AFL源码分析(II)——白盒模式下的afl-gcc分析(Part 2)

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0x00 写在前面

本文将接续第一篇文章,继续分析afl-gcc向程序中插入的关键代码。

 

0x01 afl-as源码分析(第二部分)

上一篇文章中说到,若桩代码计数器ins_lines不为0,afl-as会将main_payload_64/main_payload_32(取决于use_64bit标志位状态)插入整个汇编文件末尾。

main_payload_64代码分析

去除了对于MacOS以及OpenBSD的系统适配后,合并宏定义后代码整理结果如下:

/* --- AFL MAIN PAYLOAD (64-BIT) --- */

.text
.att_syntax
.code64
.align 8

__afl_maybe_log:
  lahf
  seto  %al

  /* Check if SHM region is already mapped. */

  movq  __afl_area_ptr(%rip), %rdx
  testq %rdx, %rdx
  je    __afl_setup

__afl_store:

  /* Calculate and store hit for the code location specified in rcx. */

#ifndef COVERAGE_ONLY
  xorq __afl_prev_loc(%rip), %rcx
  xorq %rcx, __afl_prev_loc(%rip)
  shrq $1, __afl_prev_loc(%rip)
#endif /* ^!COVERAGE_ONLY */

#ifdef SKIP_COUNTS
  orb  $1, (%rdx, %rcx, 1)
#else
  incb (%rdx, %rcx, 1)
#endif /* ^SKIP_COUNTS */

__afl_return:

  addb $127, %al
  sahf
  ret

.align 8

__afl_setup:

  /* Do not retry setup if we had previous failures. */

  cmpb $0, __afl_setup_failure(%rip)
  jne __afl_return

  /* Check out if we have a global pointer on file. */

  movq  __afl_global_area_ptr(%rip), %rdx
  testq %rdx, %rdx
  je    __afl_setup_first

  movq %rdx, __afl_area_ptr(%rip)
  jmp  __afl_store 

__afl_setup_first:

  /* Save everything that is not yet saved and that may be touched by
     getenv() and several other libcalls we'll be relying on. */

  leaq -352(%rsp), %rsp

  movq %rax,   0(%rsp)
  movq %rcx,   8(%rsp)
  movq %rdi,  16(%rsp)
  movq %rsi,  32(%rsp)
  movq %r8,   40(%rsp)
  movq %r9,   48(%rsp)
  movq %r10,  56(%rsp)
  movq %r11,  64(%rsp)

  movq %xmm0,  96(%rsp)
  movq %xmm1,  112(%rsp)
  movq %xmm2,  128(%rsp)
  movq %xmm3,  144(%rsp)
  movq %xmm4,  160(%rsp)
  movq %xmm5,  176(%rsp)
  movq %xmm6,  192(%rsp)
  movq %xmm7,  208(%rsp)
  movq %xmm8,  224(%rsp)
  movq %xmm9,  240(%rsp)
  movq %xmm10, 256(%rsp)
  movq %xmm11, 272(%rsp)
  movq %xmm12, 288(%rsp)
  movq %xmm13, 304(%rsp)
  movq %xmm14, 320(%rsp)
  movq %xmm15, 336(%rsp)

  /* Map SHM, jumping to __afl_setup_abort if something goes wrong. */

  /* The 64-bit ABI requires 16-byte stack alignment. We'll keep the
     original stack ptr in the callee-saved r12. */

  pushq %r12
  movq  %rsp, %r12
  subq  $16, %rsp
  andq  $0xfffffffffffffff0, %rsp

  leaq .AFL_SHM_ENV(%rip), %rdi
  call getenv@PLT

  testq %rax, %rax
  je    __afl_setup_abort

  movq  %rax, %rdi
  call atoi@PLT

  xorq %rdx, %rdx   /* shmat flags    */
  xorq %rsi, %rsi   /* requested addr */
  movq %rax, %rdi   /* SHM ID         */
  call shmat@PLT

  cmpq $-1, %rax
  je   __afl_setup_abort

  /* Store the address of the SHM region. */

  movq %rax, %rdx
  movq %rax, __afl_area_ptr(%rip)

  movq __afl_global_area_ptr@GOTPCREL(%rip), %rdx
  movq %rax, (%rdx)
  movq %rax, %rdx

__afl_forkserver:

  /* Enter the fork server mode to avoid the overhead of execve() calls. We
     push rdx (area ptr) twice to keep stack alignment neat. */

  pushq %rdx
  pushq %rdx

  /* Phone home and tell the parent that we're OK. (Note that signals with
     no SA_RESTART will mess it up). If this fails, assume that the fd is
     closed because we were execve()d from an instrumented binary, or because
     the parent doesn't want to use the fork server. */

  movq $4, %rdx               /* length    */
  leaq __afl_temp(%rip), %rsi /* data      */
  movq $" STRINGIFY((FORKSRV_FD + 1)) ", %rdi       /* file desc */
  call write@PLT

  cmpq $4, %rax
  jne  __afl_fork_resume

__afl_fork_wait_loop:

  /* Wait for parent by reading from the pipe. Abort if read fails. */

  movq $4, %rdx               /* length    */
  leaq __afl_temp(%rip), %rsi /* data      */
  movq $" STRINGIFY(FORKSRV_FD) ", %rdi             /* file desc */
  call read@PLT
  cmpq $4, %rax
  jne  __afl_die

