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通过灰盒Fuzzing技术来发现Mac OS X安全漏洞

翻译-原文地址：security.di.unimi.it/~joystick/pubs/eurosec14.pdf

注：部分不太重要的没有翻译。

0x01 前言

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内核是所有操作系统的核心，它的安全性非常重要。任何地方一个漏洞，都足以危害整个系统的安全。非特权用户如果找到这样的漏洞可以轻松的使整个系统崩溃，也或者取得管理员权限。可见，内核对攻击者来说更具吸引力，内核漏洞的数量也在以一个不安的趋势在上升。因为太复杂。在内核层挖掘漏洞是一件让人畏惧的事情。的确，现代内核是非常的复杂还含有很多子系统，有些是第三方开发的。通常，第三方开发的内核扩展组件没有内核本身那样安全。因为第三方组件不是开源的，也缺乏足够的测试。另外，内核有太多的用户数据接口。系统调用，文件系统和网络连接等允许用户提交数据到重要的代码路径。如果在其中找到一个bug，足以威胁到系统安全。测试用户层到内核的接口十分重要，因为它能够实现提权攻击。这是现在大多数攻击者想做的。

Windows和Linux系统的内核接口已经被深入的分析，并且有很多工具用来进行检测。但在Mac OS X上，内核提供给扩展的接口交互方法相对来说还没有被广泛深入的分析。另外，OS X系统的市场份额正在稳步提升，它将吸引更多的网络犯罪分子的注意力。本文中，我们阐述了一个自动在内核扩展中发现漏洞的framework。LynxFuzzer的设计和实现。其可以自动加载Mac OS X的内核组件。OS X内核扩展称作Kext。使用苹果公司提供的IOKit framework来进行开发。LynxFuzze使用灰盒fuzzing技术动态的生成测试数据。其机理是自动从内核扩展中提取数据，并使用它们来动态生成输入数据。进一步说，我们在LynxFuzzer中实现了3种不同的fuzzing引擎：简单数据引擎的是根据内核扩展定义来产生伪随机输入数据。突变引擎是根据嗅探到的合法数据来进行变异来生成输入数据。最后一个是进化引擎，根据进化算法，使用代码覆盖率来作为主要的验证特征。

我们决定在开源的，通过硬件辅助的虚拟化内核调试器HyperDbg的基础上开发LynxFuzzer。主要是因为Mac OS X在现有的虚拟化软件中运行会遇到很多困难。实际上苹果公司一向以其定制化硬件出名。并不能被普通的调试器模拟。这个缺点阻碍了LynxFuzzer测试一些OS X上的驱动。另外，一个硬件辅助环境可以保证在系统崩溃时，收集到关于机器的动态信息。总的来说我们的工作做出了一下几点成果：

我们设计了LynxFuzzer来自动发现内核扩展的漏洞，比如动态的加载内核模块。我们解决了几个实际困难来实现这一有效的fuzzing系统。

我们发明了一些有效的透明的技术来自动生成fuzzing输入，从而减少输入的搜寻范围，提高对Mac OS X用户态和内核交互接口fuzzing的效率。

我们扩展了一种fuzzing系统。并且在一些扩展上做了实践。我们的实验发现了6个bug。在我们分析的17个扩展之中。其中两个已经在OS X 10.9种被修补。其CVE编号为CVE－2013-5166和CVE－2013-5192。

0x01 IOKit基础

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在这一节中，我们将要简要介绍IOKit framework。这是理解LynxFuzzer的基础。

Mac OS X是苹果公司开发的操作系统，用于苹果电脑。在它的众多组件中，IOKit是对我们来说是特别重要的。IOKit是一个系统框架，库，工具和其他资源的集合。用来在OS X上开发设备驱动。它提供了一个面向对象的编程环境，和一些使得开发内核组件更加简单，用户体验更好的抽象对象。在下面结合我们的工作来做一些阐述。

任何一个OS的基本组件就是用户态与内核空间的交互通信组件。Windows和Linux通过系统调用system call和特殊的虚拟文件(例如：／dev／urandom)。IOKit支持这两种技术，但是还新增了一种新奇的更加复杂的机制，叫做设备接口(DevieceInterface)。

