استخدام libFuzzer لاختبار البرامج البرمجية

إنّ تقنية Fuzzing التي تعتمد على تقديم بيانات قد تكون غير صالحة أو غير متوقّعة أو عشوائية كإدخال إلى برنامج هي طريقة فعّالة للغاية للعثور على أخطاء في أنظمة البرامج الكبيرة، وهي جزء مهم من دورة حياة تطوير البرامج.

يتوافق نظام إنشاء Android مع تقنية البحث العشوائي عن الأخطاء من خلال تضمين libFuzzer من مشروع بنية المخطِّط LLVM. يتم ربط LibFuzzer بالمكتبة التي يتم اختبارها، وتتولى المكتبة جميع عمليات اختيار المدخلات وتعديلها وإعداد تقارير الأعطال التي تحدث أثناء جلسة البحث عن الأخطاء. تُستخدَم أدوات إزالة الأخطاء في LLVM للمساعدة في رصد تلف الذاكرة ومقاييس تغطية الرمز البرمجي.

تقدّم هذه المقالة مقدمة عن libFuzzer على Android وكيفية تنفيذ إنشاء أداة اختبار. ويتضمن أيضًا تعليمات لكتابة برامج البحث عن الأخطاء وتشغيلها و تخصيصها.

الإعداد والإنشاء

لضمان توفُّر صورة صالحة على الجهاز، يمكنك تنزيل صورة ملف برمجي أساسي وتثبيتها على الجهاز. بدلاً من ذلك، يمكنك تنزيل رمز المصدر AOSP واتّباع مثال الإعداد والإنشاء أدناه.

مثال على الإعداد

يفترض هذا المثال أنّ الجهاز المستهدَف هو هاتف Pixel (taimen) وتم إعداده مسبقًا لتصحيح أخطاء USB (aosp_taimen-userdebug). يمكنك تنزيل ملفات Pixel الثنائية الأخرى من ملفات التشغيل الثنائية لبرامج التشغيل. 

mkdir ~/bin
export PATH=~/bin:$PATH
curl https://storage.googleapis.com/git-repo-downloads/repo > ~/bin/repo
chmod a+x ~/bin/repo
repo init -u https://android.googlesource.com/platform/manifest -b main
repo sync -c -j8
wget https://dl.google.com/dl/android/aosp/google_devices-taimen-qq1a.191205.008-f4537f93.tgz
tar xvf google_devices-taimen-qq1a.191205.008-f4537f93.tgz
./extract-google_devices-taimen.sh
wget https://dl.google.com/dl/android/aosp/qcom-taimen-qq1a.191205.008-760afa6e.tgz
tar xvf qcom-taimen-qq1a.191205.008-760afa6e.tgz
./extract-qcom-taimen.sh
. build/envsetup.sh
lunch aosp_taimen-userdebug

مثال على الإنشاء

الخطوة الأولى في تشغيل أهداف التدقيق هي الحصول على صورة نظام جديدة. ننصح باستخدام أحدث إصدار من Android مخصّص للمطوّرين على الأقل.

  1. يمكنك إجراء عملية الإنشاء الأولية من خلال إصدار: 
    m
  2. للسماح لك بتثبيت البرامج الثابتة على جهازك، عليك تشغيله في وضع Fastboot باستخدام مجموعة المفاتيح المناسبة.
  3. افتح قفل أداة تحميل البرامج الثابتة وفلش الصورة المجمّعة حديثًا باستخدام الخطوات التالية: 
    fastboot oem unlock
fastboot flashall

من المفترض أن يكون الجهاز المستهدَف جاهزًا الآن لفحص libFuzzer.

كتابة أداة تشويش

لتوضيح كيفية كتابة أداة فحص أخطاء شاملة باستخدام libFuzzer في Android، استخدِم الرمز البرمجي التالي الذي يتضمّن ثغرة أمنية كحالة اختبار. يساعد ذلك في اختبار أداة البحث عن الأخطاء، والتأكّد من أنّه يعمل كل شيء بشكل صحيح، وتوضيح شكل بيانات الأعطال.