  /* Once woken up, create a clone of our process. This is an excellent use
     case for syscall(__NR_clone, 0, CLONE_PARENT), but glibc boneheadedly
     caches getpid() results and offers no way to update the value, breaking
     abort(), raise(), and a bunch of other things :-( */

  call fork@PLT
  cmpq $0, %rax
  jl   __afl_die
  je   __afl_fork_resume

  /* In parent process: write PID to pipe, then wait for child. */

  movl %eax, __afl_fork_pid(%rip)

  movq $4, %rdx                   /* length    */
  leaq __afl_fork_pid(%rip), %rsi /* data      */
  movq $" STRINGIFY((FORKSRV_FD + 1)) ", %rdi             /* file desc */
  call write@PLT

  movq $0, %rdx                   /* no flags  */
  leaq __afl_temp(%rip), %rsi     /* status    */
  movq __afl_fork_pid(%rip), %rdi /* PID       */
  call waitpid@PLT
  cmpq $0, %rax
  jle  __afl_die

  /* Relay wait status to pipe, then loop back. */

  movq $4, %rdx               /* length    */
  leaq __afl_temp(%rip), %rsi /* data      */
  movq $" STRINGIFY((FORKSRV_FD + 1)) ", %rdi         /* file desc */
  call write@PLT

  jmp  __afl_fork_wait_loop

__afl_fork_resume:

  /* In child process: close fds, resume execution. */

  movq $" STRINGIFY(FORKSRV_FD) ", %rdi
  call close@PLT

  movq $" STRINGIFY((FORKSRV_FD + 1)) ", %rdi
  call close@PLT

  popq %rdx
  popq %rdx

  movq %r12, %rsp
  popq %r12

  movq  0(%rsp), %rax
  movq  8(%rsp), %rcx
  movq 16(%rsp), %rdi
  movq 32(%rsp), %rsi
  movq 40(%rsp), %r8
  movq 48(%rsp), %r9
  movq 56(%rsp), %r10
  movq 64(%rsp), %r11

  movq  96(%rsp), %xmm0
  movq 112(%rsp), %xmm1
  movq 128(%rsp), %xmm2
  movq 144(%rsp), %xmm3
  movq 160(%rsp), %xmm4
  movq 176(%rsp), %xmm5
  movq 192(%rsp), %xmm6
  movq 208(%rsp), %xmm7
  movq 224(%rsp), %xmm8
  movq 240(%rsp), %xmm9
  movq 256(%rsp), %xmm10
  movq 272(%rsp), %xmm11
  movq 288(%rsp), %xmm12
  movq 304(%rsp), %xmm13
  movq 320(%rsp), %xmm14
  movq 336(%rsp), %xmm15

  leaq 352(%rsp), %rsp

  jmp  __afl_store

__afl_die:

  xorq %rax, %rax
  call _exit@PLT

__afl_setup_abort:

  /* Record setup failure so that we don't keep calling
     shmget() / shmat() over and over again. */

  incb __afl_setup_failure(%rip)

  movq %r12, %rsp
  popq %r12

  movq  0(%rsp), %rax
  movq  8(%rsp), %rcx
  movq 16(%rsp), %rdi
  movq 32(%rsp), %rsi
  movq 40(%rsp), %r8
  movq 48(%rsp), %r9
  movq 56(%rsp), %r10
  movq 64(%rsp), %r11

  movq  96(%rsp), %xmm0
  movq 112(%rsp), %xmm1
  movq 128(%rsp), %xmm2
  movq 144(%rsp), %xmm3
  movq 160(%rsp), %xmm4
  movq 176(%rsp), %xmm5
  movq 192(%rsp), %xmm6
  movq 208(%rsp), %xmm7
  movq 224(%rsp), %xmm8
  movq 240(%rsp), %xmm9
  movq 256(%rsp), %xmm10
  movq 272(%rsp), %xmm11
  movq 288(%rsp), %xmm12
  movq 304(%rsp), %xmm13
  movq 320(%rsp), %xmm14
  movq 336(%rsp), %xmm15

  leaq 352(%rsp), %rsp

  jmp __afl_return

.AFL_VARS:

  .lcomm   __afl_area_ptr, 8
#ifndef COVERAGE_ONLY
  .lcomm   __afl_prev_loc, 8
#endif /* !COVERAGE_ONLY */
  .lcomm   __afl_fork_pid, 4
  .lcomm   __afl_temp, 4
  .lcomm   __afl_setup_failure, 1

  .comm    __afl_global_area_ptr, 8, 8

.AFL_SHM_ENV:
  .asciz  "SHM_ENV_VAR"

