用 protobuf & AFLplusplus 进行简易 CTF 自动化 fuzz

一、简介

看 fuzz 的结构感知时遇到了 protobuf，觉得很有意思，于是尝试使用 protobuf 来进行快速简易的 CTF fuzz。

以下以 TCTF2021-babyheap2021 为例，来简单说明一下自动化步骤。

这里主要用到以下项目：

AFL++，其中的 qemu mode + qasan
afl-libprotobuf-mutator

需要注意的是，该 fuzz 目前处于实验性版本，可能不太稳定，仅作为学习研究使用。

二、操作流程

1. 下载依赖

git clone 下 AFL++ 和 afl-libprotobuf-mutator （链接在上面）即可。

2. 配置 afl-libprotobuf-mutator

首先，用 ida64 打开 babyheap2021, F5阅读伪代码并总结其输入模板，最后用 protobuf 描述输入结构：

这类菜单题的输入模板大体上比较固定，下面的代码随便改改就能换一道题目用用。

代码编写完成后，覆盖保存至 afl-libprotobuf-mutator/gen/out.proto。注意路径必须完成一致，若遇到重名文件 out.proto 则直接替换。

如果不会写 protobuf 描述的话，可以看看这个 Protocol Buffers Tutorials。

// out.proto
syntax = "proto2";
package menuctf;

message AllocChoice {
  required int32 choice_id = 1 [default=1];
  required int32 size = 2;
  required string content = 3;
}

message UpdateChoice {
  required int32 choice_id = 1 [default=2];
  required int32 idx = 2;
  required int32 size = 3;
  required string content = 4;
}

message DeleteChoice {
  required int32 choice_id = 1 [default=3];
  required int32 idx = 2;
}

message ViewChoice {
  required int32 choice_id = 1 [default=4];
  required int32 idx = 2;
}

message ExitChoice {
  required int32 choice_id = 1 [default=5];
}

// Our address book file is just one of these.
message ChoiceList {
  message Choice {
    oneof the_choice{
      AllocChoice alloc_choice = 1;
      UpdateChoice update_choice = 2;
      DeleteChoice delete_choice = 3;
      ViewChoice view_choice = 4;
      ExitChoice exit_choice = 5;
    }
  }
  repeated Choice choice = 1;
}

到了这里，我们需要理一理思路。对于CTF题来说，大多都是直接从 stdin 中获取输入的文本数据。因此首先，我们需要编写 Protobuf::Message 转常规输入字符串的代码：

void ProtoToDataHelper(std::stringstream &out, const google::protobuf::Message &msg) {
  const google::protobuf::Descriptor *desc = msg.GetDescriptor();
  const google::protobuf::Reflection *refl = msg.GetReflection();

  const unsigned fields = desc->field_count();
  // std::cout << msg.DebugString() << std::endl;
  for (unsigned i = 0; i < fields; ++i) {
    const google::protobuf::FieldDescriptor *field = desc->field(i);

    // 对于单个 choice
    if (field->cpp_type() == google::protobuf::FieldDescriptor::CPPTYPE_MESSAGE) {
      // 如果当前是 choice list
      if (field->is_repeated()) {
        const google::protobuf::RepeatedFieldRef<google::protobuf::Message> &ptr = refl->GetRepeatedFieldRef<google::protobuf::Message>(msg, field);
        // 将每个 choice 打出来
        for (const auto &child : ptr) {
          ProtoToDataHelper(out, child);
          out << "\n";
        }
      // 如果当前是某个子 choice
      } else if (refl->HasField(msg, field)) {
        const google::protobuf::Message &child = refl->GetMessage(msg, field);
        ProtoToDataHelper(out, child);
      }
    } 
    // 对于单个 field
    else if (field->cpp_type() == google::protobuf::FieldDescriptor::CPPTYPE_INT32) {
      out << refl->GetInt32(msg, field);
      if(i < fields - 1) 
        out << " ";
    } 
    else if (field->cpp_type() == google::protobuf::FieldDescriptor::CPPTYPE_STRING) {
      out << refl->GetString(msg, field);
      if(i < fields - 1) 
        out << " ";
    } 
    else {
      abort();
    }

