【fuzz】AFL源码分析 part 1
2023-08-30

本来想一周内完成，看来要延期了，尽量希望能在这几天内完成吧，31号晚上还有qax的一面😭😭，水平果然还是太次了。

项目地址：google/AFL(github.com)

前言

AFL，全称“American Fuzzy Lop”，是由安全研究员Michal Zalewski开发的一款基于覆盖引导（Coverage-guided）的模糊测试工具，它通过记录输入样本的代码覆盖率（代码执行路径的覆盖情况），以此进行反馈，对输入样本进行调整以提高覆盖率，从而提升发现漏洞的可能性。AFL可以针对有源码和无源码的程序进行模糊测试，其设计思想和实现方案在模糊测试领域具有十分重要的意义。

各模块简要说明

源码模块图像一览，图源来自文章：AFL二三事 - FreeBuf，侵删

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插桩模块

  • afl-as.h, afl-as.c, afl-gcc.c：普通插桩模式，针对源码插桩，编译器可以使用gcc， clang；
  • llvm_mode：llvm 插桩模式，针对源码插桩，编译器使用clang；
  • qemu_mode：qemu 插桩模式，针对二进制文件插桩。

fuzzer 模块

  • afl-fuzz.c：fuzzer 实现的核心代码，AFL 的主体。

其他辅助模块

  • afl-analyze：对测试用例进行分析，通过分析给定的用例，确定是否可以发现用例中有意义的字段；
  • afl-plot：生成测试任务的状态图；
  • afl-tmin：对测试用例进行最小化；
  • afl-cmin：对语料库进行精简操作；
  • afl-showmap：对单个测试用例进行执行路径跟踪；
  • afl-whatsup：各并行例程fuzzing结果统计；
  • afl-gotcpu：查看当前CPU状态。

部分头文件说明

  • alloc-inl.h：定义带检测功能的内存分配和释放操作；
  • config.h：定义配置信息；
  • debug.h：与提示信息相关的宏定义；
  • hash.h：哈希函数的实现定义；
  • types.h：部分类型及宏的定义。

普通插桩

afl-gcc.c

afl-gcc.c本质上是对GCC 和 clang的封装，正如其在注释中写到的wrapper for GCC and clang。最常见的使用方式，便是在使用**./configure**时，直接将afl-gcc或着afl-clang的路径传给CC；同理对于C++代码，只需用afl-g++或者afl-clang++路径传给CXX即可。

几个静态全局变量:

static u8*  as_path;                /* Path to the AFL 'as' wrapper      */
static u8** cc_params;              /* Parameters passed to the real CC  */
static u32  cc_par_cnt = 1;         /* Param count, including argv0      */
static u8   be_quiet,               /* Quiet mode                        */
            clang_mode;             /* Invoked as afl-clang*?            */

main

main函数的核心主体如下

int main(int argc, char** argv) {
  ......
      
  find_as(argv[0]);
    
  edit_params(argc, argv);

  execvp(cc_params[0], (char**)cc_params);

  ......
  return 0;
}
  • find_as: try to find our “fake” GNU assembler in AFL_PATH or at the location derived from argv[0]. If that fails, abort.
  • edit_params: Copy argv to cc_params, making the necessary edits.
  • execvp: 执行命令

edit_params

在edit_params中，关键逻辑如下

...
    
 if (!strcmp(name, "afl-g++")) {
  u8* alt_cxx = getenv("AFL_CXX");
  cc_params[0] = alt_cxx ? alt_cxx : (u8*)"g++";
} else if (!strcmp(name, "afl-gcj")) {
  u8* alt_cc = getenv("AFL_GCJ");
  cc_params[0] = alt_cc ? alt_cc : (u8*)"gcj";
} else {
  u8* alt_cc = getenv("AFL_CC");
  cc_params[0] = alt_cc ? alt_cc : (u8*)"gcc";
}

...
    
cc_params[cc_par_cnt++] = "-B";
cc_params[cc_par_cnt++] = as_path;

...

总体逻辑比较简单，实际就是对参数做一些预处理，会用gcc替换cc_params[0]，利用-B as_path替换汇编器。因而在调用execvp执行命令时，本质上就是执行类似gcc ... -B as_path ...这样的效果。

afl-as.c

在理解afl-gcc.c之后，我们就自然而然会想到，核心点在于关注afl-as和默认as的区别。类似于afl-gcc，afl-as也是一个对as的封装

一些全局静态变量：

static u8** as_params;          /* Parameters passed to the real 'as'   */

static u8*  input_file;         /* Originally specified input file      */
static u8*  modified_file;      /* Instrumented file for the real 'as'  */