接下来我们逐函数进行分析。

__afl_maybe_log函数

此函数主要负责保存现场并且检查共享内存是否已被分配。

__afl_maybe_log:
  lahf
  seto  %al

  /* Check if SHM region is already mapped. */

  movq  __afl_area_ptr(%rip), %rdx
  testq %rdx, %rdx
  je    __afl_setup
  1. 使用lahf(Load AH with Flags)指令将标志寄存器的低八位(CF-进位标志、PF-奇偶标志、AF-辅助进位标志、ZF-零标志、SF-符号标志)存储到AH寄存器中。
    • 进位标志:用于反映运算是否产生进位或借位。如果运算结果的最高位产生一个进位或借位,则CF1,否则置0。运算结果的最高位包括字操作的第15位和字节操作的第7位。移位指令也会将操作数的最高位或最低位移入CF
    • 奇偶标志:用于反映运算结果低8位中“1”的个数。“1”的个数为偶数,则PF1,否则置0
    • 辅助进位标志:算数操作结果的第三位(从0开始计数)如果产生了进位或者借位则将其置为1,否则置为0,常在BCD(binary-codedecimal)算术运算中被使用。
    • 零标志:用于判断结果是否为0。运算结果0ZF1,否则置0
    • 符号标志:用于反映运算结果的符号,运算结果为负,SF1,否则置0。因为有符号数采用补码的形式表示,所以SF与运算结果的最高位相同。
  2. 使用seto %al记录此时OF(溢出标志)的状态,当标志寄存器中的此标志位置位时,将AL寄存器置位。
    • 溢出标志:反映有符号数加减运算是否溢出。如果运算结果超过了8位或者16位有符号数的表示范围,则OF1,否则置0
  3. 使用movq __afl_area_ptr(%rip), %rdx__afl_area_ptr(%rip)的值存入RDX寄存器中。此处__afl_area_ptr(%rip)是在BSS段中存储的一个一个指针,此指针指向共享内存。
  4. 使用testq %rdx, %rdx检查RDX寄存器的值是否存在,若存在则代表共享内存已被分配,否则,应当认为此时共享内存未被分配。
  5. 如果RDX为空,ZF置位,此时跳转进入__afl_setup;否则,按顺序执行__afl_store函数。

__afl_store函数

此函数主要负责记录命中桩代码的次数并计算其覆盖区域。

__afl_store:

/* Calculate and store hit for the code location specified in rcx. */

#ifndef COVERAGE_ONLY
  xorq __afl_prev_loc(%rip), %rcx
  xorq %rcx, __afl_prev_loc(%rip)
  shrq $1, __afl_prev_loc(%rip)
#endif /* ^!COVERAGE_ONLY */

#ifdef SKIP_COUNTS
  orb  $1, (%rdx, %rcx, 1)
#else
  incb (%rdx, %rcx, 1)
#endif /* ^SKIP_COUNTS */
  1. 首先,这里用到了RCX寄存器的值,如果还记得上一篇文章中对于__afl_maybe_log的调用逻辑的分析的话,应该记得RCX的值是一个随机数,而这个随机数事实上是用于标记本次桩命中逻辑的。
  2. COVERAGE_ONLY标志未被设置:
    1. __afl_prev_loc(旧值) ^ 随机数(RCX)的值存入RCX寄存器中。
    2. __afl_prev_loc(旧值) ^ __afl_prev_loc(旧值) ^ 随机数(RCX)的值存储在__afl_prev_loc中,即将随机数存入__afl_prev_loc中。
    3. __afl_prev_loc中的值逻辑右移1位。
  3. SKIP_COUNTS标志被设置,将Byte[RDX + RCX * 1]的值与1进行或操作并将结果存回原处。
    • 此处的(%rdx, %rcx, 1)是一种比例寻址的写法,语法为(基地址,偏移量,比例因子),最终取出基地址+偏移量*比例因子的值。
  4. SKIP_COUNTS标志未被设置,将Byte[RDX + RCX * 1]的值增加1。此时RDX是共享内存的地址,RCX__afl_prev_loc(旧值) ^ 随机数(RCX),而当程序进行到第二个桩时,事实上__afl_prev_loc(旧值)就是上一个桩标识 >> 1的值了。即,此步事实上就是share_mem[__afl_prev_loc(旧值) ^ 随机数(RCX)]++。实际上是存入一个64k大小的哈希表,存在碰撞几率,但是问题不大。而这个索引是通过异或得到的。

__afl_return函数

此函数主要负责AFL插入的桩代码返回。

__afl_return:
  addb $127, %al
  sahf
  ret
  1. 使用add命令将AL寄存器的值加上0x7F用以恢复OF标志的值。
  2. AH寄存器中恢复标志寄存器的低八位。
  3. 函数返回。

__afl_setup函数

此函数主要用于检查文件全局指针是否存在。

__afl_setup:

  /* Do not retry setup if we had previous failures. */

  cmpb $0, __afl_setup_failure(%rip)
  jne __afl_return

  /* Check out if we have a global pointer on file. */

  movq  __afl_global_area_ptr(%rip), %rdx
  testq %rdx, %rdx
  je    __afl_setup_first

  movq %rdx, __afl_area_ptr(%rip)
  jmp  __afl_store
  1. 检查AFL初始化失败计数器__afl_setup_failure(%rip)的值是否为0,若不为0,则跳转进入__afl_return函数。
  2. __afl_global_area_ptr(%rip)这个BSS段变量(此变量表示一个文件全局指针)的值存入RDX寄存器,检查RDX寄存器是否为空,若为空,则跳转进入__afl_setup_first函数。
  3. RDX寄存器不为空,则将RDX寄存器的值写入__afl_area_ptr随后跳入__afl_store函数。此时文件全局指针就是我们的共享内存指针。

