基于快照的 Fuzz 工具 Wtf 的基礎使用
前言
wtf (https://github.com/0vercl0k/wtf</https://github.com/0vercl0k/wtf>) 是一種分布式、代碼覆蓋引導、可定制、基于快照的跨平臺模糊器，設計用于 fuzz 在 Microsoft Windows 平臺上運行的用戶模式或內核模式的目標。
在日常的 fuzz 的工作中，通常我們都需要先大致分析目標軟件，然后對其輸入點構造 harness，才可以使用工具對 harness 進行 fuzz，從而發現目標軟件的潛在漏洞。構造 harness 不是一件容易的事情，這取決于安全研究人員分析解構目標軟件的程度，除此之外，在部分軟件中，只有進行完整的、復雜的初始化操作和預設，才能保證 harness 調用的輸入點函數能夠正常運行。
針對這一問題，基于快照的 fuzz 工具 wtf 吸引了我的注意；我們可以對正常運行的目標軟件打下內存快照，然后對該內存快照進行 fuzz，這種方式可以不必編寫 harness，并在一定程度上減少分析目標軟件的成本。
本文從基于快照這一個特性出發，介紹 wtf 工具的基礎使用和注意事項。
本文實驗環境：
Windows 10 x64 專業版
Visual Studio 2019
WinDBG
ProxmoxVE 7.2-31. wtf概要
在 github 上可以訪問 wtf 的源碼和 README(https://github.com/0vercl0k/wtf)：
image
作者提供了 4 篇使用 wtf 進行 fuzz 的實操文章：
- Building a new snapshot fuzzer & fuzzing IDA
- Fuzzing Modern UDP Game Protocols With Snapshot-based Fuzzers
- Fuzzing RDPEGFX with "what the fuzz"
- A Journey to Network Protocol Fuzzing – Dissecting Microsoft IMAP Client Protocol
其中第一篇針對 IDA 的 fuzz，也是作者開發 wtf 的初衷，其中講訴了 wtf 的開發歷程并介紹了 wtf 的實現原理。
通過以上文章，了解到使用 wtf 進行 fuzz 可以大致分為 3 個步驟：
1. 遠程調試目標程序，并在合適的位置打下系統內存快照
2. 為內存快照編寫 wtf 的 fuzz 模塊/插件(也稱為 harness)
3. 編譯并啟動 wtf 進行 fuzz為了方便下文敘述，這里先介紹如何源碼編譯 wtf。wtf 使用 ninja 進行構建，首先我們下載 ninja(https://ninja-build.org/</https://ninja-build.org/>) 并添加到環境變量PATH中，隨后從 github 下載 wtf 源碼，打開 Visual Studio 的 x64 位開發者命令行工具(vs2019:x64 Native Tools Command Prompt for VS 2019):
# 進入 wtf 的 build 目錄
$ cd C:\Users\john\Desktop\wtf-0.4\src\build
# 執行 bat 腳本
$ .\build-release.bat執行如下：
image
編譯成功后，會在build目錄下生成wtf.exe文件，該二進制文件將支撐我們全部的 fuzz 流程。
2. fuzz hevd
wtf 提供了完整的測試用例 hevd / tlv_server，能夠幫助我們快速上手 wtf，這里我們以 hevd 為例進行介紹；hevd(HackSys Extreme Vulnerable Windows Driver)是 Windows 內核驅動漏洞靶場(https://github.com/hacksysteam/HackSysExtremeVulnerableDriver</https://github.com/hacksysteam/HackSysExtremeVulnerableDriver>)，以幫助安全研究員學習漏洞原理。
首先第一步是創建 hevd 運行時的系統內存快照，作者已經提供好了 https://github.com/0vercl0k/wtf/releases/download/v0.4/target-hevd.7z</https://github.com/0vercl0k/wtf/releases/download/v0.4/target-hevd.7z>，下載解壓后如下：
image
第二步是編寫 hevd 的 wtf fuzz 模塊/插件，其插件代碼屬于 wtf 源碼的一部分，在其中需要定義如何對快照進行初始化，如何向快照注入測試用例等操作，同樣作者也提供了 https://github.com/0vercl0k/wtf/blob/main/src/wtf/fuzzer_hevd.cc</https://github.com/0vercl0k/wtf/blob/main/src/wtf/fuzzer_hevd.cc>，如下：
image
通過build-release.bat重新編譯 wtf 以添加 hevd 插件，target-hevd已經準備好了工作目錄，如下：
$ tree target-hevd
target-hevd
├── inputs 輸入/測試用例/樣本種子文件
├── outputs 輸出/wtf發現的可產生不同的路徑的測試用例
├── coverage 覆蓋率文件夾
├── crashes 保存觸發 crash 的測試用例
└── state 快照文件夾，包含內存dump(`mem.dmp`)和CPU狀態`regs.json`
$ hexdump -C target-hevd/inputs/ioctl.bin
00000000 3b 20 22 00 |; ".|
00000004隨后便可以使用wtf.exe進行 fuzz，wtf 的 fuzz 分為 server 節點和 fuzz 節點，服務器節點負責聚合代碼覆蓋率、語料庫，生成測試用例并將其分發給客戶端，fuzz 節點運行由服務器生成和分發的測試用例，并將結果傳回服務器(代碼覆蓋率/結果等)。
$ cd C:\Users\john\Desktop\wtf-0.4\src\build