  }
}

之后，参照 AFL++ 的 Custom Mutators in AFL++，完成一些必要的 custom mutate 函数。这里我们需要完成以下几种函数：

void *afl_custom_init(void *afl, unsigned int seed)：在执行 custom mutate 前需要执行的初始化操作，这里只需初始化一下随机种子。
size_t afl_custom_fuzz(void *data, unsigned char *buf, size_t buf_size, unsigned char **out_buf, unsigned char *add_buf, size_t add_buf_size, size_t max_size) ：变异逻辑，在该代码中编写自己的变异逻辑。
size_t afl_custom_post_process(void* data, uint8_t *buf, size_t buf_size, uint8_t **out_buf)：将 protobuf::Message 格式的二进制数据转换成 target 可读的数据。
void afl_custom_deinit(void *data)：变异完成后需要做的事情，目前没有什么事情需要在这里进行处理。
int32_t afl_custom_init_trim(void *data, uint8_t *buf, size_t buf_size)：自定义 trim 逻辑的初始化。为了防止 trim 逻辑破坏 protobuf::Message 的二进制数据，影响正常的 Parse 过程，这里可以让该函数直接返回0，跳过每次的 trim 阶段。
size_t afl_custom_trim(void *data, uint8_t **out_buf)：自定义 trim 逻辑。由于afl_custom_init_trim函数返回0，因此实际上该函数不会被调用，但我们仍然必须声明该函数以启用自定义 trim 逻辑。

需要注意的是，这一整个 extern "C" 的代码以及内部用到的 ProtoToDataHelper 函数的代码，必须全部放在 afl-libprotobuf-mutator/src/mutate.cc 中。

由于 afl-libprotobuf-mutator 较为久远，因此大部分 AFL++ 相关的接口需要修改亿下。

// AFLPlusPlus interface
extern "C" {
  static std::default_random_engine engine_pro;
  static std::uniform_int_distribution<unsigned int> dis(0, UINT32_MAX);

  void *afl_custom_init(void *afl, unsigned int seed) {
    #pragma unused (afl)
    engine_pro.seed(seed);
    return nullptr;
  }

  void afl_custom_deinit(void *data) {
    assert(!data);
  }

  // afl_custom_fuzz
  size_t afl_custom_fuzz(void *data, unsigned char *buf, size_t buf_size, unsigned char **out_buf, 
                         unsigned char *add_buf, size_t add_buf_size, size_t max_size) {
    #pragma unused (data)
    #pragma unused (add_buf)
    #pragma unused (add_buf_size)

    static uint8_t *saved_buf = nullptr;

    assert(buf_size <= max_size);

    uint8_t *new_buf = (uint8_t *) realloc((void *)saved_buf, max_size);
    if (!new_buf) {
      *out_buf = buf;
      return buf_size;
    }
    saved_buf = new_buf;

    memcpy(new_buf, buf, buf_size);

    size_t new_size = LLVMFuzzerCustomMutator(
      new_buf,
      buf_size,
      max_size,
      dis(engine_pro)
    );
    *out_buf = new_buf;
    return new_size;
  }

  size_t afl_custom_post_process(void* data, uint8_t *buf, size_t buf_size, uint8_t **out_buf) {
    #pragma unused (data)
    // new_data is never free'd by pre_save_handler
    // I prefer a slow but clearer implementation for now

    static uint8_t *saved_buf = NULL;

    menuctf::ChoiceList msg;
    std::stringstream stream;
    // 如果加载成功
    if (protobuf_mutator::libfuzzer::LoadProtoInput(true, buf, buf_size, &msg)) {
      ProtoToDataHelper(stream, msg);
    }
    else {
      // printf("[afl_custom_post_process] LoadProtoInput Error\n");   
      // std::ofstream err_bin("err.bin");
      // err_bin.write((char*)buf, buf_size);

      // abort();

