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模糊测试中的静态插桩技术

计算机研究与发展 2023年第2期60卷 262-273页

作者：王明哲姜宇孙家广清华大学软件学院北京100084

模糊测试是一种行之有效的软件缺陷检测方法.其基本思想是生成大量随机输入,从而广泛探索程序行为,并以此发现程序崩溃和崩溃背后的软件缺陷.显然,纯随机的输入无法高效探索程序行为,大量程序缺陷也难以导致崩溃.为了进一步提升模糊测... 详细信息

模糊测试是一种行之有效的软件缺陷检测方法.其基本思想是生成大量随机输入,从而广泛探索程序行为,并以此发现程序崩溃和崩溃背后的软件缺陷.显然,纯随机的输入无法高效探索程序行为,大量程序缺陷也难以导致崩溃.为了进一步提升模糊测试的有效性,模糊测试往往引入静态插桩技术,用于加快探索程序状态空间速度,提升发现缺陷的能力.因此,引入静态插桩已经成为当下模糊测试的经典实践.聚焦于模糊测试场景下的插桩需求,除了介绍静态插桩技术的基本原理外,从安全特性强化和导向信息收集两个视角出发,系统性地分析了当下静态插桩的典型方法.同时,针对插桩的额外开销问题,全面地测量了不同插桩方案下的程序的执行速度,并与基线的未插桩程序进行比对.最后基于上述分析和测量,初步展望了静态插桩的优化方向.

关键词：静态插桩模糊测试软件缺陷程序分析额外开销

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模糊测试技术综述

计算机研究与发展 2021年第5期58卷 944-963页

作者：任泽众郑晗张嘉元王文杰冯涛王鹤张玉清中国科学院大学国家计算机网络入侵防范中心北京101408 兰州理工大学计算机与通信学院兰州730050 西安电子科技大学网络与信息安全学院西安710071 海南大学计算机与网络空间安全学院海口570228

模糊测试是一种安全测试技术,主要用于检测安全漏洞,近几年模糊测试技术经历了快速发展,因此有必要对相关成果进行总结和分析.通过搜集和分析网络与系统安全国际四大顶级安全会议(IEEE S&P,USENIX Security,CCS,NDSS)中相关的文章,总结... 详细信息

模糊测试是一种安全测试技术,主要用于检测安全漏洞,近几年模糊测试技术经历了快速发展,因此有必要对相关成果进行总结和分析.通过搜集和分析网络与系统安全国际四大顶级安全会议(IEEE S&P,USENIX Security,CCS,NDSS)中相关的文章,总结出模糊测试的基本工作流程,包括:预处理、输入数据构造、输入选择、评估、结果分析这5个环节,针对每个环节中面临的任务以及挑战,结合相应的研究成果进行分析和总结,其中重点分析以American Fuzzy Lop工具及其改进成果为代表的,基于覆盖率引导的模糊测试方法.模糊测试技术在不同领域中使用时,面对着巨大的差异性,通过对相应文献进行整理和分析,总结出特定领域中使用模糊测试的独特需求以及相应的解决方法,重点关注物联网领域,以及内核安全领域.近些年反模糊测试技术以及机器学习技术的进步,给模糊测技术的发展带来了挑战和机遇,这些机遇和挑战为下一步的研究提供了方向参考.

关键词：模糊测试基本工作流程物联网安全内核安全机器学习

基于启发式遗传算法的模糊测试样本集优化方案

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北京航空航天大学学报 2022年第2期48卷 217-224页

作者：王志华王浩帆程漫漫郑州大学网络空间安全学院郑州450002

模糊测试作为当前最有效的漏洞挖掘方法,不仅比其他漏洞挖掘技术更能应对复杂的程序,而且可扩展性很强。在数据量相对较大的测试中,模糊测试输入样本集存在质量低、冗余性高和可用性弱等问题。因此,对模糊测试输入样本集进行研究,提出... 详细信息

模糊测试作为当前最有效的漏洞挖掘方法,不仅比其他漏洞挖掘技术更能应对复杂的程序,而且可扩展性很强。在数据量相对较大的测试中,模糊测试输入样本集存在质量低、冗余性高和可用性弱等问题。因此,对模糊测试输入样本集进行研究,提出了启发式遗传算法,借助0-1矩阵,通过启发式遗传算法对样本的执行路径进行选取和压缩,从而获得优化后兼顾样本质量的样本集最小样本集合,进而加快模糊测试的效率。实验结果表明:在没有损失的情况下,样本集精简后模糊测试的时间比精简前降低了22%,压缩率相比传统方案提升约40%。

关键词：漏洞挖掘模糊测试集合覆盖遗传算法样本集

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HeapAFL:基于堆操作行为引导的灰盒模糊测试

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计算机研究与发展 2023年第7期60卷 1501-1513页