في ما يلي الدالة الاختبارية. 

#include <stdint.h>
#include <stddef.h>
bool FuzzMe(const char *data, size_t dataSize) {
    return dataSize >= 3  &&
           data[0] == 'F' &&
           data[1] == 'U' &&
           data[2] == 'Z' &&
           data[3] == 'Z';  // ← Out of bounds access
}

لإنشاء أداة فحص الأخطاء العشوائية هذه وتشغيلها:

  1. يتألّف هدف التدقيق من ملفين: ملف الإنشاء ورمز المصدر المخصّص لهدف التدقيق. أنشئ ملفاتك في موقع بجانب المكتبة التي تُجري عليها عملية البحث العشوائي. امنح أداة التدقيق اسمًا يصف وظيفتها.
  2. اكتب هدفًا للفحص العشوائي باستخدام libFuzzer. هدف التشويش هو دالة تأخذ كمية من البيانات بحجم محدّد وتُمرّرها إلى الدالة التي سيتم تشويشها. في ما يلي أداة تشويش أساسية للدالة الاختبارية التي تتضمّن ثغرة أمنية: 
    #include <stddef.h>
#include <stdint.h>

extern "C" int LLVMFuzzerTestOneInput(const char *data, size_t size) {
  // ...
  // Use the data to call the library you are fuzzing.
  // ...
  return FuzzMe(data, size);
}
  3. اطلب من نظام إنشاء Android إنشاء ملف ثنائي لأداة البحث عن الأخطاء. لإنشاء أداة البحث عن الأخطاء، أضِف هذا الرمز إلى ملف Android.bp: 
    cc_fuzz {
  name: "fuzz_me_fuzzer",
  srcs: [
    "fuzz_me_fuzzer.cpp",
  ],
  // If the fuzzer has a dependent library, uncomment the following section and
  // include it.
  // static_libs: [
  //   "libfoo", // Dependent library
  // ],
  //
  // The advanced features below allow you to package your corpus and
  // dictionary files during building. You can find more information about
  // these features at:
  //  - Corpus: https://llvm.org/docs/LibFuzzer.html#corpus
  //  - Dictionaries: https://llvm.org/docs/LibFuzzer.html#dictionaries
  // These features are not required for fuzzing, but are highly recommended
  // to gain extra coverage.
  // To include a corpus folder, uncomment the following line.
  // corpus: ["corpus/*"],
  // To include a dictionary, uncomment the following line.
  // dictionary: "fuzz_me_fuzzer.dict",
}
  4. لتشغيل أداة البحث عن الأخطاء البرمجية على الهدف (الجهاز): 
    SANITIZE_TARGET=hwaddress m fuzz_me_fuzzer
  5. لتشغيل أداة البحث عن الثغرات على المضيف: 
    SANITIZE_HOST=address m fuzz_me_fuzzer

للتيسير، حدِّد بعض متغيّرات shell التي تحتوي على مسار ملف fuzz target واسم الملف الثنائي (من ملف الإنشاء الذي كتبته سابقًا).

export FUZZER_NAME=your_fuzz_target

بعد اتّباع هذه الخطوات، من المفترض أن يكون لديك أداة تشويش تم إنشاؤها. الموقع التلقائي لبرنامج التدقيق العشوائي (في هذا المثال، إصدار Pixel) هو:

  • $ANDROID_PRODUCT_OUT/data/fuzz/$TARGET_ARCH/$FUZZER_NAME/$FUZZER_NAME لجهاز
  • ‫$ANDROID_HOST_OUT/fuzz/$TARGET_ARCH/$FUZZER_NAME/$FUZZER_NAME للمضيف