      // 如果加载失败，则返回 Exit Choice
      /// NOTE: 错误的变异 + 错误的 trim 将会导致 post process 加载失败，尤其是 trim 逻辑。
      /// TODO: 由于默认的 trim 会破坏样例，因此需要手动实现一个 trim，这里实现了一个空 trim，不进行任何操作
      ProtoToDataHelper(stream, menuctf::ExitChoice());
    }
    const std::string str = stream.str();

    uint8_t *new_buf = (uint8_t *) realloc((void *)saved_buf, str.size());
    if (!new_buf) {
      *out_buf = buf;
      return buf_size;
    }
    *out_buf = saved_buf = new_buf;

    memcpy((void *)new_buf, str.c_str(), str.size());

    return str.size();
  }

  int32_t  afl_custom_init_trim(void *data, uint8_t *buf, size_t buf_size) {
    /// NOTE: disable trim
    return 0;
  }

  size_t afl_custom_trim(void *data, uint8_t **out_buf) {
    /// NOTE: unreachable
    return 0;
  }

}

当然，编写上面的代码需要做一次又一次的测试，这里放上笔者的测试代码片段。这部分测试代码位于 afl-libprotobuf-mutator/src/dump.cc。

inline std::string slurp(const std::string& path) {
  std::ostringstream buf; 
  std::ifstream input (path.c_str()); 
  buf << input.rdbuf(); 
  return buf.str();
}

extern "C" {
  void *afl_custom_init(void *afl, unsigned int seed);
  size_t afl_custom_fuzz(void *data, unsigned char *buf, size_t buf_size, unsigned char **out_buf, 
                         unsigned char *add_buf, size_t add_buf_size, size_t max_size);
  size_t afl_custom_post_process(void* data, uint8_t *buf, size_t buf_size, uint8_t **out_buf);
  void afl_custom_deinit(void *data);
}

int main(int argc, char *argv[]) {
  menuctf::ChoiceList msg;

  if (argc == 2) {
    std::string data = slurp(argv[1]);
    if(!protobuf_mutator::libfuzzer::LoadProtoInput(true, (const uint8_t *)data.c_str(), data.size(), &msg)) {
      printf("[afl_custom_post_process] LoadProtoInput Error\n");   
      abort();
    }

    // 测试变异逻辑
    void* init_data = afl_custom_init(nullptr, time(NULL));
    for(int i = 0; i < 30; i++) {
      uint8_t *out_buf = nullptr;
      size_t new_size = afl_custom_fuzz(init_data, (uint8_t*)data.c_str(), data.size(),
                                                  &out_buf,  nullptr, 0, data.size() + 100);
      uint8_t *new_str = nullptr;
      size_t new_str_size = afl_custom_post_process(init_data, out_buf, new_size, &new_str);
      std::string new_str_str((char*)new_str, new_str_size);
      std::cout << i << ": " << new_str_str << std::endl;
    }
    afl_custom_deinit(init_data);
  } else {
    // alloc 12 "[menuctf::AllocChoice]"
    {
      auto choice = new menuctf::AllocChoice();
      choice->set_size(12);
      choice->set_content("[menuctf::AllocChoice]");

      msg.add_choice()->set_allocated_alloc_choice(choice);
    }

    // update 2 20 "[menuctf::UpdateChoice]"
    {
      auto choice = new menuctf::UpdateChoice();
      choice->set_idx(2);
      choice->set_size(20);
      choice->set_content("[menuctf::UpdateChoice]");

      msg.add_choice()->set_allocated_update_choice(choice);
    }

    // DeleteChoice 3
    {
      auto choice = new menuctf::DeleteChoice();
      choice->set_idx(3);

      msg.add_choice()->set_allocated_delete_choice(choice);
    }

    // ViewChoice 4
    {
      auto choice = new menuctf::ViewChoice();
      choice->set_idx(4);

      msg.add_choice()->set_allocated_view_choice(choice);
    }

    // ExitChoice
    {
      auto choice = new menuctf::ExitChoice();

      msg.add_choice()->set_allocated_exit_choice(choice);
    }

    std::ofstream output_file("output.bin", std::ios::binary);
    // 这里保存的 Serialize 必须使用 Partial 保存，
    msg.SerializePartialToOstream(&output_file);
    output_file.close();
  }