作者：余媛萍苏璞睿中国科学院软件研究所可信计算与信息保障实验室北京100190 中国科学院大学计算机科学与技术学院北京100190 中国科学院大学网络空间安全学院北京100190

随着软件开发环境和业务逻辑的复杂度不断增加,大量的堆内存对象生命周期及其引用关系造成堆内存操作行为错综复杂,极易引发程序错误造成漏洞.模糊测试作为高效的软件代码错误检测技术,常用于漏洞挖掘.然而,目前最先进的模糊测试工具专... 详细信息

随着软件开发环境和业务逻辑的复杂度不断增加,大量的堆内存对象生命周期及其引用关系造成堆内存操作行为错综复杂,极易引发程序错误造成漏洞.模糊测试作为高效的软件代码错误检测技术,常用于漏洞挖掘.然而,目前最先进的模糊测试工具专注于代码全覆盖功能测试,忽略了执行时堆内存操作状态信息,从而错过堆内存漏洞发现机会.针对上述问题,提出了一种基于堆操作行为引导的灰盒模糊测试方法HeapAFL,在不依赖漏洞先验知识的情况下,其通过静态分析插桩基础堆操作函数及其参数监测执行时控制流和数据流变化,反馈堆操作行为信息,指导模糊测试中种子优先变异阶段,探索多样化堆操作行为从而更高概率触发堆内存错误类漏洞.在6个真实应用程序上验证方法效果,并与6个最先进的模糊测试工具进行比较,实验中的CPU总共测试了4032 h.实验结果表明,HeapAFL在漏洞挖掘效果和崩溃发现效率上优于对比工作.在漏洞挖掘数量上,HeapAFL相比于基准模糊测试方法AFL,AFLFast,PathAFL,TortoiseFuzz,Angora,Memlock分别提升了1.32倍,1.39倍,1.92倍,1.56倍,2.78倍,2.08倍.最终,HeapAFL在数据集上挖掘到了25个堆内存错误类漏洞,其中包括19个已知的漏洞(即1 day)和6个未知的漏洞(即0 day),并报告给CVE(common vulnerabilities and exposures)官方漏洞库后已经获得了2个CVE漏洞编号,其余漏洞正在等待审核.

关键词：模糊测试堆操作行为漏洞挖掘开源软件优先变异

ADFuzz:使用异常检测筛选低频路径高效模糊测试

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计算机研究与发展 2023年第8期60卷 1912-1924页

作者：李航宇方浩然曲彦文郭帆江西师范大学计算机信息工程学院南昌330022

基于覆盖率引导的模糊测试(Fuzzing)是当前最有效的漏洞自动挖掘技术.目前大部分的模糊测试工具对于新产生的测试用例实施全追踪策略.但是随着时间的流逝,模糊工具生成的测试用例都集中在程序的高频路径,使能够产生新覆盖的测试用例远... 详细信息

基于覆盖率引导的模糊测试(Fuzzing)是当前最有效的漏洞自动挖掘技术.目前大部分的模糊测试工具对于新产生的测试用例实施全追踪策略.但是随着时间的流逝,模糊工具生成的测试用例都集中在程序的高频路径,使能够产生新覆盖的测试用例远少于已生成测试用例的总数,以至于全追踪策略花费了大量无意义的时间成本和运行开销.因此提出基于异常检测模型的模糊测试工具ADFuzz,筛选低频路径以减少高频路径的执行次数,从而加速模糊测试,持续引导模糊测试朝着低频路径方向变异运行,并扩大程序覆盖.通过ADFuzz,AFL,Untracer在12个真实程序上运行24 h的实验结果显示,相比AFL,ADFuzz平均速度提升23.8%,平均覆盖率增加11.78%,最高增加25.8%;相比Untracer,ADFuzz平均速度降低较少,但是漏洞数量和覆盖率都有较大提升.

关键词：漏洞挖掘模糊测试异常检测对抗生成网络路径频数

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结构状态覆盖导向的灰盒模糊测试技术

西安电子科技大学学报 2021年第1期48卷 117-123页

作者：刘华渊苏云飞李瑞林唐朝京国防科技大学电子科学学院湖南长沙410073

为了解决代码覆盖反馈指标无法有效解决程序状态覆盖的问题,提出一种以源码中特定代码结构的状态覆盖率作为反馈指标的模糊测试方法,引入了目标结构状态覆盖分布的概念。通过对特定结构进行插桩,统计目标结构状态分布,依据结构状态分布... 详细信息

