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Syzkaller入门知识总结
2022-03-04 19:09:10

Linux 内核 fuzz目前最流行的工具是 syzkaller,该工具是 2015 年前后由 Google 开源,和 AFL 一样,也是具有划时代意义的 fuzzer,发现的内核漏洞不计其数,并且衍生了很多工具。

之前我们已说过 syzkaller 的详细用法,但对于入门来说,还是不够全面。犹记得第一次接触 syzkaller 时,看到网上各类文章,还是觉得一头雾水,不知道 syzkaller 用于内核 fuzzing 的整体步骤。本篇博客就是想告诉新手,什么是 syzkaller?使用 syzkaller 进行 fuzzing 的步骤有哪些?syzkaller 到底是黑盒还是白盒测试?使用 syzkaller 的条件是什么?...

Syzkaller

概念

syzkaller 是一个基于覆盖引导(coverage-guided),能够对内核进行 fuzz 的白盒测试工具。syzkaller 本身支持多种系统调用,但是针对驱动进行 fuzz,主要关注 openreadwriteioctlmmap

疑问

什么是覆盖引导(coverage-guided)?

  • 覆盖引导,即通过向目标程序插桩,统计代码覆盖,反馈给模糊测试引擎(fuzzer,即模糊测试工具),反馈信息用于变异种子,生成更高质量的输入,使得 fuzzer 能够用更好的输入让被测程序达到更高的代码覆盖率。

  • 对于每个目标,fuzzer 都会构建一个输入的语料库,随着 fuzzer 通过变异语料库发现新的输入,覆盖率会不断增长。常见的模糊测试引擎(fuzzer,即模糊测试工具)有 afl、honggfuzz、libfuzzer 以及本次所说的 syzkaller,这些都是经典的 fuzzing 工具。

使用 syzkaller 条件是什么?

  • 必备材料:内核源码 + go 语言环境 + syzkaller 源码

  • 需要编写:系统调用描述文件(syscall description)、配置文件(configuration)

  • 需要编译:内核、系统调用描述及 syzkaller

需要编译哪些代码或文件?

  • 编译内核:需要内核源码和编译环境

  • 编译系统调用描述:需要内核源码(提供头文件),编译内核生成的中间件 KERNEL_OBJ(提供头文件)

  • 编译 syzkaller:需要 go 语言环境

使用 syzkaller 的难点是什么?

  • 对于新手来说,毫无疑问,编写驱动对应的 txt(即系统调用描述)是最难的。不同驱动的入口结构体、系统调用都是不同的,相对应的 txt 也是不一样的。最好的方法是结合 syzkaller 给出的大量已编写好的 txt,并且根据相应的驱动源码,学习 syzkaller 系统调用描述的语法。

  • 需要内核源码的支持,也就是说,我们并不能以黑盒的方式测试其他 Android 厂商的手机,而只能在有内核源码的情况下,编译带有 KCON+KASAN 编译选项的内核镜像。

  • 在测试过程中,有一定的误报率,待测设备(Android 手机)往往跟我们的监控设备(Linux 主机)无故断开连接,也会出现死机等现象,在一定程度上增加了测试周期。

syzkaller 的优点是什么?

  • syzkaller 优点还是很明显的,会根据代码覆盖率变异系统调用的输入,增加代码覆盖率。驱动包含的复杂结构体,用白盒审计的方式往往难以发现深层次问题,通过 fuzzing 可以很容易找到一些隐藏深处的代码安全漏洞。

原理

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  • syz-manager进程启动、监视和重新启动多个 VM 实例,并 syz-fuzzer在 VM 内部启动一个进程。syz-manager负责持久化语料库和崩溃存储。它运行在具有稳定内核的主机上,不会具有模糊器负载。

  • syz-fuzzer过程在可能不稳定的虚拟机中运行。引导模糊测试过程(输入生成、变异、最小化等),并且通过RPC将那些引起了新的覆盖(coverage)的输入回送到 syz-managersyz-fuzzer也负责启动短暂的 syz-executor进程。

  • 每个syz-executor进程执行一个输入(一系列系统调用)。它接收 syz-fuzzer的用例,并执行,返回结果。它被设计为尽可能简单(不干扰模糊测试过程),用 C++ 编写,编译为静态二进制文件并使用共享内存进行通信。