  // std::cout << "msg DebugString: " << msg.DebugString() << std::endl;
  std::stringstream stream;
  ProtoToDataHelper(stream, msg);
  std::cout << stream.str() << std::endl;

  return 0;
}

接下来只需在 afl-libprotobuf-mutator 文件夹下执行 ./build.sh && make即可，完成后，在当前工作路径下将会生成 dumper、libmutator.so以及mutator三个文件。我们可以利用 dumper 对上面的代码进行测试，libmutator.so 用于 afl++ 中的自定义变异。

3. 配置 AFL++

现在压力来到了 AFL++ 这里（笑），我们先试试看能不能马上跑起来。

尝试执行以下命令来构建 AFL++：

# 构建 AFLplusplus
# 1. 安装依赖项
sudo apt-get update
sudo apt-get install -y ninja-build build-essential python3-dev automake git flex bison libglib2.0-dev libpixman-1-dev python3-setuptools
# try to install llvm 11 and install the distro default if that fails
sudo apt-get install -y lld-11 llvm-11 llvm-11-dev clang-11 || sudo apt-get install -y lld llvm llvm-dev clang 
sudo apt-get install -y gcc-$(gcc --version|head -n1|sed 's/.* //'|sed 's/\..*//')-plugin-dev libstdc++-$(gcc --version|head -n1|sed 's/.* //'|sed 's/\..*//')-dev
# 2. 开始构建
cd AFLplusplus
make distrib # 这一步要等一段时间
# sudo make install # 将 AFL++ 安装至本机
# 如果不需要了可以使用 sudo make uninstall 卸载

4. 运行

执行以下命令运行 AFL++：

# AFL++ 构建完成后，进入 workdir 配置语料
mkdir workdir
[配置语料等等...]

# 设置相关环境变量
export AFL_CUSTOM_MUTATOR_ONLY=1 # 禁用除自定义 mutator 以外的其他自带 mutator
export AFL_CUSTOM_MUTATOR_LIBRARY=../afl-libprotobuf-mutator/libmutator.so # 指定自定义路径
export AFL_USE_QASAN=1  # 启用 QASAN

# 运行 AFL++
AFLplusplus/afl-fuzz -i workdir/fuzz_input -o workdir/fuzz_output -Q -- ./babyheap

别忘记在 workdir 中放点输入语料，语料可以通过 afl-libprotobuf-mutator/dumper 来随便生成一点。

运行时如果遇到 afl-quemu-trace 不存在，则单独执行AFLplusplus/qemu_mode/build_qemu_support.sh 构建即可。

三、源代码

相关源代码以及构建方式已开源至 github 上。

重申一下，该 fuzz 目前处于实验性版本，可能有亿点点不太稳定（笑）。

四、可改进的地方

libprotobuf-mutator 的变异效果一般，最好手动改进一下
需要实现一下 trim 逻辑，空的 trim 逻辑可能会产生 样例爆炸

五、一些需要注意的点

如果在运行 AFL++ 后，发现 fuzz 始终无法发现新路径，即路径始终只有一个，那么就必须考虑目标CTF文件是否可执行。以当前的 babyheap2021 为例，笔者在测试时初始 AFL++ 状态如下：

尝试直接执行 babyheap，发现 Permission Denied无法执行。但即便赋以 excutable 权限，仍然无法执行，报错 no such file or directory：

这一看，要么是架构问题，要么是 libc.so / ld.so 的问题。因此执行以下命令以更新 babyheap 所使用的 libc.so & ld.so，之后便可以正常执行。

patchelf --set-interpreter /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 ./babyheap
patchelf --replace-needed libc.so libc.so.6 ./babyheap

跑起来效果，还行？（不是很懂.jpg）

正文

用 protobuf & AFLplusplus 进行简易 CTF 自动化 fuzz

一、简介

二、操作流程

1. 下载依赖

2. 配置 afl-libprotobuf-mutator

3. 配置 AFL++

4. 运行

三、源代码

四、可改进的地方

五、一些需要注意的点

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