Fortschritte im Software-Testen durch Greybox-Fuzzing

Computerprogramme arbeiten in Umgebungen, die verschiedene Eingaben und Interaktionen umfassen. Diese Umgebungen können Dateien, Datenbanken, Netzwerkverbindungen und sogar Benutzeraktionen wie Mausklicks und Tasteneingaben umfassen. Da Programme von diesen Interaktionen abhängen, ist es wichtig, Software richtig zu validieren, indem man testet, wie sie sich in unterschiedlichen Umgebungen verhält.

Traditionelle Methoden zum Testen von Software basieren oft darauf, Modelle dieser Umgebungen zu erstellen, was kompliziert und zeitaufwendig sein kann. Stattdessen wurde ein neuer Ansatz entwickelt, der eine Technik namens Greybox-Fuzzing verwendet. Diese Methode zeichnet auf, wie ein Programm während der Ausführung mit seiner Umgebung interagiert, und spielt diese Interaktionen dann mit einigen Änderungen ab, um zu sehen, wie sich das Programm unter verschiedenen Situationen verhält. Dieser Prozess kann Bugs und Schwachstellen aufdecken, die mit früheren Testmethoden möglicherweise nicht gefunden wurden.

Die Technik hat erfolgreich zahlreiche Sicherheitsanfälligkeiten in bekannten Anwendungen aufgedeckt und betont, wie wichtig es ist, die Umgebung des Programms während des Tests zu berücksichtigen.

#Hintergrund

Wenn wir darüber nachdenken, wie Programme funktionieren, wird klar, dass sie nicht isoliert laufen. Sie erhalten Eingaben und produzieren Ausgaben basierend auf diesen Eingaben. Zum Beispiel reagiert eine Taschenrechneranwendung auf Tasteneingaben, indem sie Ergebnisse berechnet. Wenn die Eingaben falsch oder unerwartet sind, kann das Programm abstürzen oder sich falsch verhalten.

Fuzz-Testing oder Fuzzing ist eine automatisierte Testmethode, bei der zufällige oder unerwartete Eingaben an ein Programm gesendet werden, um Bugs oder unerwartete Verhaltensweisen zu finden. Idealerweise sollte Fuzzing unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt werden, um vollständig zu erkunden, wie sich ein Programm in unterschiedlichen Umgebungen verhält. Allerdings kann es schwierig sein, die Auswirkungen dieser komplexen Umgebungen zu erfassen.

Die traditionelle Methode zur Verwaltung verschiedener Umgebungen besteht darin, Modelle zu erstellen, wie diese Umgebungen aussehen könnten. Diese Modelle können umständlich sein und stark auf manuelle Anstrengungen angewiesen sein. Der neue Ansatz zielt darauf ab, dieses Modellieren zu vermeiden, indem er einfach die Interaktionen zwischen dem Programm und seiner Umgebung während der Programmausführung aufzeichnet.

#Der Ansatz

Die neue Methode konzentriert sich auf zwei Hauptphasen: Aufzeichnen und Wiedergeben.

#Aufzeichnungsphase

In der Aufzeichnungsphase wird das Programm wie gewohnt ausgeführt. Während es arbeitet, werden alle Interaktionen zwischen dem Programm und seiner Umgebung dokumentiert. Dazu gehören Systemaufrufe – im Wesentlichen die Methoden, die das Programm verwendet, um mit dem Betriebssystem zu kommunizieren.

Diese aufgezeichneten Interaktionen werden in einer Sequenz gespeichert, die als Grundlage für die nächste Phase dient. Jeder Datensatz enthält wichtige Details wie den Typ des Systemaufrufs, die verwendeten Argumente und seine Ergebnisse.

#Wiedergebungsphase

Nach der Aufzeichnung wird das Programm erneut ausgeführt, aber diesmal spielt es die aufgezeichneten Interaktionen wieder ab. Anstatt die ursprünglichen Eingaben aus der Umgebung zu verwenden, verändert der Fuzzer einige der aufgezeichneten Interaktionen, um zu beobachten, wie sich diese Änderungen auf das Verhalten des Programms auswirken. Dies ermöglicht den Forschern, zu erforschen, wie das Programm auf unterschiedliche Umgebungsinputs reagiert, ohne diese Umgebungen explizit modellieren zu müssen.

Das Ziel dieser fuzzy Wiederholung ist es, neue Verhaltensweisen zu erkunden, die auf Bugs oder Sicherheitslöcher im Programm hinweisen könnten.

#Warum ist das wichtig?

