在AOSP中跑AFL的解决方案

1. TL;DR


xxxxxxxxxx
1
<= clone afl
2
$ git clone https://github.com/google/AFL
3
$ mmm AFL
4
5
<= clone 测试程序
6
$ git clone https://github.com/xiangxiaobo/afl-android-fuzzme
7
$ SANITIZE_TARGET="address coverage" mmm afl-android-fuzzme
8
9
<= push 到安卓设备上
10
$ adb push $OUT/system/bin/afl-fuzz /data/local/tmp
11
$ adb push $OUT/system/bin/afl-fuzzme /data/local/tmp
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$ adb shell
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$ cd /data/local/tmp
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<= 直接fuzz
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$ mkdir in
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$ echo SEED > in/SEED
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$ ./afl-fuzz -i in -o out -m none -- ./afl-fuzzme @@
19
<=== wait for crash

2. 背景

大约在2019年11、12月的时候，开发者 JoeyJiao 先后给 AFL 提交了两份 commit [1][2]并被AFL merge到了master分支。从此AFL终于有了官方的Android平台支持。

原生的AFL无法直接在安卓平台运行的原因是共享内存机制的差异。AFL使用的是shmat, shmget 等调用来完成内存的映射等操作，这段共享内存会被直接用于存放收集到的边路径覆盖信息并与afl-fuzz主程序进行共享，而安卓系统使用的是bionic libc，并未提供shmat等调用，而是转而使用匿名共享内存ashmem[3]。

在此之前，也有人对AFL on Android进行过适配，并且都很好用，我所知最早的是2015年Adrian在afl-users论坛中贴出来的patch文件[4]，而后2016年又有 ele7enxxh 在github中放出来的android-afl。不过Android 7.0之后，随着AOSP的编译方式已经由传统的make && Android.mk全面转向 soong编译系统 && Android.bp，如今直接用它们对AOSP中的代码进行Fuzz总觉得不那么顺手。

在JoeyJiao的两份提交里，首先是给AFL添加了一个 android-ashmem.h 文件，用于解决共享内存的问题，而后又提供了一个Android.bp文件，可直接使用mmm/mm/make afl-fuzz等方式将之编译成可在安卓设备上运行的可执行文件。不过关于如何具体在安卓上使用的文档并未给出，当然我们也可以在AFL的issue里看到sakura大佬的提问[6]，JoeyJiao 为此也给出一个简便的guide。

在这份 guide里，对于 Android.mk 项目的支持很完善，因为mk格式的编译脚本本来就支持 LOCAL_CC, LOCAL_CXX，可以直接定义编译此工程所使用的clang/clang++的路径，不过对于An droid.bp项目，由于没法自定义clang/clang++（我又翻了一遍soong的文档以及源代码，仍未找到能自定义的地方[7][[8]），因此就需要去全局地改动 build/soong 目录下的go文件了，这种方式看起来可能不够优雅（似乎在此issue下ele7enxxh也这么觉得），Joey为此也慷慨地给出了他的patch[9]。至此，已经扫清了全部障碍。

由于某些原因，我也动过build/soong中的内容，每次动的时侯，再次编译aosp中的project就会全盘重来，所以改build中的go脚本我内心是隐隐抗拒的，毕竟，出不出得来洞是一时的事，追求极致优雅是一辈子的事情。

3. AFL & afl-clang-fast

3.1 afl-gcc

通常来讲，如要使用 AFL 对目标进行Fuzz，首先要使用 afl-gcc/afl-g++ 对其进行插桩。

也就是文档中给出的经典使用方法：


x
1
CC=afl-gcc ./configure

插桩的目的是为了对目标程序进行必要的改装，改装的方面有这么几个：

插入fork server
映射共享内存
覆盖统计插桩

其中fork server是AFL中一个十分精妙的设计，可用于减少每次都重启目标进程导致的开销，从而大大提高fuzz的效率，当然，如果显式地使用 NO_FORKSERVER 选项，那么第一项也可以去掉；映射的共享内存用于存储运行过程中收集到的路径信息，反馈给fuzz主进程以进行决策；而在每一个基本块都插入的覆盖统计函数（__afl_maybe_log）用于记录程序的运行状态。

afl-gcc 的源码中，做的事情有三个

找到编译所需的可执行文件的路径（find_as）
修改编译参数（edit_params）
重新执行真正的gcc (execvp)