__afl_setup_first函数

此函数主要用于获取共享内存。

__afl_setup_first:

  /* Save everything that is not yet saved and that may be touched by
     getenv() and several other libcalls we'll be relying on. */

  leaq -352(%rsp), %rsp

  movq %rax,   0(%rsp)
  movq %rcx,   8(%rsp)
  movq %rdi,  16(%rsp)
  movq %rsi,  32(%rsp)
  movq %r8,   40(%rsp)
  movq %r9,   48(%rsp)
  movq %r10,  56(%rsp)
  movq %r11,  64(%rsp)

  movq %xmm0,  96(%rsp)
  movq %xmm1,  112(%rsp)
  movq %xmm2,  128(%rsp)
  movq %xmm3,  144(%rsp)
  movq %xmm4,  160(%rsp)
  movq %xmm5,  176(%rsp)
  movq %xmm6,  192(%rsp)
  movq %xmm7,  208(%rsp)
  movq %xmm8,  224(%rsp)
  movq %xmm9,  240(%rsp)
  movq %xmm10, 256(%rsp)
  movq %xmm11, 272(%rsp)
  movq %xmm12, 288(%rsp)
  movq %xmm13, 304(%rsp)
  movq %xmm14, 320(%rsp)
  movq %xmm15, 336(%rsp)

  /* Map SHM, jumping to __afl_setup_abort if something goes wrong. */

  /* The 64-bit ABI requires 16-byte stack alignment. We'll keep the
     original stack ptr in the callee-saved r12. */

  pushq %r12
  movq  %rsp, %r12
  subq  $16, %rsp
  andq  $0xfffffffffffffff0, %rsp

  leaq .AFL_SHM_ENV(%rip), %rdi
  call getenv@PLT

  testq %rax, %rax
  je    __afl_setup_abort

  movq  %rax, %rdi
  call atoi@PLT

  xorq %rdx, %rdx   /* shmat flags    */
  xorq %rsi, %rsi   /* requested addr */
  movq %rax, %rdi   /* SHM ID         */
  call shmat@PLT

  cmpq $-1, %rax
  je   __afl_setup_abort

  /* Store the address of the SHM region. */

  movq %rax, %rdx
  movq %rax, __afl_area_ptr(%rip)

  movq __afl_global_area_ptr@GOTPCREL(%rip), %rdx
  movq %rax, (%rdx)
  movq %rax, %rdx
  1. 开辟一块0x160大小的栈空间,并保存RAXRCXRDIRSIR8R9R10R11Xmm0-Xmm15寄存器的值到栈上。
  2. 保存R12寄存器到栈上,然后将RSP保存在R12寄存器内,再开辟一段0x10大小的栈空间,进行内存对齐。
  3. 调用getenv("SHM_ENV_VAR")获取共享内存标识符,若返回空,则跳入__afl_setup_abort函数
  4. 否则,将共享内存标识符存入RDI,并调用atoi将其转换为数字。
  5. 调用shmat(RAX,0,0),即调用shmat(atoi(getenv("SHM_ENV_VAR")),0,0)来连接共享内存标识符所示的共享内存,连接成功后把共享内存区对象映射到调用进程的地址空间,随后可像本地空间一样访问。
    • shmat的函数原型为void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg)shmid表示共享内存标识符,shmaddr表示共享内存标识符指定共享内存出现在进程内存地址的什么位置,可以直接指定为NULL让内核自己决定一个合适的地址位置,shmflg表示标志位,未指定标志位时,共享内存默认为读-写权限,目前只定义了两个可用的标志位:
      • #define SHM_RDONLY 010000(只读标志):当此标志被附加时,共享内存为只读权限。
      • #define SHM_RND 020000(SHMLBA标志):当此标志被设置时,共享内存被连接到SHMLBA所指向的内存区域。
  6. 检查shmat()的返回值是否为-1,若为-1则表示共享内存分配失败,跳入__afl_setup_abort函数。
  7. 将附加好的共享内存地址存入RDX寄存器以及__afl_area_ptr
  8. __afl_global_area_ptr的地址存入RDX
  9. 将附加好的共享内存地址存入[RDX]
  10. 将附加好的共享内存地址存入RDX寄存器中
    • 这里是一种寻址的写法,可以简单的认为[__afl_global_area_ptr@GOTPCREL(%rip)]=__afl_global_area_ptr(%rip)

__afl_forkserver函数

此函数主要用于栈内存对齐以及向状态管道写入四字节以告知父进程已经准备好了。

__afl_forkserver:

  /* Enter the fork server mode to avoid the overhead of execve() calls. We
     push rdx (area ptr) twice to keep stack alignment neat. */

  pushq %rdx
  pushq %rdx

  /* Phone home and tell the parent that we're OK. (Note that signals with
     no SA_RESTART will mess it up). If this fails, assume that the fd is
     closed because we were execve()d from an instrumented binary, or because
     the parent doesn't want to use the fork server. */

  movq $4, %rdx               /* length    */
  leaq __afl_temp(%rip), %rsi /* data      */
  movq $" STRINGIFY((FORKSRV_FD + 1)) ", %rdi       /* file desc */
  call write@PLT

  cmpq $4, %rax
  jne  __afl_fork_resume
  1. 使用两次pushq %rdx来使得占内存对齐。
  2. 调用write(STRINGIFY((FORKSRV_FD + 1)),__afl_temp,4)来向指定文件描述符写4个字节,写入的内容是__afl_temp的值。
    • 此处,FORKSRV_FD的值由config.h指定,语句为#define FORKSRV_FD 198
    • 这个文件描述符实际上是程序的状态管道,具体逻辑在afl-fuzz.c中。
  3. 检查实际写入字节数是否为4字节,若不为四字节,则跳转至__afl_fork_resume函数。

