基于突变的模糊测试

女爷i 2022-10-25 04:41 234阅读 0赞

### 文章目录 ###

*   *  0. 前言
     *  1. 摘要
     *  2. 被测试程序
     *  3. 突变
     *  4. 突变的模糊测试
     *  5. 基于突变的覆盖率引导的模糊测试
     *  6. 测试程序
     *  附录

## 0. 前言 ##

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看论文[The Art, Science, and Engineering of Fuzzing: A Survey][The Art_ Science_ and Engineering of Fuzzing_ A Survey] 遇到一个名词：**动态符号执行**。

> The term white-box fuzzing was introduced by Godefroid \[87\] in 2007 and refers to dynamic symbolic execution (DSE), which is a variant of symbolic execution \[39\], \[126\], \[108\].
> 
> 白盒模糊测试一词是Godefroid \[87\]在2007年提出的，指动态符号执行（DSE），它是符号执行的一种变体\[39\]，\[126\]，\[108\]。

我阅读了下这篇：[符号执行入门][Link 1]

> 符号执行的概念早在1975年\[4\]就提出了，但是真正得到实用，却是在一种方式提出之后，即混合实际执行和符号执行，称为concolic execution，是真正意义上的动态符号执行。
> 
> Concolic执行维护一个实际状态和一个符号化状态：实际状态将所有变量映射到实际值，符号状态只映射那些有非实际值的变量。Concolic执行首先用一些给定的或者随机的输入来执行程序，收集执行过程中条件语句对输入的符号化约束，然后使用约束求解器去推理输入的变化，从而将下一次程序的执行导向另一条执行路径。简单地说来，就是在已有实际输入得到的路径上，对分支路径条件进行取反，就可以让执行走向另外一条路径。这个过程会不断地重复，加上系统化或启发式的路径选择算法，直到所有的路径都被探索，或者用户定义的覆盖目标达到，或者时间开销超过预计。

不怎么明白符号测试，所以，我打算看下[Symbolic Fuzzing][] 。而它需要挺多的前置要求。

所以，我不得不一个一个完成。第一个需要完成的是[Mutation-Based Fuzzing][]

我希望可以简单的理解符号测试的基本概念，然后跳过夯实基础，直接可以使用符号测试的工具。

来源：[Mutation-Based Fuzzing][]

建议阅读原文，我这里仅仅整理下思路。我敲的相关代码见：[fuzzing仓库][fuzzing]

背景要求：[模糊测试简介][Link 2]| [代码覆盖率][Link 3]

## 1. 摘要 ##

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模糊测试中随机生成的字符串大概率是无效的。这导致很多时间被浪费在无效的测试输入中。

我们可以采用合法有效的输入进行初期的测试。这些有效的输入，我们称之为种子。

我们对种子进行突变，将其中的bit(s)进行突变(翻转、删除、增加)。由于突变的部分相对于某个种子的整体，变化较小。那么突变之后的种子，也很可能是合法的。

种子突变的越多，不合法的可能性越大。那么如何控制突变呢？这里引入基于覆盖率引导的模糊测试。当突变生成中输入可以发现新路径的时候，我们将该输入放入仓库中。其中，仓库使用种子进行初始化。这样，突变会向覆盖率增大的方向突变。覆盖率越大，触发crash的可能性越大。

## 2. 被测试程序 ##

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URL由多个元素构成。

scheme://netloc/path?query#fragment

*  `scheme` is the protocol to be used, including `http`, `https`, `ftp`, `file`…
 *  `netloc` is the name of the host to connect to, such as `www.google.com`
 *  `path` is the path on that very host, such as `search`
 *  `query` is a list of key/value pairs, such as `q=fuzzing`
 *  `fragment` is a marker for a location in the retrieved document, such as `#result`

下面代码用以检查的URL的合法性。

如果是URL通过随机的字符串来生成，那么生成的字符串大多数是无效的。

因而使用随机生成字符串作为输入的模糊测试，将会非常低效。

下文将会介绍，使用覆盖率引导的模糊测试。

from urllib.parse import urlparse
    
    def http_program(url):
        """检查url的合法性"""
        supported_schemes = ["http","https"]
        result = urlparse(url)
        if result.scheme not in supported_schemes:
            raise ValueError("scheme must be one of " + repr(supported_schemes))
        if result.netloc == '':
            raise ValueError("url netloc must not be empty")
        return True
    
    def is_valid_url(url):
        try:
            http_program(url)
            return True
        except ValueError:
            return False

## 3. 突变 ##

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因为以前数学建模的时候接触过点遗传算法的概念。所以，看到这里甚是熟悉。

下面实现了随机删除、插入、翻转。

import random
    
    def delete_random_character(s):
        """在原字符串的基础上随机删除一个字符，并返回；原字符串不变"""
        if s == "":
            return s
        pos = random.randint(0,len(s)-1)
        return s[:pos] + s[pos+1:]
    
    def insert_random_character(s):
        """在原字符串的基础上随机插入一个字符，并返回；原字符串不变"""
        pos = random.randint(0,len(s)-1)
        # randint 左右闭区间，randrange左闭右开
        # randrange()功能相当于 choice(range(start, stop, step))
        random_char = chr(random.randrange(32,127)) 
        return s[:pos] + random_char + s[pos:]
    
    def flip_random_character(s):
        """在原字符串的基础上随机翻转一个bit，并返回；原字符串不变"""
        if s == "":
            return s
        pos = random.randint(0,len(s)-1)
        c = s[pos]
        bit = 1 << random.randint(0,6) # 注意这里只有七个位置可能翻转
        new_c = chr(ord(c)^bit)
        return  s[:pos] + new_c + s[pos+1:]
    
    def mutate(s):
        """随机选择一个突变方式"""
        mutators = [
            delete_random_character,
            insert_random_character,
            flip_random_character
        ]
        # print(type(mutators[0])) # 这里面存储的是函数类型，有意思
        matator = random.choice(mutators)
        return matator(s)