    • تشغيل أداة البحث عن الأخطاء على المضيف

  • أضِف ما يلي إلى ملف الإنشاء Android.bp: 
    host_supported: true,
     يُرجى العِلم أنّه لا يمكن تطبيق ذلك إلّا إذا كانت المكتبة التي تريد إجراء التدقيق فيها متوافقة مع المضيف.
  • شغِّل أداة التدقيق على المضيف من خلال تشغيل ملف أداة التدقيق الثنائي الذي تم إنشاؤه: 
    $ANDROID_HOST_OUT/fuzz/x86_64/$FUZZER_NAME/$FUZZER_NAME

    • تشغيل أداة البحث عن الأخطاء على الجهاز

    نريد نسخ هذا الملف إلى جهازك باستخدام adb.

    1. لتحميل هذه الملفات إلى دليل على الجهاز، نفِّذ الطلبات التالية: 
      adb root
adb sync data
    2. شغِّل أداة اختبار الاختراق على الجهاز باستخدام هذا الأمر: 
      adb shell /data/fuzz/$(get_build_var TARGET_ARCH)/$FUZZER_NAME/$FUZZER_NAME \
  /data/fuzz/$(get_build_var TARGET_ARCH)/$FUZZER_NAME/corpus

    يؤدي ذلك إلى ظهور نتيجة مشابهة للمثال أدناه. 

    INFO: Seed: 913963180
INFO: Loaded 2 modules   (16039 inline 8-bit counters): 16033 [0x7041769b88, 0x704176da29), 6 [0x60e00f4df0, 0x60e00f4df6),
INFO: Loaded 2 PC tables (16039 PCs): 16033 [0x704176da30,0x70417ac440), 6 [0x60e00f4df8,0x60e00f4e58),
INFO: -max_len is not provided; libFuzzer will not generate inputs larger than 4096 bytes
INFO: A corpus is not provided, starting from an empty corpus
#2	INITED cov: 5 ft: 5 corp: 1/1b exec/s: 0 rss: 24Mb
#10	NEW    cov: 6 ft: 6 corp: 2/4b lim: 4 exec/s: 0 rss: 24Mb L: 3/3 MS: 3 CopyPart-ChangeByte-InsertByte-
#712	NEW    cov: 7 ft: 7 corp: 3/9b lim: 8 exec/s: 0 rss: 24Mb L: 5/5 MS: 2 InsertByte-InsertByte-
#744	REDUCE cov: 7 ft: 7 corp: 3/7b lim: 8 exec/s: 0 rss: 25Mb L: 3/3 MS: 2 ShuffleBytes-EraseBytes-
#990	REDUCE cov: 8 ft: 8 corp: 4/10b lim: 8 exec/s: 0 rss: 25Mb L: 3/3 MS: 1 ChangeByte-
==18631==ERROR: HWAddressSanitizer: tag-mismatch on address 0x0041e00b4183 at pc 0x0060e00c5144
READ of size 1 at 0x0041e00b4183 tags: f8/03 (ptr/mem) in thread T0
    #0 0x60e00c5140  (/data/fuzz/arm64/example_fuzzer/example_fuzzer+0xf140)
    #1 0x60e00ca130  (/data/fuzz/arm64/example_fuzzer/example_fuzzer+0x14130)
    #2 0x60e00c9b8c  (/data/fuzz/arm64/example_fuzzer/example_fuzzer+0x13b8c)
    #3 0x60e00cb188  (/data/fuzz/arm64/example_fuzzer/example_fuzzer+0x15188)
    #4 0x60e00cbdec  (/data/fuzz/arm64/example_fuzzer/example_fuzzer+0x15dec)
    #5 0x60e00d8fbc  (/data/fuzz/arm64/example_fuzzer/example_fuzzer+0x22fbc)
    #6 0x60e00f0a98  (/data/fuzz/arm64/example_fuzzer/example_fuzzer+0x3aa98)
    #7 0x7041b75d34  (/data/fuzz/arm64/lib/libc.so+0xa9d34)