目录结构

syzkaller 源码目录结构如下,对于新手来说,需要重点关注的目录已用黑体字表粗。

  • Godeps:go 的依赖包管理。

  • dashboard:与 syzbot 有关,syzbot 会自动 fuzz linux 内核主线分支并向内核邮件列表报告发现的错误。

  • docs:syzkaller 所有帮助文档。

  • executor:syz-executor 的源码。

  • pkg:配置文件。

  • prog:目标系统相关信息及需要执行的系统调用。

  • sys:系统调用描述。我们自己编写的 txt 可以放在这个目录下。

  • sys-ci:持续运行syzkaller的系统。

  • sys-fuzzer:syz-fuzzer 的源码。

  • sys-hub:将多个 syz-manager 连接在一起并允许它们交换程序。

  • sys-manager:syz-manager 目录。

  • tools:一些工具。这些工具大都是对 pkg 目录下代码的一些封装。

  • vm:被测对象操控相关处理的代码存放路径,手机用的就是 adb 目录下的 adb.go;vm.go是所有 vm 的抽象接口,供 syz-manager 调用。

测试步骤

初学时,对 syzkaller 的测试步骤很迷茫,最终实践过多次,才明白各个步骤真正的含义。这里只是简要介绍一下大体的 fuzzing 流程,实际上还是需要多多实践,才能更好的理解 syzkaller。

  • 编写待测试驱动对应的 txt 文件(即系统调用描述)。可参考官方文档:syscall_descriptions_syntax.md,syzkaller 源码对应的 sys目录也给出了大量示例 。

  • 编译系统调用描述文件,使用 syz-extract将其转换为 .const 文件,使用 syz-sysgen生成 .go 文件。

  • 编译 syzkaller,生成 syz-managersyz-fuzzer以及syz-executor

  • 编写配置文件,可参考 configuration.md,运行 syz-manager --config my.cfg,syz-manager 会根据配置文件,将 syz-fuzzersyz-executorpush 到目标设备,并开始 fuzzing。

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总结

Syzkaller 作为一个优秀的内核 fuzz 工具,后来衍生了很多其他的工具,归根结底使用的还是 syzkaller 的思想。这里只是一些入门知识总结,对于新手来说,通读此文,相信你一定有所收获,知道 syzkaller 是什么,进行 fuzz 的条件是什么,fuzz 对象又是什么。

参考文献

如果你想知道更多细节,将 syzkaller 用于实战,可以参考如下文章

如果你想了解更多的 syzkaller 衍生工具,可以参考如下安全顶会论文

  • MoonShine: Optimizing OS Fuzzer Seed Selection with Trace Distillation(2018):哥伦比亚大学团队开发的 MoonShine,这是一种新颖的策略,可从真实程序的系统调用中提取 fuzz 种子。作为对 Syzkaller 的扩展, MoonShin 能够将 Syzkaller 的 Linux 内核代码覆盖率平均提高 13%。

  • Razzer: Finding Kernel Race Bugs through Fuzzing(2019):韩国科学技术院 (KAIST) DR Jeong 设计并提出了针对内核中的数据竞争类型漏洞的模糊测试(fuzzing)工具 Razzer 。 Razzer 的两阶段模糊测试基于Syzkaller。确定性调度程序是使用 QEMU / KVM 实现的。

  • HFL: Hybrid Fuzzing on the Linux Kernel(2020):美国俄勒冈州立大学提出的一个新兴混合 fuzz 工具。据作者所属,HFL 代码覆盖率分别比 Moonshine 和 Syzkaller 高出15%和26%,并发现 20+ 个内核漏洞。该工具好像没有开源。

  • CoLaFUZE: Coverage-Guided and Layout-Aware Fuzzing for Android Drivers(2021),南方电网数字电网研究院有限公司的 Tianshi Mu 等人介绍了CoLaFUZE,一个覆盖率引导和布局感知的模糊工具,用于自动生成有效输入和探索驱动程序代码。用于模糊测试安卓驱动程序

如果你在使用 syzkaller 的过程中发现一些奇奇怪怪的问题,并且一些中文博客无法解决这样的问题,不要吝啬,打开 syzkaller 项目 issue,搜索关键字!如果 issue 里没有你想要的答案,也可以自己提交 issue,syzkaller 项目开发人员答复很快的。

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