# 首先啟動 server 節點
# master 指定為 server 節點
# --name 指定插件模塊為 hevd
# --max_len 設置最大測試用例長度
# --runs 設置生成測試用例的個數
# --target 設置工作目錄
$ .\wtf.exe master --name hevd --max_len=1028 --runs=10000000 --target C:\Users\john\Desktop\target-hevd
# 再啟動一個 fuzz 節點
# fuzz 指定為 fuzz 節點
# --backend 指定執行后端為 bochscpu(還支持 whv/kvm)
$ .\wtf.exe fuzz --name hevd --backend=bochscpu --target C:\Users\john\Desktop\target-hevd執行如下：
image
運行一段時間后我們將收獲 crash，本文這里不進行擴展分析。
3. demo程序
target-hevd示例能夠讓我們快速的上手 wtf，現在我們提供個 demo 程序以便完整的學習 wtf 的基本使用，編寫 demo 程序如下：
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
__declspec(dllexport) int fuzzme(char* data);
char* argv_0 = NULL;
int __declspec(noinline) fuzzme(char* data) {
unsigned int len = strlen(data);
if (!(len > 0 && data[0] == 't')) {
printf("Error 0\n");
return 0;
}
if (!(len > 1 && data[1] == 'e')) {
printf("Error 1\n");
return 0;
}
if (!(len > 2 && data[2] == 's')) {
printf("Error 2\n");
return 0;
}
if (!(len > 3 && data[3] == 't')) {
printf("Error 3\n");
return 0;
}
//
printf("!!!!!!!!!!OK!!!!!!!!!!\n");
char* crash = NULL;
if (len > 4 && data[4] == '1') {
crash[0] = NULL;
} else if (len > 4 && data[4] == '2') {
char buffer[5] = { 0 };
// stack-based overflow to trigger the GS cookie corruption
for (int i = 0; i < 5; ++i) {
strcat(buffer, argv_0);
}
printf("buffer: %s\n", buffer);
}
else {
printf("Error 4\n");
}
return 0;
}
int main(int argc, char* argv[]) {
char ready = 0;
char data[32] = { 0 };
argv_0 = argv[0];
printf("ready?\n");
scanf("%c", &ready);
printf("input data:\n");
scanf("%16s", data);
printf("%s\n", data);
fuzzme(data);
return 0;
}在main()函數的起始位置，我們設置了一個ready標志等待用戶輸入一個字符后，再執行真正代碼邏輯，這樣可以方便我們后續調試該程序進行快照操作；隨后 demo 程序接收用戶輸入的字符串，將該字符串傳入核心函數fuzzme()進行處理，在該函數中將逐字節檢查用戶輸入是否等于test，滿足條件后若第 5 個字節為1，則手動觸發空指針訪問異常，若第 5 個字節為2，則手動觸發 GS cookie 異常，其他則調用printf()輸出。
我們將該 demo 程序編譯為wtf_test.exe，接下來的目標則是使用 wtf 對該二進制程序的fuzzme()函數進行 fuzz，找到其中的兩個異常錯誤；同樣按照上文的三大步進行。
4. 內存快照
首先我們需要搭建雙機調試環境來獲取二進制運行時的內存快照，官方推薦使用 hyper-v 虛擬機作為執行環境，我這里使用 ProxmoxVE 虛擬機環境也一樣；運行的虛擬機(debuggee)使用 1C4G 的配置，調試主機(debugger)的環境不做要求，需要注意一點，由于打內存快照涉及到大量的數據通信，雙機調試一定要使用網絡調試進行，實驗環境搭建如下：
image
在debuggee上使用命令開啟 powershell 配置網絡雙機調試如下：
# 開啟 debug
$ bcdedit /debug on
# 設置網絡調試參數
# 設置 debugger 的 ip 地址為 10.0.25.191
# 設置被調試機的端口為 50000
# 設置被調試機的連接密碼為 p.a.s.s
$ bcdedit /dbgsettings NET HOSTIP:10.0.25.191 PORT:50000 KEY:p.a.s.s
# 查看調試配置
$ bcdedit /dbgsettings除此之外，我們還需要關閉 Windows 的 KVA(Kernel Virtual Address) shadow 功能，否則 wtf 執行快照時將出現內存分頁錯誤的問題，可以使用作者提供的腳本(https://github.com/0vercl0k/wtf/blob/main/scripts/disable-kva.cmd</https://github.com/0vercl0k/wtf/blob/main/scripts/disable-kva.cmd>)進行關閉：
REM To disable mitigations for CVE-2017-5715 (Spectre Variant 2) and CVE-2017-5754 (Meltdown)