Das Testen von Software in komplexen Umgebungen ist aus mehreren Gründen wichtig:

1. Sicherheitsanfälligkeiten: Viele Bugs können zu Sicherheitsanfälligkeiten führen, die von Angreifern ausgenutzt werden können. Indem diese Schwächen durch Umgebungsfuzzing aufgedeckt werden, können Entwickler sie beheben, bevor sie zu einem Problem werden.

2. Echte Nutzung: Programme sehen sich oft einer Vielzahl von Eingaben gegenüber, wenn sie in der realen Welt verwendet werden. Tests in einer kontrollierten Umgebung, die ein reales Szenario simuliert, sind entscheidend, um Bugs zu finden, die Benutzer möglicherweise antreffen.

3. Effizienz: Der neue Ansatz reduziert den Bedarf an manuellen Anstrengungen, die für das Erstellen von Umweltmodellen erforderlich sind. Dies kann Zeit und Ressourcen sparen und eine gründlichere Testung innerhalb eines angemessenen Zeitrahmens ermöglichen.

4. Vielseitigkeit: Die Methode kann auf verschiedene Arten von Programmen angewendet werden, einschliesslich solcher mit grafischen Benutzeroberflächen (GUIs) und Netzwerkprotokollen, die traditionell schwer gründlich zu testen sind.

#Praktische Ergebnisse

In praktischen Begriffen hat dieser Ansatz signifikante Ergebnisse gezeigt. Zum Beispiel entdeckte er bei Tests von bekannten Anwendungen 33 zuvor unbekannte Bugs, von denen viele als kritische Sicherheitsanfälligkeiten eingestuft wurden. Die identifizierten Bugs reichten von häufigen Problemen wie Nullzeiger-Dereferenzen bis hin zu komplizierteren, die zu Anwendungsabstürzen führen könnten.

Die Effektivität dieser Technik hebt hervor, dass man sich nicht nur auf traditionelle Methoden verlassen sollte, um alle potenziellen Probleme in Software aufzudecken. Durch die Untersuchung, wie Programme mit ihren Umgebungen interagieren, können Entwickler Probleme aufdecken, die sonst unbemerkt bleiben würden.

#Herausforderungen bei konventionellem Fuzzing

Konventionelle Fuzzing-Methoden konzentrieren sich in der Regel auf eine begrenzte Anzahl von Eingaben. Sie verpassen oft den breiteren Kontext, den Umweltinteraktionen schaffen. Dieser enge Fokus kann zu folgendermassen führen:

• Unvollständige Tests: Wenn man sich nur auf bestimmte Eingabemöglichkeiten konzentriert, könnten diese Methoden entscheidende Interaktionen übersehen, die Schwachstellen aufdecken könnten.

• Vereinfachte Umgebungen: Viele Fuzzer vereinfachen die Testumgebung auf eine einzige Eingabemöglichkeit und ignorieren die Komplexität der Szenarien in der realen Nutzung.

#Beispiele für Probleme

Nehmen wir das Beispiel einer einfachen Taschenrechneranwendung mit einer GUI. Wenn das Fuzz-Testing nur den Haupt-Eingabekanal – die Tasteneingaben – betrachtet, ignoriert es viele andere Interaktionen, die auftreten könnten, wie das Programm mit seinen Ausgaben umgeht oder verschiedene andere Benutzerinteraktionen.

Dieser einfache Fokus kann zu erheblichen Lücken im Testen führen. Es könnte beispielsweise eine Situation auftreten, in der eine bestimmte Reihenfolge von Tasteneingaben die Anwendung zum Absturz bringt. Wenn der Fuzzer nicht die gesamte Palette der Interaktionen berücksichtigt, könnten diese Abstürze unentdeckt bleiben.

#Der neue Fuzzing-Algorithmus

Der neue Fuzzing-Ansatz verwendet eine systematische Methode, die darauf ausgelegt ist, die gesamte Bandbreite von Umwelteingaben zu verarbeiten, ohne Modelle erstellen zu müssen. Hier ist eine Aufschlüsselung, wie es funktioniert:

#Umwelteingaben

Die Methode behandelt alle Umwelteingaben – egal aus welcher Quelle – als potenzielle Fuzz-Ziele. Dazu gehören Dateien, Sockets und andere Eingabekanäle. Indem die Gesamtheit dessen, was das Programm antreffen kann, berücksichtigt wird, erhöht der Fuzzing-Prozess die Wahrscheinlichkeit, Bugs zu finden.

#Zustandsverfolgung

Eine der Herausforderungen im Fuzzing ist die Zustandsverfolgung. Während Programme ausgeführt werden, bewegen sie sich oft zwischen verschiedenen Zuständen, je nachdem, welche Eingabe sie erhalten. Die neue Methode betrachtet jeden Eingabaufruf als potenzielle Zustandsänderung. Das ermöglicht dem Fuzzer, zu erkunden, was passiert, wenn verschiedene Eingaben an das Programm gegeben werden, und neue Pfade und potenzielle Bugs aufzudecken.