__afl_fork_wait_loop函数

此函数为AFL的桩代码主逻辑,且桩代码将在此处循环。

__afl_fork_wait_loop:

  /* Wait for parent by reading from the pipe. Abort if read fails. */

  movq $4, %rdx               /* length    */
  leaq __afl_temp(%rip), %rsi /* data      */
  movq $" STRINGIFY(FORKSRV_FD) ", %rdi             /* file desc */
  call read@PLT
  cmpq $4, %rax
  jne  __afl_die

  /* Once woken up, create a clone of our process. This is an excellent use
     case for syscall(__NR_clone, 0, CLONE_PARENT), but glibc boneheadedly
     caches getpid() results and offers no way to update the value, breaking
     abort(), raise(), and a bunch of other things :-( */

  call fork@PLT
  cmpq $0, %rax
  jl   __afl_die
  je   __afl_fork_resume

  /* In parent process: write PID to pipe, then wait for child. */

  movl %eax, __afl_fork_pid(%rip)

  movq $4, %rdx                   /* length    */
  leaq __afl_fork_pid(%rip), %rsi /* data      */
  movq $" STRINGIFY((FORKSRV_FD + 1)) ", %rdi             /* file desc */
  call write@PLT

  movq $0, %rdx                   /* no flags  */
  leaq __afl_temp(%rip), %rsi     /* status    */
  movq __afl_fork_pid(%rip), %rdi /* PID       */
  call waitpid@PLT
  cmpq $0, %rax
  jle  __afl_die

  /* Relay wait status to pipe, then loop back. */

  movq $4, %rdx               /* length    */
  leaq __afl_temp(%rip), %rsi /* data      */
  movq $" STRINGIFY((FORKSRV_FD + 1)) ", %rdi         /* file desc */
  call write@PLT

  jmp  __afl_fork_wait_loop
  1. 调用read(STRINGIFY(FORKSRV_FD),__afl_temp,4),即read(198,__afl_temp,4),用以从状态管道中读取四字节状态数据。
  2. 当读取的字节数不为4字节时,跳转__afl_die函数。
  3. 一旦程序运行到此处,应当视为程序的流程命中了一次插桩,此时调用fork()函数创建一个子进程。若fork()函数返回负值,表示子进程创建失败,跳转__afl_die函数。若fork()函数返回0,表示此进程为子进程,跳转__afl_fork_resume函数。
  4. 将子进程号存储在__afl_fork_pid中。
  5. 调用write(STRINGIFY((FORKSRV_FD + 1)),__afl_fork_pid,4),即write(199,__afl_fork_pid,4),用以将子进程号发送至状态管道。
  6. 调用waitpid(__afl_fork_pid,__afl_temp,0),暂停当前进程,直到接收到子进程的信号或子进程退出为止。传入的__afl_temp将用于保存程序状态。
  7. waitpid函数返回-1,则函数出错,跳转__afl_die函数。
  8. 调用write(STRINGIFY((FORKSRV_FD + 1)),__afl_temp,4),即write(199,__afl_temp,4),用以将四字节任意数据发送至状态管道,以告知父进程,此时本进程处于等待状态。
  9. 跳回__afl_fork_wait_loop,即,进入循环。

__afl_fork_resume函数

此函数用于恢复关闭两个状态管道并恢复现场。

__afl_fork_resume:

  /* In child process: close fds, resume execution. */

  movq $" STRINGIFY(FORKSRV_FD) ", %rdi
  call close@PLT

  movq $" STRINGIFY((FORKSRV_FD + 1)) ", %rdi
  call close@PLT

  popq %rdx
  popq %rdx

  movq %r12, %rsp
  popq %r12

  movq  0(%rsp), %rax
  movq  8(%rsp), %rcx
  movq 16(%rsp), %rdi
  movq 32(%rsp), %rsi
  movq 40(%rsp), %r8
  movq 48(%rsp), %r9
  movq 56(%rsp), %r10
  movq 64(%rsp), %r11

  movq  96(%rsp), %xmm0
  movq 112(%rsp), %xmm1
  movq 128(%rsp), %xmm2
  movq 144(%rsp), %xmm3
  movq 160(%rsp), %xmm4
  movq 176(%rsp), %xmm5
  movq 192(%rsp), %xmm6
  movq 208(%rsp), %xmm7
  movq 224(%rsp), %xmm8
  movq 240(%rsp), %xmm9
  movq 256(%rsp), %xmm10
  movq 272(%rsp), %xmm11
  movq 288(%rsp), %xmm12
  movq 304(%rsp), %xmm13
  movq 320(%rsp), %xmm14
  movq 336(%rsp), %xmm15

  leaq 352(%rsp), %rsp

  jmp  __afl_store
  1. 调用close(STRINGIFY(FORKSRV_FD))close(STRINGIFY(FORKSRV_FD + 1)),即调用close(198)close(199),关闭两个状态管道。
  2. 弹出栈中的两个用于对齐的无用数据。(此数据在__afl_forkserver中被压栈)
  3. R12寄存器中恢复RSP寄存器的值。(此值在__afl_setup_first中被保存)
  4. 从栈中恢复所有在__afl_setup_first中被保存的寄存器值。
  5. 回收在__afl_setup_first中被开辟的栈空间。
  6. 跳转__afl_store函数。