REM https://support.microsoft.com/en-us/help/4072698/windows-server-speculative-execution-side-channel-vulnerabilities
reg add "HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Control\Session Manager\Memory Management" /v FeatureSettingsOverride /t REG_DWORD /d 3 /f
reg add "HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Control\Session Manager\Memory Management" /v FeatureSettingsOverrideMask /t REG_DWORD /d 3 /f如果關閉 KVA shadow 后若還出現內存分頁錯誤，可嘗試使用 https://github.com/0vercl0k/lockmem</https://github.com/0vercl0k/lockmem> 對內存進行鎖定再進行快照。
隨后使用debugger使用 WinDBG 網絡調試連接debuggee，隨后在debuggee上執行wtf_test.exe程序，在 WinDBG 中進入目標進程空間如下：
image
此時，我們需要選擇一個「合適」的內存快照位置，因為 wtf 將會以該快照作為起始運行狀態，在wtf_test.exe中，我們的目標函數是fuzzme()，所以我們在fuzzme()函數入口打下斷點，并在wtf_test.exe程序中分別輸入g和1234以運行到斷點處，如下：
image
隨后我們使用 WinDBG 的插件 bdump (https://github.com/yrp604/bdump</https://github.com/yrp604/bdump>)對此刻的運行狀態進行快照：
# 加載 bdump.js 腳本
kd> .scriptload C:\Users\john\Desktop\bdump\bdump.js
# 打下內存快照，保存在 state 文件夾中
kd> !bdump_active_kernel "C:\\Users\\john\\Desktop\\state"執行如下：
image
在本文的實驗環境下，打內存快照大約需要 40 min。
5. 編寫wtf插件
隨后我們為 demo 程序編寫 wtf 的插件，我們可以以 https://github.com/0vercl0k/wtf/blob/main/src/wtf/fuzzer_hevd.cc作為模板進行改寫。
插件主要需要實現Init()和InsertTestcase()兩個函數，wtf 加載內存快照后，將停留在我們打下斷點/打下快照的位置，然后首先調用一次插件的Init()函數，在該函數中一般定義了：1.快照運行到何處停止、2.如何處理異常錯誤、3.如何處理IO 等操作，完成初始化操作后，隨后將在每次執行快照前，調用InsertTestcase()函數注入測試用例。
編寫 demo 的 wtf 插件如下：
#include "backend.h"
#include "targets.h"
#include "crash_detection_umode.h"
#include <fmt/format.h>
namespace Demo {
bool InsertTestcase(const uint8_t *Buffer, const size_t BufferSize) {
// "int fuzzme(char* data)" => data == Rcx
const Gva_t data = Gva_t(g_Backend->Rcx());
if (!g_Backend->VirtWriteDirty(data, Buffer, BufferSize)) {
fmt::print("VirtWriteDirty failed\n");
return false;
}
return true;
}
bool Init(const Options_t &Opts, const CpuState_t &) {
// Stop the test-case once we return back from the call [fuzzme]
const Gva_t Rsp = Gva_t(g_Backend->Rsp());
const Gva_t ReturnAddress = Gva_t(g_Backend->VirtRead8(Rsp));
if (!g_Backend->SetBreakpoint(ReturnAddress, [](Backend_t *Backend) {
fmt::print("Back from kernel!\n");
Backend->Stop(Ok_t());
})) {
fmt::print("Failed to SetBreakpoint ReturnAddress\n");
return false;
}
// setup usermode crash/exception detection hooks
if (!SetupUsermodeCrashDetectionHooks()) {
fmt::print("Failed to SetupUsermodeCrashDetectionHooks\n");
return false;
}
// patch "printf" to stdio
if (!g_Backend->SetBreakpoint("printf", [](Backend_t *Backend) {
const Gva_t StrPtr = Backend->GetArgGva(0);
const std::string &str = Backend->VirtReadString(StrPtr);
fmt::print("Demo: {}", str);
Backend->SimulateReturnFromFunction(0);
})) {
fmt::print("Failed to SetBreakpoint printf\n");
return false;
}
return true;
}
// Register the target.