为了解决代码覆盖反馈指标无法有效解决程序状态覆盖的问题,提出一种以源码中特定代码结构的状态覆盖率作为反馈指标的模糊测试方法,引入了目标结构状态覆盖分布的概念。通过对特定结构进行插桩,统计目标结构状态分布,依据结构状态分布筛选种子并进行能量调度,以实现程序状态覆盖均匀化。该方法实现了原型系统SFL,并与现存的代码覆盖导向的模糊测试方法AFL进行了对比试验。实验结果表明,文中的方法对程序状态覆盖更充分,能够加速特定类型漏洞的发现速度。

关键词：漏洞挖掘模糊测试网络安全

结合路径标签和数据变异的模糊测试关键数据定位方法

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北京理工大学学报 2020年第9期40卷 1009-1017页

作者：焦龙龙罗森林刘望桐潘丽敏北京理工大学信息与电子学院北京100081

针对现有的二进制程序模糊测试中关键数据定位方法资源消耗大、误报率较高等问题,提出一种结合路径标签和数据变异的模糊测试关键数据定位方法.该方法通过静态分析对二进制程序中的危险操作进行定位;使用动态插桩跟踪程序的执行过程,获... 详细信息

针对现有的二进制程序模糊测试中关键数据定位方法资源消耗大、误报率较高等问题,提出一种结合路径标签和数据变异的模糊测试关键数据定位方法.该方法通过静态分析对二进制程序中的危险操作进行定位;使用动态插桩跟踪程序的执行过程,获取危险操作的路径标签和参数;通过分析输入数据变异前后跟踪结果的异同从而进行关键数据定位.实验结果表明,该方法能够在较低的资源消耗下有效进行关键数据定位,误报率小于0.3%,同时查全率大于70%,精确率大于60%;可用于提高二进制程序模糊测试的漏洞挖掘能力,具有较强的实用价值.

关键词：关键数据程序执行路径数据变异模糊测试二进制程序

一种面向模糊测试的GUI程序空转状态实时检测方法

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软件学报 2018年第5期29卷 1288-1302页

作者：张兴冯超雷菁唐朝京国防科技大学电子科学学院湖南长沙410073

针对当前Windows下GUI软件模糊测试过程中,由于进入空转状态时刻判断不准确导致的测试效率降低的问题,利用自然语言处理的方法在函数执行迹的基础上来解决空转状态识别问题.首先分析了传统程序分析方法在空转状态判断上遇到的困难,提出... 详细信息

针对当前Windows下GUI软件模糊测试过程中,由于进入空转状态时刻判断不准确导致的测试效率降低的问题,利用自然语言处理的方法在函数执行迹的基础上来解决空转状态识别问题.首先分析了传统程序分析方法在空转状态判断上遇到的困难,提出了基于Bi-Gram模型以及统计分析的空转状态识别方法.通过Bi-Gram算法,将程序函数执行迹转换为概率特征序列;利用空转状态在特征序列中的方差特征,将空转状态特征序列从程序特征序列中分离,在此基础上,进一步提取空转状态特征并实现空转状态实时检测算法.通过对典型源码与二进制软件程序的实验测试表明,该方法在效率和准确性上优于传统方法,能够支撑对GUI程序模糊测试的需求.

关键词：模糊测试 Bi-Gram模型 GUI程序测试空转状态测试

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基于模式生成的浏览器模糊测试技术

软件学报 2018年第5期29卷 1275-1287页

作者：霍玮戴戈史记龚晓锐贾晓启宋振宇刘宝旭邹维中国科学院信息工程研究所北京100195 中国科学院网络测评技术重点实验室(中国科学院信息工程研究所) 北京100195 网络安全防护技术北京市重点实验室(中国科学院信息工程研究所) 北京100195 中国科学院大学网络空间安全学院北京100049

模糊测试被广泛应用于浏览器的漏洞挖掘,其效果好坏的决定因素之一是测试者编写的测试模式.针对特定测试模式实现成本高、生存时间短等问题,提出了一种基于模式生成的浏览器模糊测试器自动构造方法,通过解析已知漏洞触发样本,自动提取... 详细信息

模糊测试被广泛应用于浏览器的漏洞挖掘,其效果好坏的决定因素之一是测试者编写的测试模式.针对特定测试模式实现成本高、生存时间短等问题,提出了一种基于模式生成的浏览器模糊测试器自动构造方法,通过解析已知漏洞触发样本,自动提取测试模式,对模式中每个模块应用传统的变异策略,完成畸形样本的自动生成.实验结果表明:针对5款浏览器的1 089个已知漏洞触发样本,平均仅用时11.168s即可完成1 089个不同模糊测试器的自动构建,远低于人为编写的时间消耗;随机选取其中10个模糊测试器分别对IE 10、IE 11、Firefox 54.0的全补丁版本进行测试,共产生57个不同的崩溃样本,发现1个高危未知漏洞,证明该方法具有较好的未知漏洞发现能力.

关键词：模糊测试漏洞挖掘浏览器模式