[0x0041e00b4180,0x0041e00b41a0) is a small allocated heap chunk; size: 32 offset: 3
0x0041e00b4183 is located 0 bytes to the right of 3-byte region [0x0041e00b4180,0x0041e00b4183)
allocated here:
    #0 0x70418392bc  (/data/fuzz/arm64/lib/libclang_rt.hwasan-aarch64-android.so+0x212bc)
    #1 0x60e00ca040  (/data/fuzz/arm64/example_fuzzer/example_fuzzer+0x14040)
    #2 0x60e00c9b8c  (/data/fuzz/arm64/example_fuzzer/example_fuzzer+0x13b8c)
    #3 0x60e00cb188  (/data/fuzz/arm64/example_fuzzer/example_fuzzer+0x15188)
    #4 0x60e00cbdec  (/data/fuzz/arm64/example_fuzzer/example_fuzzer+0x15dec)
    #5 0x60e00d8fbc  (/data/fuzz/arm64/example_fuzzer/example_fuzzer+0x22fbc)
    #6 0x60e00f0a98  (/data/fuzz/arm64/example_fuzzer/example_fuzzer+0x3aa98)
    #7 0x7041b75d34  (/data/fuzz/arm64/lib/libc.so+0xa9d34)
    #8 0x60e00c504c  (/data/fuzz/arm64/example_fuzzer/example_fuzzer+0xf04c)
    #9 0x70431aa9c4  (/data/fuzz/arm64/example_fuzzer/example_fuzzer+0x519c4)

Thread: T1 0x006700006000 stack: [0x007040c55000,0x007040d4ecc0) sz: 1023168 tls: [0x000000000000,0x000000000000)
Thread: T0 0x006700002000 stack: [0x007fe51f3000,0x007fe59f3000) sz: 8388608 tls: [0x000000000000,0x000000000000)
Memory tags around the buggy address (one tag corresponds to 16 bytes):
   00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00
   00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00
   00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00
   00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00
   00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00
   00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00
   00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00
   08  00  cf  08  dc  08  cd  08  b9  08  1a  1a  0b  00  04  3f
=> 27  00  08  00  bd  bd  2d  07 [03] 73  66  66  27  27  20  f6 <=
   5b  5b  87  87  03  00  01  00  4f  04  24  24  03  39  2c  2c
   05  00  04  00  be  be  85  85  04  00  4a  4a  05  05  5f  5f
   00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00
   00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00
   00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00
   00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00
   00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00
   00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00  00
Tags for short granules around the buggy address (one tag corresponds to 16 bytes):
   04  ..  ..  cf  ..  dc  ..  cd  ..  b9  ..  ..  3f  ..  57  ..
=> ..  ..  21  ..  ..  ..  ..  2d [f8] ..  ..  ..  ..  ..  ..  .. <=
   ..  ..  ..  ..  9c  ..  e2  ..  ..  4f  ..  ..  99  ..  ..  ..
See https://clang.llvm.org/docs/HardwareAssistedAddressSanitizerDesign.html#short-granules for a description of short granule tags
Registers where the failure occurred (pc 0x0060e00c5144):
    x0  f8000041e00b4183  x1  000000000000005a  x2  0000000000000006  x3  000000704176d9c0
    x4  00000060e00f4df6  x5  0000000000000004  x6  0000000000000046  x7  000000000000005a
    x8  00000060e00f4df0  x9  0000006800000000  x10 0000000000000001  x11 00000060e0126a00
    x12 0000000000000001  x13 0000000000000231  x14 0000000000000000  x15 000e81434c909ede
    x16 0000007041838b14  x17 0000000000000003  x18 0000007042b80000  x19 f8000041e00b4180
    x20 0000006800000000  x21 000000000000005a  x22 24000056e00b4000  x23 00000060e00f5200
    x24 00000060e0128c88  x25 00000060e0128c20  x26 00000060e0128000  x27 00000060e0128000
    x28 0000007fe59f16e0  x29 0000007fe59f1400  x30 00000060e00c5144
SUMMARY: HWAddressSanitizer: tag-mismatch (/data/fuzz/arm64/example_fuzzer/example_fuzzer+0xf140)
MS: 1 ChangeByte-; base unit: e09f9c158989c56012ccd88111b82f778a816eae
0x46,0x55,0x5a,
FUZ
artifact_prefix='./'; Test unit written to ./crash-0eb8e4ed029b774d80f2b66408203801cb982a60
Base64: RlVa