__afl_die函数

__afl_die:

  xorq %rax, %rax
  call _exit@PLT

调用exit(0)退出。

__afl_setup_abort函数

__afl_setup_abort:

  /* Record setup failure so that we don't keep calling
     shmget() / shmat() over and over again. */

  incb __afl_setup_failure(%rip)

  movq %r12, %rsp
  popq %r12

  movq  0(%rsp), %rax
  movq  8(%rsp), %rcx
  movq 16(%rsp), %rdi
  movq 32(%rsp), %rsi
  movq 40(%rsp), %r8
  movq 48(%rsp), %r9
  movq 56(%rsp), %r10
  movq 64(%rsp), %r11

  movq  96(%rsp), %xmm0
  movq 112(%rsp), %xmm1
  movq 128(%rsp), %xmm2
  movq 144(%rsp), %xmm3
  movq 160(%rsp), %xmm4
  movq 176(%rsp), %xmm5
  movq 192(%rsp), %xmm6
  movq 208(%rsp), %xmm7
  movq 224(%rsp), %xmm8
  movq 240(%rsp), %xmm9
  movq 256(%rsp), %xmm10
  movq 272(%rsp), %xmm11
  movq 288(%rsp), %xmm12
  movq 304(%rsp), %xmm13
  movq 320(%rsp), %xmm14
  movq 336(%rsp), %xmm15

  leaq 352(%rsp), %rsp

  jmp __afl_return
  1. AFL初始化失败计数器__afl_setup_failure加1。
  2. R12寄存器中恢复RSP寄存器的值。(此值在__afl_setup_first中被保存)
  3. 从栈中恢复所有在__afl_setup_first中被保存的寄存器值。
  4. 回收在__afl_setup_first中被开辟的栈空间。
  5. 跳转__afl_return函数。

main_payload_64代码总结

至此,main_payload_64的所有函数分析完毕,其流程图如下:

P.S:凡是线有交叉的均使用了不同颜色的线进行标注。

但事实上这只是afl-as对目标程序进行的插桩处理,正式进行fuzz时,还会有部分关键逻辑在afl-fuzz中,我将在日后对afl-fuzz进行分析时进行详述。

main_payload_32代码分析

去除了对于MacOS以及OpenBSD的系统适配后,合并宏定义后代码整理结果如下:

/* --- AFL MAIN PAYLOAD (32-BIT) --- */

.text
.att_syntax
.code32
.align 8


__afl_maybe_log:

  lahf
  seto %al

  /* Check if SHM region is already mapped. */

  movl  __afl_area_ptr, %edx
  testl %edx, %edx
  je    __afl_setup

__afl_store:

  /* Calculate and store hit for the code location specified in ecx. There
     is a double-XOR way of doing this without tainting another register,
     and we use it on 64-bit systems; but it's slower for 32-bit ones. */

#ifndef COVERAGE_ONLY
  movl __afl_prev_loc, %edi
  xorl %ecx, %edi
  shrl $1, %ecx
  movl %ecx, __afl_prev_loc
#else
  movl %ecx, %edi
#endif /* ^!COVERAGE_ONLY */

#ifdef SKIP_COUNTS
  orb  $1, (%edx, %edi, 1)
#else
  incb (%edx, %edi, 1)
#endif /* ^SKIP_COUNTS */

__afl_return:

  addb $127, %al
  sahf
  ret

.align 8

__afl_setup:

  /* Do not retry setup if we had previous failures. */

  cmpb $0, __afl_setup_failure
  jne  __afl_return

  /* Map SHM, jumping to __afl_setup_abort if something goes wrong.
     We do not save FPU/MMX/SSE registers here, but hopefully, nobody
     will notice this early in the game. */

  pushl %eax
  pushl %ecx

  pushl $.AFL_SHM_ENV
  call  getenv
  addl  $4, %esp

  testl %eax, %eax
  je    __afl_setup_abort

  pushl %eax
  call  atoi
  addl  $4, %esp

  pushl $0          /* shmat flags    */
  pushl $0          /* requested addr */
  pushl %eax        /* SHM ID         */
  call  shmat
  addl  $12, %esp

  cmpl $-1, %eax
  je   __afl_setup_abort

  /* Store the address of the SHM region. */

  movl %eax, __afl_area_ptr
  movl %eax, %edx

  popl %ecx
  popl %eax

__afl_forkserver:

  /* Enter the fork server mode to avoid the overhead of execve() calls. */

  pushl %eax
  pushl %ecx
  pushl %edx

  /* Phone home and tell the parent that we're OK. (Note that signals with
     no SA_RESTART will mess it up). If this fails, assume that the fd is
     closed because we were execve()d from an instrumented binary, or because 
     the parent doesn't want to use the fork server. */

