1dFuzz: Reproduce 1-Day Vulnerabilities with Directed Differential Fuzzing

这是一篇 2023 年发表在 CCS 上的研究型论文，第一作者是来自清华大学的杨松涛，通讯作者是来自清华大学的张超老师。

现有研究表明大多数用户没有及时升级和修补程序， 容易受到 1day vulnerabilities 的影响，并且漏洞时间窗口的持续时间非常长（例如几个月甚至几年），使 1day vulnerabilities 成为巨大的潜在威胁。该论文提出一种解决方案——1dFuzz ，实现对 1day vulnerabilities 的识别、定位与利用。

背景与前人工作

1day 存在的根本原因是从漏洞发布到补丁应用的时间差。1day 相较于 0day 的特殊之处在于每个人都能通过漏洞发布得知漏洞的存在，这使得 1day 的利用比 0day 更加容易。为了对抗 1day 带来的威胁，现有两种解决方案：

1. 应用 patch；

2. 在软件供应链中，从系统或网络层面扫描 1day。

第一种方案依赖于用户的自觉，已被证明是不可靠的方案。若要采用第二种方案，自然引出以下两个子问题：

1. Where are the patches in the patched binary?

2. how to generate PoCs to trigger patches?

解决子问题 1 的基本思路是差分测试。差分测试可以分为三类：（1）static binary diffing；（2）dynamic binary diffing；（3）AI-based binary diffing。差分测试面临的困难在于——编译策略、代码更新等一系列操作都会造成 binary 的差异，该如何剔除这些噪声，准确识别并定位 patch？

解决子问题 2 的基本思路有两种：（1）symbolic execution；（2）directed fuzzing。

解决方案

将 “识别、定位并利用 1day vulnerabilities” 拆解成以上两个子问题后，以下考虑逐步解决这两个子问题。

解决子问题 1

现存 AI 无法识别细粒度的 patch，故解决子问题 1 时不考虑（3）AI-based binary diffing。

为了探究如何定位并识别 patch 的问题，作者研究了 1031个 patches 后指出，patch 独特且常见的特征是 trailing call sequences (TCS)，其定义与分类如下：

Definition 1. Trailing Call Sequence (TCS). Given a program P and an input I, we denote the last N function calls before program P exits as the trailing call sequence TCS(P,I,N).

基于 TCS，可以实现对 patch 的识别与定位，从而解决子问题 1。具体实现过程：通过静态分析，构建 CG & CFG，做函数对齐去除噪声。对于每对对齐的函数，通过遍历 CG & CFG 的方式，获得两组被调用函数序列，比较这两组序列并检查它们是否不同。 如果一个集合具有另一集合中不存在的被调用函数序列，将把对齐的函数标记为 candidate patched function，这将通过定向模糊测试进一步探索。以上描述的过程对应下图红色方框部分。

解决子问题 2

symbolic execution 无法解决大型 binary 的路径爆炸问题，故解决子问题 2 时不考虑（1）symbolic execution。

为了探究如何触发 patch 的问题，首先提出一种基于 TCS 的定向 metric：基本思路是衡量 distance(source function, target function)。函数之间的 distance 定义为 1 + 1 / (2+CN) （CN 是从 caller → callee，call sites 的数量）；找到 target function 的 dominator function（前置必经函数），将 distance(dominator function, target function) 定义为测试用例的 distance。

完成了对 metric 的定义，下一步采用 directed fuzzing 方案尝试触发 patch，达到解决子问题 2 的目的。在 directed fuzzing 中，距离越小的 seed 优先级越高，但为了避免陷入局部最优解，1dFuzz 也会以小概率随机挑选一些种子优先测试。测试借助 1dSan 来捕获 PoCs。

1dFuzz 详细的实现流程请参考下图：

部分实验效果如下：

基于 TCS 设计的 1dFuzz 误报率较高，这是一个 limitation。此外作者将对测试场景进行扩展（非 C / C++ programs）以及探索补丁新特征留给 future work 去解决。