    في مثال النتائج، تسبّب الخطأ fuzz_me_fuzzer.cpp في الخط 10:

          data[3] == 'Z';  // :(

    هذه قراءة مباشرة خارج الحدود إذا كان طول data يساوي 3.

    بعد تشغيل أداة البحث العشوائي عن الأخطاء، غالبًا ما يؤدي الناتج إلى حدوث عطل ويتم حفظ الإدخال المزعِج في مجموعة النصوص ومنح معرّف له. في مثال النتائج، هذا هو crash-0eb8e4ed029b774d80f2b66408203801cb982a60.

    لاسترداد معلومات الأعطال عند إجراء اختبارات الاختراق على الجهاز، أدخِل هذا الأمر مع تحديد رقم تعريف العُطل:

    adb pull /data/fuzz/arm64/fuzz_me_fuzzer/corpus/CRASH_ID
     يُرجى العلم أنّه لحفظ اختبارات الوظائف في الدليل الصحيح، يمكنك استخدام مجلد corpus (كما هو موضّح في المثال أعلاه) أو استخدام وسيطة artifact_prefix (مثلاً -artifact_prefix=‎/data/fuzz/where/my/crashes/go).

    عند إجراء فحص التداخل على المضيف، تظهر معلومات الأعطال في مجلد الأعطال في المجلد المحلي الذي يتم تشغيل أداة فحص التداخل فيه.

    إنشاء تغطية للخطوط

    إنّ تغطية السطور مفيدة جدًا للمطوّرين، إذ يمكنهم تحديد المناطق في الرمز البرمجي التي لم يتمّ تغطيتها وتعديل برامج البحث عن الأخطاء وفقًا لذلك للوصول إلى هذه المناطق في عمليات البحث عن الأخطاء المستقبلية.

    1. لإنشاء تقارير تغطية أداة التزييف، اتّبِع الخطوات التالية : 
      CLANG_COVERAGE=true NATIVE_COVERAGE_PATHS='*' make ${FUZZER_NAME}

    2. بعد دفع أداة التدقيق وتبعياتها إلى الجهاز، يمكنك تشغيل هدف التدقيق باستخدام LLVM_PROFILE_FILE على النحو التالي: 
      DEVICE_TRACE_PATH=/data/fuzz/$(get_build_var TARGET_ARCH)/${FUZZER_NAME}/data.profraw
adb shell LLVM_PROFILE_FILE=${DEVICE_TRACE_PATH} /data/fuzz/$(get_build_var TARGET_ARCH)/${FUZZER_NAME}/${FUZZER_NAME} -runs=1000

    3. يمكنك إنشاء تقرير التغطية من خلال سحب ملف profraw من الجهاز أولاً ثم إنشاء تقرير html في مجلد يُسمى coverage-html كما هو موضّح أدناه: 
      adb pull ${DEVICE_TRACE_PATH} data.profraw
llvm-profdata merge --sparse data.profraw --output data.profdata
llvm-cov show --format=html --instr-profile=data.profdata \
  symbols/data/fuzz/$(get_build_var TARGET_ARCH)/${FUZZER_NAME}/${FUZZER_NAME} \
  --output-dir=coverage-html --path-equivalence=/proc/self/cwd/,$ANDROID_BUILD_TOP

    لمزيد من المعلومات عن libFuzzer، اطّلِع على مستندات المصدر.