  pushl $4          /* length    */
  pushl $__afl_temp /* data      */
  pushl $" STRINGIFY((FORKSRV_FD + 1)) "  /* file desc */
  call  write
  addl  $12, %esp

  cmpl  $4, %eax
  jne   __afl_fork_resume

__afl_fork_wait_loop:

  /* Wait for parent by reading from the pipe. Abort if read fails. */

  pushl $4          /* length    */
  pushl $__afl_temp /* data      */
  pushl $" STRINGIFY(FORKSRV_FD) "        /* file desc */
  call  read
  addl  $12, %esp

  cmpl  $4, %eax
  jne   __afl_die

  /* Once woken up, create a clone of our process. This is an excellent use
     case for syscall(__NR_clone, 0, CLONE_PARENT), but glibc boneheadedly
     caches getpid() results and offers no way to update the value, breaking
     abort(), raise(), and a bunch of other things :-( */

  call fork

  cmpl $0, %eax
  jl   __afl_die
  je   __afl_fork_resume

  /* In parent process: write PID to pipe, then wait for child. */

  movl  %eax, __afl_fork_pid

  pushl $4              /* length    */
  pushl $__afl_fork_pid /* data      */
  pushl $" STRINGIFY((FORKSRV_FD + 1)) "      /* file desc */
  call  write
  addl  $12, %esp

  pushl $0             /* no flags  */
  pushl $__afl_temp    /* status    */
  pushl __afl_fork_pid /* PID       */
  call  waitpid
  addl  $12, %esp

  cmpl  $0, %eax
  jle   __afl_die

  /* Relay wait status to pipe, then loop back. */

  pushl $4          /* length    */
  pushl $__afl_temp /* data      */
  pushl $" STRINGIFY((FORKSRV_FD + 1)) "  /* file desc */
  call  write
  addl  $12, %esp

  jmp __afl_fork_wait_loop

__afl_fork_resume:

  /* In child process: close fds, resume execution. */

  pushl $" STRINGIFY(FORKSRV_FD)
  call  close

  pushl $" STRINGIFY((FORKSRV_FD + 1))
  call  close

  addl  $8, %esp

  popl %edx
  popl %ecx
  popl %eax
  jmp  __afl_store

__afl_die:

  xorl %eax, %eax
  call _exit

__afl_setup_abort:

  /* Record setup failure so that we don't keep calling
     shmget() / shmat() over and over again. */

  incb __afl_setup_failure
  popl %ecx
  popl %eax
  jmp __afl_return

.AFL_VARS:

  .comm   __afl_area_ptr, 4, 32
  .comm   __afl_setup_failure, 1, 32
#ifndef COVERAGE_ONLY
  .comm   __afl_prev_loc, 4, 32
#endif /* !COVERAGE_ONLY */
  .comm   __afl_fork_pid, 4, 32
  .comm   __afl_temp, 4, 32

.AFL_SHM_ENV:
  .asciz  "SHM_ENV_VAR"

32位代码与64位代码大同小异,接下来进行分析

__afl_maybe_log函数

此函数主要负责保存现场并且检查共享内存是否已被分配。

__afl_maybe_log:

  lahf
  seto %al

  /* Check if SHM region is already mapped. */

  movl  __afl_area_ptr, %edx
  testl %edx, %edx
  je    __afl_setup

与64位代码完全相同,只不过保存共享内存指针的位置变成了edx

__afl_store函数

此函数主要负责记录命中桩代码的次数并计算其覆盖区域。

__afl_store:

  /* Calculate and store hit for the code location specified in ecx. There
     is a double-XOR way of doing this without tainting another register,
     and we use it on 64-bit systems; but it's slower for 32-bit ones. */

#ifndef COVERAGE_ONLY
  movl __afl_prev_loc, %edi
  xorl %ecx, %edi
  shrl $1, %ecx
  movl %ecx, __afl_prev_loc
#else
  movl %ecx, %edi
#endif /* ^!COVERAGE_ONLY */

#ifdef SKIP_COUNTS
  orb  $1, (%edx, %edi, 1)
#else
  incb (%edx, %edi, 1)
#endif /* ^SKIP_COUNTS */

此处代码不再使用两次异或进行赋值,因为在32位下,异或的速度要慢于直接赋值。因此此处逻辑变为:

  1. COVERAGE_ONLY标志未被设置:
    1. __afl_prev_loc(旧值)的值存入EDI寄存器中。
    2. EDI ^ 随机数(ECX)__afl_prev_loc(旧值) ^ 随机数(ECX)的值存入EDI寄存器中。
    3. ECX(随机数)中的值逻辑右移1位并存入ECX
    4. ECX(右移过的随机数)存入__afl_prev_loc中。
  2. COVERAGE_ONLY标志被设置,直接将ECX(随机数)中的值存入EDI寄存器中。
  3. SKIP_COUNTS标志被设置,将[EDX + EDI * 1]的值与1进行或操作并将结果存回原处。
  4. SKIP_COUNTS标志未被设置,将[EDX + EDI * 1]的值增加1。

