 的 情 况 下 ， 实 现 连 续 的 模 糊 测 试 执 行 系 统 的 情 况 下 ， 实 现 连 续 的 模 糊 测 试 执 行 。 0 5   模 糊 测 试 助 力 国 产 数 据 库 软 件 安 全 加 固 模 糊 测 试 助 力 国 产 数 据 库 软 件 安 全 加 固 数 据 库 作 为 重 要 的 基 础 软 件 ， 十 分 适 合 分 布 式 场 景 下 的 模 糊 测 试 。 2 0 2 0 年 我 国 数 据 库 软 件 市 场 规 模 已 达 2 0 0 亿 元 ， 国 产 数 据 库 市 场 占 有 率 从 2 0 0 9 年 的 4 . 2 % 提 升 至 2 0 2 0 年 的 2 0 % 左 右 。 在 严 峻 的 信 息 安 全 形 势 下 ， 使 用 自 主 可 控 的 国 产 数 据 库 产 品 是 大 势 所 趋 。 随 之 而 来 的 是 如 何 进 行 高 效 的 安 全 测 试 ， 保 障 国 产 数 据 库 的 安 全 可 靠 ， 也 是 当 前 迫 切 的 需 求 。 研 究 研 究 组 在 华 为 组 在 华 为 G a u s s D B 、 彭 博 社 、 彭 博 社 C o m D B ， 及 开 源 ， 及 开 源 R e d i s 、 、 P o s t g r e S q l 等 各 类 数 据 库 软 件 中 ， 高 效 完 成 自 动 化 安 全 测 等 各 类 数 据 库 软 件 中 ， 高 效 完 成 自 动 化 安 全 测 评 ， 挖 掘 内 存 安 全 相 关 漏 洞 ， 提 升 代 码 质 量 。 评 ， 挖 掘 内 存 安 全 相 关 漏 洞 ， 提 升 代 码 质 量 。 精 彩 推 荐 精 彩 推 荐
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