为了实现这种机制，内核扩展定义了一系列的可以在用户态被调用的方法。这些方法返回的参数的数量和数据的类型是被限制的。这些方法的列表和参数的限制都都存贮在被极度重要的结构体里面：这就是分派表(dispatch table)。每一个kext都可以定义一个或多个分派表。每个表都是一组结构体。每一个都包含了一个函数指针，允许的输入值和输出值，还有该方法允许接收或返回的值的数量和大小。如果输入结构体的大小不需要在输入前检验，可以将大小在表中声明为0xffffffff，然后由接收函数进行检验。任何驱动都可以拥有一个以上的分派表。IOKit允许扩展在同一时刻提供给用户空间程序以多个接口。每个kext都必须为每一个接口定义一个UserClient的子类。这些子类的实例随后与kext一起加载到内核内存(图2)。每一个UserClient对象都包含一个与它提供接口对应的分派表。

用户态程序可以通过IoConnectCallMethod()来调用kext的方法，前提是这个方法已经在kext分派表中。当然，用户态程序需要必须先找到目标实例。想解释这一过程，我们首先需要介绍一个IOKit抽象类：IOService。每一个IOKit设备驱动都是继承于它的对象，一个kext可以同时拥有不同的IOService对象。举例说明，具有代表性的就是同时有几个USB设备连接到电脑，每个都需要它自己的驱动。这些驱动都被包含在IOUSBFamily kext中，每一个都是一个特殊的IOService的子类。当一个用户态程序想要和一个设备交互时，像前面提到的一样，它会与IOKit建立一个mach连接，然后寻找合适的服务来适应设备。这个过程叫做Device Matching。

如果找到服务成功，交互通道也成功建立，用户态程序就会使用IoConnectCallMethod()来调用目标方法。在真正执行目标函数之前，程序会将控制权交给IOKit framework，由IOKit framework执行一系列操作。首先，它查询UserClient对象的分派表入口。入口地址随后被传送给externalMethod()函数，同时还有其他被执行调用kext方法所允许的参数。只有参数符合分派表要求的情况下，方法才会被调用，不然就会被阻止。

相对于一般的机制，如ioctl，整个IOKit输入控制机制提供了一个保护层。参数检查会在由用户层进入驱动层之前进行。显而易见，这些约束都使得fuzzing工作变得更加复杂。使用完全随机的参数大小来对kext的函数进行fuzz几乎是无效的。绝大多数的调用请求都会被IOKit检查并丢弃掉。我们在下一节会看到，我们fuzzer的重要一个特性就是能自动从目标中提取到参数限制，之后动态适应限制，让fuzzing更加的高效。

0x02 LynxFuzzer

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我们fuzzer的目的是在能被用户态程序调用到的kext code中发现bugs。一个可以从用户态激发的bug可以让非特权用户崩溃掉整个系统的。也甚至是执行任意内核代码。从而达到提权攻击。所以，我们决定将我们的注意力集中到设备接口跨界机制(DeviceInterface boundary-crossing mechanism)，因为它是OS X内核扩展机制中用户层和内核交互的标准。

在上一节中，需要指出的是在调用一个kext方法时，很多的约束必须得到考虑。对于每个kext来说是不同的。知道分派表中的约束能减小我们fuzzing工作量。提高fuzzing的效率。所以我们设计的LynxFuzzer能够全自动的提取信息，然后自动的进行fuzz。当然，我们的fuzzing基础设计的自动化功能不止于此。事实上，我们能提取到在用户态和内核态组件非人工交互的合法有效输入向量。这些输入可以经过精心使用来加强我们的fuzzing策略。

LynxFuzzer的基本结构可以从图3中看到，框架拥有两个主要的组件：一个在用户态，有4个子组件构成。另一个构建在调试器分析框架上。图3中还说明了LynxFuzzer内部组件的主要交互行为。tracer和调试器(hypervisor)交互得到目标分派表。一旦发现，调试器就从内核内存中取回分派表的地址，返回给tracer，tracer将其保存到data manager中以待后面使用。sniffer使用这些信息来拦截非人工的IoConnectCall()调用，收集到一些有效的输入。最后fuzzer组件开始使用自定义的参数来调用目标方法。等待最后的异常。fuzzer可以使用之前存贮的数据生成新的输入数据或者使用覆盖突变方法来生成输入，这取决于fuzzer引擎的选择。