Target_t Demo("demo", Init, InsertTestcase);
} // namespace Demo需要注意的是，由于快照不具備 IO 訪問能力，發生 IO 操作時 wtf 無法正確處理，所以我們應該盡量選擇一個「合適」的快照點；對于無法避免的 IO 操作，我們可以采用 patch 的方式修改邏輯，如 demo 程序中的printf()函數調用，我們在Init()中進行 patch，不會執行真正的printf()功能。
通過build-release.bat重新編譯 wtf 以添加 demo 插件。
6. fuzz demo
首先我們準備好工作目錄如下，其中state目錄就是我們上文打下的內存快照：
$ tree workdir
workdir
├── inputs
├── outputs
├── coverage
├── crashes
└── state
$ cat workdir/inputs/1.txt
1234在進行 fuzz 之前，我們先使用 wtf 的run子命令，檢查內存快照和插件是否正確運行：
$ cd C:\Users\john\Desktop\wtf-0.4\src\build
# 指定為 run 子命令
# --name 指定插件模塊為 demo
# --state 指定內存快照文件夾
# --backend 指定執行后端為 bochscpu
# --input 指定輸入文件
$ .\wtf.exe run --name demo --state C:\Users\john\Desktop\workdir\state\ --backend=bochscpu --input C:\Users\john\Desktop\workdir\inputs\1.txt執行如下：
image
如果不能按預期執行，可以使用run命令生成路徑覆蓋，隨后根據執行路徑分析問題，下文我們將介紹在 wtf 如何獲取路徑覆蓋。
隨后我們便可以對其進行 fuzz：
$ cd C:\Users\john\Desktop\wtf-0.4\src\build
# 啟動 server 節點
$ .\wtf.exe master --name demo --max_len=6 --runs=10000000 --target C:\Users\john\Desktop\workdir
# 啟動一個 fuzz 節點
$ .\wtf.exe fuzz --name demo --backend=bochscpu --target C:\Users\john\Desktop\workdir啟動執行 2min 即可獲得 crash 如下：
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其 crash 文件如下，順序尋找到我們埋在 demo 程序中的兩個異常錯誤：
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7. 覆蓋率
使用 wtf 的run子命令還可以生成路徑覆蓋，配合 IDA 以及 lighthouse 插件可以幫助我們排查 fuzz 問題和衡量 fuzz 的質量，如下：
$ cd C:\Users\john\Desktop\wtf-0.4\src\build
# 指定為 run 子命令
# --trace-path 設置覆蓋率輸出文件夾
# --trace-type 設置路徑類型為 cov
$ .\wtf.exe run --name demo --state C:\Users\john\Desktop\workdir\state\ --backend=bochscpu --input C:\Users\john\Desktop\workdir\inputs\1.txt --trace-path=C:\Users\john\Desktop\workdir\coverage --trace-type=cov執行完畢后將在C:\Users\john\Desktop\workdir\coverage下生成1.txt.trace文件，該文件沒有符號化不能直接使用，使用作者提供的工具 symbolizer(https://github.com/0vercl0k/symbolizer</https://github.com/0vercl0k/symbolizer>) 對其進行符號化處理：
$ cd C:\Users\john\Desktop\workdir\coverage
# --input 指定輸入文件
# --crash-dump 指定內存快照文件
# -o 設置輸出文件
# --style 指定符號化類型
$ C:\Users\john\Desktop\symbolizer\symbolizer.exe --input .\1.txt.trace --crash-dump C:\Users\john\Desktop\workdir\state\mem.dmp -o cov.txt --style modoff執行完畢后，將在指定目錄下生成符號化的路徑覆蓋文件cov.txt，如下：
image
隨后在 IDA 中加載wtf_test.exe文件，并使用 lighthouse 插件加載覆蓋率文件如下：
image
8. References
[1]https://github.com/0vercl0k/wtf
[2]https://github.com/0vercl0k/wtf/issues/14
[3]https://github.com/0vercl0k/lockmem[4]https://github.com/0vercl0k/symbolizer
[5]https://github.com/yrp604/bdump
[6]https://msrc.microsoft.com/blog/2018/03/kva-shadow-mitigating-meltdown-on-windows/
[7]https://blog.ret2.io/2021/07/21/wtf-snapshot-fuzzing/