在afl-gcc执行时，会使用一个自定义的汇编器 afl-as 对源代码进行汇编，afl-as 会向程序中插入一大段的汇编代码（位于 afl-as.h 文件中）以完成上述的插桩操作。也正是因为插入的是汇编代码，所以早期的AFL对arm平台的支持也不佳。

3.2 AFL LLVM mode -- with LLVM Pass

除了GCC外，AFL还支持LLVM模式，在此模式下，仍然要对目标程序进行 3.1 章节中提到的三个方面的改装。

AFL的llvm_mode 下有一个 afl-llvm-pass.so.cc 的文件，这部分代码用于在clang/clang++编译源代码的时候，加载一个定义好的 llvm pass，对每个基本块都插入覆盖统计的代码。

LLVM Pass的插桩模式是在它翻译成IR中间语言之后进行的，因此也就不用再对每个平台都进行汇编的手写工作了。

3.3 AFL LLVM mode -- without LLVM Pass

路径的统计不只是AFL在做，LLVM后来也有了自己的 sanitizer coverage[10]，如果在编译的时候，加上了 -fsanitize-coverage=trace-pc-guard 选项，那么编译器会在模块加载时自动添加一个 __sanitizer_cov_trace_pc_guard_init 函数，并在每个基本块的起始处都插入一个 __sanitizer_cov_trace_pc_guard(&guard_variable)函数，从而自动地统计程序走过的路径。

sanitizer coverage 本来是结合 __sanitizer_cov_reset 以及 __sanitizer_cov_dump 来使用的，在运行时，程序会链接到 LLVM compiler_rt 中的runtime库进行覆盖统计。

而AFL的方法是自己在 afl-llvm-rt.o.c 里面重写了__sanitizer_cov_trace_pc_guard_init 以及 __sanitizer_cov_trace_pc_guard 函数，相当于接管了LLVM的 runtime库，以此将它变成AFL自己的路径覆盖统计器。不过这种方法也会带来一定的效率上的损失，因为 3.2 中插入的指令是 load 等基础的指令，而 trace-pc-guard 是通过插入一个 call 来完成的覆盖统计，因此据官方统计，大概会有20%左右的效率损耗[11]。

在 afl-llvm-rt 里面，有一个带 constructor 属性的 __afl_auto_init 函数。这个函数会在程序的 main 函数执行之前就执行，在这里面能够完成包括 fork server 的实现与交互、共享内存的映射、以及上文提到的两个函数的重写（用于路径的统计）等操作，加上由 trace-pc-guard 选项所带来的插桩功能，已经基本完成了需要对目标程序实施的所有改造操作。于是我再看了一下 afl-clang-fast 中的代码，已经可以确定，这个clang wrapper它可有可无。

JoeyJiao 在给 afl-llvm-rt 编写 bp 规则的时候，是将它变成了一个静态链接库，所以，要对AOSP中的project进行Fuzz，直接链这个静态库就可以了，不需要对编译过程中所使用的 clang/clang++进行任何的修改或替换操作。

也即 ... 目标程序的 build 规则简洁如下：


xxxxxxxxxx
1
   cc_binary{
2
       name:"afl-fuzzme",
3
       srcs:[
4
           "main.c",
5
       ],
6
       static_libs:[
7
           "afl-llvm-rt",  //// <=== 唯一要加的东西
8
       ],
9
   }

此外，AOSP的build系统支持一个叫做 SANITIZE_TARGET 的环境变量，当在此环境变量下加一个 coverage的时候，即可在编译过程中，自动地将 -fsantize-coverage=trace-pc-guard 选项开启。因此，编译命令简洁如下：


1
SANITIZE_TARGET="address coverage" mmm afl-android-fuzzme

ps: coverage选项会和shadow call stack 缓解机制产生冲突，而scs在android10中某些项目中有启用，若仅用于测试目的，可将之手动关闭。

至此，我好了。

Elphet's Blog

2020年4月26日星期日

在AOSP上跑AFL的解决方案