static u8   be_quiet,           /* Quiet mode (no stderr output)        */
            clang_mode,         /* Running in clang mode?               */
            pass_thru,          /* Just pass data through?              */
            just_version,       /* Just show version?                   */
            sanitizer;          /* Using ASAN / MSAN                    */

static u32  inst_ratio = 100,   /* Instrumentation probability (%)      */
            as_par_cnt = 1;     /* Number of params to 'as'             */

main

main()函数的核心主体如下，与afl-gcc.c中的main十分类似。比较明显，都是通过先对参数进行处理，然后调用execvp()去执行命令。

int main(int argc, char** argv) {
  ...
  gettimeofday(&tv, &tz);

  rand_seed = tv.tv_sec ^ tv.tv_usec ^ getpid();

  srandom(rand_seed);

  edit_params(argc, argv);
  ...  

  if (!just_version) add_instrumentation();

  if (!(pid = fork())) {

    execvp(as_params[0], (char**)as_params);
    FATAL("Oops, failed to execute '%s' - check your PATH", as_params[0]);

  }
  ...

}
  • 第一部分，比较明显，利用时间和pid即生成随机数
  • edit_params()编辑参数
  • add_instrumentation()插桩
  • 最后利用execvp调用指令

edit_params

与afl-gcc的逻辑基本一致，替换参数，不过多赘述，核心部分如下：

 static void edit_params(int argc, char** argv) {
    ...
    
    as_params[0] = afl_as ? afl_as : (u8*)"as";
    ...
    
    as_params[as_par_cnt++] = modified_file;
    
    as_params[as_par_cnt]   = NULL;
}

add_instrumentation

比较明显的看到其他部分与afl-gcc基本相同，因而我们关键来看看add_instrumentation()函数这部分内容。这个函数主要用于处理输入的文件，然后生成modified_file.并在恰当的地方插桩。此函数的核心部分如下：

static void add_instrumentation(void) {
    ...
        /*
        匹配合适的插桩位置
        */
    ...
     while (fgets(line, MAX_LINE, inf)) {
         ...
            
        fprintf(outf, use_64bit ? trampoline_fmt_64 : trampoline_fmt_32,
                R(MAP_SIZE));

        ins_lines++;
         
         ...
         
         continue;
     }
    ...
}

从源代码的注释中我们也能看到，AFL插桩的位置偏好，主要为函数入口，分支标签，条件分支标签…….

/* If we're in the right mood for instrumenting, check for function
   names or conditional labels. This is a bit messy, but in essence,
   we want to catch:

     ^main:      - function entry point (always instrumented)
     ^.L0:       - GCC branch label
     ^.LBB0_0:   - clang branch label (but only in clang mode)
     ^\tjnz foo  - conditional branches

   ...but not:

     ^# BB#0:    - clang comments
     ^ # BB#0:   - ditto
     ^.Ltmp0:    - clang non-branch labels
     ^.LC0       - GCC non-branch labels
     ^.LBB0_0:   - ditto (when in GCC mode)
     ^\tjmp foo  - non-conditional jumps

   Additionally, clang and GCC on MacOS X follow a different convention
   with no leading dots on labels, hence the weird maze of #ifdefs
   later on.

 */

在add_instrumentation()函数中的变量trampoline_fmt_64和trampoline_fmt_32即为插桩代码，我们可以在文件afl-as.h中找到定义，这里我们直接看看64位的插桩代码

/* --- AFL TRAMPOLINE (64-BIT) --- */

.align 4

leaq -(128+24)(%%rsp), %%rsp
movq %%rdx,  0(%%rsp)
movq %%rcx,  8(%%rsp)
movq %%rax, 16(%%rsp)
movq $0x%08x, %%rcx
call __afl_maybe_log
movq 16(%%rsp), %%rax
movq  8(%%rsp), %%rcx
movq  0(%%rsp), %%rdx
leaq (128+24)(%%rsp), %%rsp

/* --- END --- */

流程非常简单易懂，大致如下：

  1. 入栈保存寄存器
  2. call __afl_maybe_log
  3. 出栈恢复寄存器

这里直接来看看__afl_maybe_log函数，由于这段汇编逻辑过长，大概200多行。这里直接放ScUpax0s师傅的流程图

image-20230830151452876

流程图中涉及到的一些变量及含义如下：

  .lcomm   __afl_area_ptr, 8			/*共享内存地址*/
  .lcomm   __afl_prev_loc, 8			/*上一个插桩位置（id为R(100)随机数的值）*/
  .lcomm   __afl_fork_pid, 4			/*由fork产生的子进程的pid*/
  .lcomm   __afl_temp, 4				/*缓冲区*/
  .lcomm   __afl_setup_failure, 1		/*标志位，如果置位则直接退出*/
  .comm    __afl_global_area_ptr, 8, 8	/*全局指针*/
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