#Effizienz bei der Erkundung

Um diese Zustände effizient zu erkunden, implementiert der Fuzzer während des Testprozesses eine baumartige Struktur. Die "Wirbelsäule" dieses Baums wird gebildet, indem die aufgezeichneten Interaktionen treu wiedergegeben werden, während Zweige aus dieser Wirbelsäule durch die Einführung von Mutationen entstehen. Diese Struktur ermöglicht eine tiefgehende Erkundung, ohne dass die gesamte Sequenz von Systemaufrufen wiederholt werden muss.

#Umgang mit Divergenz

Divergenz tritt auf, wenn das Programm beginnt, sich unter mutierten Eingaben anders zu verhalten als bei der ursprünglichen Aufzeichnung. Dies kann den Wiederholungsprozess komplizieren, da der ursprüngliche Zustand möglicherweise nicht mehr mit den mutierten Interaktionen übereinstimmt.

Um mit Divergenz umzugehen, führt der Ansatz eine entspannte Wiedergabe ein. Bei der entspannten Wiedergabe ist es dem Programm gestattet, während der Ausführung andere Wege einzuschlagen, was mehr Flexibilität im Verlauf des Fuzzing-Prozesses ermöglicht. Dies ist entscheidend, da es bedeutet, dass, wenn eine Mutation zu unerwartetem Verhalten führt, das Programm weiterlaufen kann, anstatt sofort abzubrechen.

#Feedback sammeln

Feedback ist ein entscheidender Bestandteil effektiven Fuzz-Testing. Der Prozess nutzt eine Kombination aus zwei Arten von Feedback:

1. Branch Coverage: Dies ist das Mass dafür, wie viele verschiedene Pfade durch den Programmcode getestet wurden. Indem verfolgt wird, welche Teile des Codes während des Tests ausgeübt werden, kann der Fuzzer Bereiche identifizieren, die mehr Erkundung erfordern.

2. Zustandsfeedback: Dabei wird beobachtet, wie die Ausgaben des Programms indirekt auf seine internen Zustände hinweisen können. Durch die Analyse der Ausgaben kann der Fuzzer nützliche Informationen sammeln, die weitere Tests und das gezielte Anvisieren potenziell fehleranfälliger Bereiche informieren.

#Anwendungen und Ergebnisse in der realen Welt

Die Methode hat bemerkenswerte Erfolge in einer Vielzahl von Anwendungen gezeigt. Zum Beispiel dokumentierten Forscher nach der Anwendung der Fuzzing-Technik auf verschiedenen Programmen zahlreiche zuvor unbekannte Bugs, von denen viele von Entwicklern bestätigt wurden und zu erheblichen Änderungen in der Software führten.

Der Fuzzer wurde an mehreren beliebten Anwendungen eingesetzt, darunter verschiedene GUI-Software und Netzwerkprotokolle. Die Erkenntnisse repräsentieren nicht nur theoretischen Erfolg, sondern auch praktische Verbesserungen in der Sicherheit und Funktionalität weit verbreiteter Software.

#Fazit

Das Ziel, die Komplexität der Programmumgebungen im Software-Test zu erfassen, wurde effektiv durch den neuen Ansatz, der auf Greybox-Fuzzing setzt, adressiert. Durch das Aufzeichnen von Programminteraktionen und das Abspielen dieser mit Mutationen hat diese Methode den Bug-Finding-Prozess in verschiedenen Anwendungen erheblich verbessert.

Die Auswirkungen auf die Softwareentwicklung sind erheblich. Diese Technik könnte potenziell transformieren, wie Anwendungen getestet werden, um sicherzustellen, dass sie robuster und sicherer gegen Schwachstellen sind. Da Software in unserem täglichen Leben immer wichtiger wird, werden Methoden, die die Genauigkeit und Effizienz des Software-Tests verbessern, immer wichtiger werden.

Indem man sich von Modellen entfernt und sich auf reale Interaktionen konzentriert, kann Testen zu einem zuverlässigeren Prozess werden, der Software hervorbringt, die besser funktioniert und weniger anfällig für Sicherheitsrisiken ist. Der Ansatz stellt einen bedeutenden Fortschritt im Fuzz-Testing dar und bekräftigt die Notwendigkeit, alle Aspekte der Programmumgebungen zu erkunden, was letztendlich zu sichereren und effizienteren Software-Entwicklungspraktiken führt.