2.1 Tracer

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tracer是LynxFuzzer的第一个运行的组件，它的任务是找到fuzz的目标。举例，它必须确定目标的哪个方法是能够被调用的。这些信息包含在目标kext的分派表中。然而，定位一个kext的分派表并不简单，因为IOKIt使用很多抽象层来对用户层隐藏信息。我们的解决方案是：任何时候用户态程序调用IoConnectCallMethod()，IOKit将会调用它的externalMethod()函数，我们对此进行监视。通过以下方法来实现，LynxFuzzer调试器对externalMethod()函数下一个断点，截断对它的调用。一旦这个陷阱(trap)被设置好，tracer就对目标kext发起一个请求，其selector参数为0。当调试器截断externalMethod()，就提取分派表的基地址。然后dump整个分派表，将它返回给tracer。最终，tracer存贮分派表到data maanger，分享给其它组件使用。

分派表的大小事先是不知道的。也不在被截断函数的参数里面。为了解决这个问题，LynxFuzzer分析分派表的结构推断出其拥有多少个入口，然后dump下来。事实上，每个表的入口由一个指针，该指针必须在目标的内存范围内。和4个连续的整数，其中两个必须在0-15之间。

2.2 Sniffer

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除了IOKit的检查，kext自己可以实现对输入的约束。所以LynxFuzzer包含了一个sniffer组件。该组件用来截断目标方法的执行，提取到它们的参数。为了实现这个我们再次利用LynxFuzzer的调试器，它可以透明的无缝的截断我们感兴趣的函数，通过检查目标kext的内存来dump它的参数。

特别的，调试器对于externalMethod()函数来说是透明的。该函数的参数包含了足够的信息来获取有效的输入。事实上，调试器用dispatch参数来区分出是哪一个kext是这次截断的目标。用selector参数来确定是哪一个方法被调用。IOExternalMethodArguments结构中包含了真正的传递进来的参数。这种结构中还包含了参数的数量和大小。它们都将会被保存到data manager。

2.3 Fuzzer

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fuzzer是LynxFuzzer的主要组件。当tracer盒sniffer获取了足够的辅助信息可以进行fuzz一个kext时，fuzzer生成对kext方法的测试集，然后通过IOKit设备接口来调用方法。图4显示了该组件的结构：一个请求生成器，一组fuzzing引擎和一个监视器。 请求生成器是一个通用的组件：它必须独立于目标kext和选择的fuzzing引擎来运转。在一次典型的执行中，它从fuzzing引擎中接收到测试数据之后，检查数据是否符合分派表中声明目标方法的要求，适当的调整以符合最后在kext中执行目标方法的IoConncetCallMethod()函数. 如果测试数据没有导致崩溃，kext发出一个回应，由monitor来接收。monitor根据接收到的放回数据和当前的fuzzing引擎来决定是否继续使用当前的引擎。所以后一个测试基于前一个测试反馈的。突变引擎和进化引擎都会使用该模式。

LynxFuzzer实现了基于会话的fuzzing：我们不多余操作，只需要发出寻找bug的请求。但是我们要从每个fuzzing会话开始记录每一个请求。这种方法很常见，特别是在fuzzing基于状态的网络协议的时候，在这种情景下也是适用的。事实上kext也拥有一种状态。这种状态会随着大量不同的fuzzing请求而变化，直到进入非正常的状态，一个bug被触发。出于这种原因，使用基于会话的记录，代替单个的请求会极大的保证一个bug的可重现性。记录fuzzer和目标kext之间的交互会话，每一个请求都被存贮在data manager中，最终fuzzer对输入数据的生成也是由影响的。LynxFuzzer三种不同引擎的细节我们马上给出。

2.3.1 随机引擎（Generation Engine）

这是最简单快速的引擎。它的生成过程可以简述如下，第一步，它生成可以包含输入数据到目标方法的数据结构。第二步，生成伪随机数据来填充这个结构体。最后，将数据通过IoConnectCallMethod()发送给目标。如果系统没有崩溃就继续反复这一过程。

2.3.2 突变引擎（Mutation Engine）

这种fuzzing方法遵循一个原则就是站在前者数据的对立面：每一个新的输入数据都是从sniffer组件收集到的有效输入数据变化生成。fuzzing的过程也比较简单：使用不同的突变函数将sniffer收集到的有效输入数据进行变异，然后使用突变后的数据进行请求。如果系统没有崩溃，monitor会检查kext给出的返回值。尽可能的将会导致kext返回error的输入值排除在下一个突变生成之外。这极大的提高了fuzzer的效率。特别是在输入结构时可变大小的时候，因为它逐步去除了那些在目标方法中被检查非法的输入。这个引擎使用的突变函数有：位翻转，字节翻转，字节交换和大小改变。