## 4. 突变的模糊测试 ##

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在Fuzzer类的基础上，fuzz方法使用突变的方式，生成字符串。

from fuzzingbook.fuzzingbook_utils.Fuzzer import Fuzzer
    
    class MutationFuzzer(Fuzzer):
        def __init__(self,seed, min_mutations=2,max_mutations=10):
            self.seed = seed
            self.min_mutations = min_mutations
            self.max_mutations = max_mutations
            self.reset()
        
        def reset(self):
            self.population = self.seed
            self.seed_index = 0
        
        def mutate(self,inp):
            return mutate(inp)
        
        # 从仓库中随机选择一个进行突变；
        # 仓库使用种子进行初始化（__init__中完成）
        # 这里并没有将突变生成的内容放入population
        def create_candidate(self):
            candidate = random.choice(self.population)
            trails = random.randint(self.min_mutations,self.max_mutations)
            for i in range(trails):
                candidate = self.mutate(candidate)
            return candidate
        
        def fuzz(self):
            if self.seed_index < len(self.seed):
                # 使用种子
                self.inp = self.seed[self.seed_index]
                self.seed_index += 1
            else:
                # 使用突变生成的内容
                self.inp = self.create_candidate()
            return self.inp

## 5. 基于突变的覆盖率引导的模糊测试 ##

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模糊测试的输入，仍然使用上面突变的方式生成。

这里需要解决的是，如何判断突变生成的输入，是否发现了新的路径。

下面是在继承Runner类的类的一个对象中，统计覆盖率。

class MutationCoverageFuzzer(MutationFuzzer):
        def reset(self):
            super().reset()
            self.coverages_seen = set()
            # Now empty; we fill this with seed in the first fuzz runs
            self.population = []
    
        def run(self, runner):
            """Run function(inp) while tracking coverage. If we reach new coverage, add inp to population and its coverage to population_coverage """
            result, outcome = super().run(runner)
            new_coverage = frozenset(runner.coverage())
            if outcome == Runner.PASS and new_coverage not in self.coverages_seen:
                # We have new coverage
                self.population.append(self.inp)
                self.coverages_seen.add(new_coverage)
        
            return result

## 6. 测试程序 ##

现在可以开始着手测试上面的URL代码了。

首先，我们需要一个类，这个类可以运行上面的URL代码，并统计覆盖率。

from fuzzingbook.fuzzingbook_utils.Fuzzer import Runner
    from fuzzingbook.fuzzingbook_utils.Coverage import Coverage,population_coverage
    
    class FunctionRunner(Runner):
        def __init__(self,function):
            self.function = function
        
        def run_function(self,inp):
            return self.function(inp)
        
        def run(self,inp):
            try:
                result = self.run_function(inp)
                outcome = self.PASS
            except Exception:
                result = None
                outcome = self.FAIL
            return result,outcome
     
    class FunctionCoverageRunner(FunctionRunner):
        def run_function(self,inp):
            with Coverage() as cov:
                try:
                    result = super().run_function(inp)
                except Exception as exc:
                    self._coverage = cov.coverage()
                    raise exc
            self._coverage = cov.coverage()
            return result
        
        def coverage(self):
            return self._coverage

测试下

http_runner = FunctionCoverageRunner(http_program)
    seed_input = "http://www.google.com/search?q=fuzzing"
    mutation_fuzzer = MutationCoverageFuzzer(seed=[seed_input])
    mutation_fuzzer.runs(http_runner, trials=10000)
    mutation_fuzzer.population

看下结果

all_coverage, cumulative_coverage = population_coverage(
        mutation_fuzzer.population, http_program)
    
    import matplotlib.pyplot as plt
    plt.plot(cumulative_coverage)
    plt.title('Coverage of urlparse() with random inputs')
    plt.xlabel('# of inputs')
    plt.ylabel('lines covered')

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3NpbmF0XzM4ODE2OTI0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

## 附录 ##

类的UML图代码见[仓库][Link 4]

(导出来的图像清晰度不够)  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3NpbmF0XzM4ODE2OTI0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

[The Art_ Science_ and Engineering of Fuzzing_ A Survey]: https://ieeexplore.ieee.org/document/8863940
[Link 1]: https://zhuanlan.zhihu.com/p/26927127
[Symbolic Fuzzing]: https://www.fuzzingbook.org/html/SymbolicFuzzer.html
[Mutation-Based Fuzzing]: https://www.fuzzingbook.org/html/MutationFuzzer.html
[fuzzing]: https://github.com/da1234cao/programming-language-entry-record/tree/master/fuzzing
[Link 2]: https://blog.csdn.net/sinat_38816924/article/details/110880475
[Link 3]: https://blog.csdn.net/sinat_38816924/article/details/111070878
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3NpbmF0XzM4ODE2OTI0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20221024/4bc923c329ad46498e4e53f38ebcd5c1.png
[Link 4]: https://github.com/da1234cao/programming-language-entry-record/tree/master/fuzzing/UML
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3NpbmF0XzM4ODE2OTI0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]: /images/20221024/f6ab750a67494572b28e9bdca9305361.png