2.3.3 进化引擎（Evolution Engine）

进化引擎试图突破其他引擎的限制。尽量少的使用伪随机。利用进化算法来生成新的输入数据。

任何进化算法的核心就是适应函数(fitness function)。它定义了生成器使用的最佳元素。在LynxFuzzer里，我们开发了两种适应函数：一个测量输入向量的代码的覆盖率。另一个测量输入和最佳输入向量(导致崩溃的输入)的差距。在第一种情况中，我们极力去生成一组输入向量来给我们最佳的代码覆盖率。第二种情况在我们想在定制一个给定向量(比如一个会触发bug的向量)的时很有用。

代码覆盖率分析。我们的代码覆盖率分析方法如下：在开始调用kext方法之前，fuzzer组件告知调试器kext的代码范围。调试器将相应代码内存段的可执行属性在EPT(Extended Page Tables)入口中移除。这样只要kext执行相应页的代码时就会触发一个EPT违规。调试器跟踪到导致违规的指令。为了继续，调试器重新将不可执行夜标志为可执行，同时让程序单步执行。当调试器由于调试异常而重新获得控制权，它再将这个可执行权限移除，所以下一个指令还是会产生执行违规。当被fuzz的方法返回，fuzzer发出调用来解除跟踪。调试器存贮收集到的信息到fuzzer的一块空间中，让用户空间的组件来计算相应调用的代码覆盖率。

0x03 实验评估

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本节介绍下我们测试LynxFuzzer效率的的实验。我们测试了17个同的内核扩展。找到了6个bug。其中2个已经在OS X 10.9中得到了修复。已经被苹果公司定义为CVE-2013-5166和CVE-2013-5192。剩下的4个还没有被修复。也许会在以后版本中修复。

所有的的实验都是在安装来Mac OS X 10.8.2系统的苹果电脑(Intel i5 CPU 12G RAM)上进行的。由于苹果内核的安全机制。我们找到的漏洞没有一个可以简单溢出进行提权的攻击的。

评价fuzzer效率的的其中一个指标就是代码覆盖率水平。这个指标也许不是那么的绝对：一个fuzzer也许代码覆盖率达到100%也获取不了一个bug。但是通常都会报告这一指标，所以我们统计了LynxFuzzer的代码覆盖率。

虽然我们的调试器可以轻松的追踪每一条指令。但是给出一个精确的覆盖率还是相当不容易的。我们通过静态动态混合分析技术来估算出可以有分派表达到的代码总量。首先，我们静态的计算导出方法的指令数。塞选出所有控制转移指令CTI(control transfer instrction)。然后，对于每个CTI，如果跳转目标是同一个kext的另一个方法，我们就将其统计到总数中。

不幸的是这还是有不足之处。由于内核的面相对象特性，kext包含很多间接CTI，无法静态跟踪。对于这类指令，我们采用动态分析：我们改进了LynxFuzzer代码覆盖率分析模型，让它dump每一条kext中每一条CTI指令的目标。如果目标在静态分析中没有被检测到，我们还是将这个指令计算到总数中。

表1显示了一部分代码覆盖率的实验结果。在覆盖率栏我们显示了3种不同的覆盖率百分比：导出方法的指令数，混合分析的指令数，kext中指令总数。

我们还估算了在3.3中描述的代码覆盖率方法的开销。为此，我们在10个不同kext上运行随机引擎fuzz每个方法。将代码覆盖率统计模块分别开启和关闭，统计kext每秒可以处理的请求数。出于精确性，我们在每个模块上进行了10次重复。结果取平均值。平均开销是3.45x，最优和最差分别是1.73x和5.99x。表2给出了细节。我们可以看到，我们为获取高精度，在没有优化目标时付出了较大的代价，但是相对其他技术来说也算是很低了。

最后，评估了引擎的效率，特别指出，通过不同配置的我们的引擎都能用于发现bug，但是基于代码覆盖率的进化引擎是最快的，随机引擎最慢。