__afl_return函数

此函数主要负责AFL插入的桩代码返回。

__afl_return:
  addb $127, %al
  sahf
  ret

与64位版本的__afl_return函数完全相同。

__afl_setup函数

此函数主要用于分配共享内存。

__afl_setup:

  /* Do not retry setup if we had previous failures. */

  cmpb $0, __afl_setup_failure
  jne  __afl_return

  /* Map SHM, jumping to __afl_setup_abort if something goes wrong.
     We do not save FPU/MMX/SSE registers here, but hopefully, nobody
     will notice this early in the game. */

  pushl %eax
  pushl %ecx

  pushl $.AFL_SHM_ENV
  call  getenv
  addl  $4, %esp

  testl %eax, %eax
  je    __afl_setup_abort

  pushl %eax
  call  atoi
  addl  $4, %esp

  pushl $0          /* shmat flags    */
  pushl $0          /* requested addr */
  pushl %eax        /* SHM ID         */
  call  shmat
  addl  $12, %esp

  cmpl $-1, %eax
  je   __afl_setup_abort

  /* Store the address of the SHM region. */

  movl %eax, __afl_area_ptr
  movl %eax, %edx

  popl %ecx
  popl %eax

此处与64位代码不同,我们不再进行文件全局指针的检查并在此函数就进行共享内存的分配工作,不再经过__afl_setup_first函数。

  1. 检查AFL初始化失败计数器__afl_setup_failure的值是否为0,若不为0,则跳转进入__afl_return函数。
  2. 保存EAXECX的值,将它们依次入栈。
    • 此处我们没有保存FPU/MMX/SSE寄存器,但是在期望状态下,此时这三类寄存器应当未被改变。
      • FPU: 8个80位浮点寄存器(数据),16位状态寄存器,16位控制寄存器,16为标识寄存器。
      • MMX: 将8个FPU寄存器重命名为8个64位MMX寄存器,即mm0mm7。[号称多媒体处理技术]
      • SSE: 8个128位寄存器(从xmm0xmm7),MXSCR寄存器,EFLAGS寄存器,专有指令。(复杂浮点运算)
  3. 调用getenv("SHM_ENV_VAR")获取共享内存标识符,若返回空,则跳入__afl_setup_abort函数。
  4. 否则,将共享内存标识符入栈,并调用atoi将其转换为数字。
  5. 调用shmat(EAX,0,0),即调用shmat(atoi(getenv("SHM_ENV_VAR")),0,0)来连接共享内存标识符所示的共享内存,连接成功后把共享内存区对象映射到调用进程的地址空间,随后可像本地空间一样访问。
  6. 检查shmat()的返回值是否为-1,若为-1则表示共享内存分配失败,跳入__afl_setup_abort函数。
  7. 将附加好的共享内存地址存入EDX寄存器以及__afl_area_ptr
  8. 从栈中恢复EAXECX的值。

__afl_forkserver函数

此函数主要用于栈内存对齐以及向状态管道写入四字节以告知父进程已经准备好了。

__afl_forkserver:

  /* Enter the fork server mode to avoid the overhead of execve() calls. */

  pushl %eax
  pushl %ecx
  pushl %edx

  /* Phone home and tell the parent that we're OK. (Note that signals with
     no SA_RESTART will mess it up). If this fails, assume that the fd is
     closed because we were execve()d from an instrumented binary, or because 
     the parent doesn't want to use the fork server. */

  pushl $4          /* length    */
  pushl $__afl_temp /* data      */
  pushl $" STRINGIFY((FORKSRV_FD + 1)) "  /* file desc */
  call  write
  addl  $12, %esp

  cmpl  $4, %eax
  jne   __afl_fork_resume
  1. 保存EAXECXEDX的值,将它们依次入栈。
  2. 调用write(STRINGIFY((FORKSRV_FD + 1)),__afl_temp,4),即write(199,__afl_temp,4),用以将四字节任意数据发送至状态管道,以告知父进程,此时本进程处于就绪状态。
  3. 检查实际写入字节数是否为4字节,若不为四字节,则跳转至__afl_fork_resume函数。

__afl_fork_wait_loop函数

此函数为AFL的桩代码主逻辑,且桩代码将在此处循环。

__afl_fork_wait_loop:

  /* Wait for parent by reading from the pipe. Abort if read fails. */

  pushl $4          /* length    */
  pushl $__afl_temp /* data      */
  pushl $" STRINGIFY(FORKSRV_FD) "        /* file desc */
  call  read
  addl  $12, %esp

  cmpl  $4, %eax
  jne   __afl_die

  /* Once woken up, create a clone of our process. This is an excellent use
     case for syscall(__NR_clone, 0, CLONE_PARENT), but glibc boneheadedly
     caches getpid() results and offers no way to update the value, breaking
     abort(), raise(), and a bunch of other things :-( */

  call fork

  cmpl $0, %eax
  jl   __afl_die
  je   __afl_fork_resume

  /* In parent process: write PID to pipe, then wait for child. */

  movl  %eax, __afl_fork_pid

  pushl $4              /* length    */
  pushl $__afl_fork_pid /* data      */
  pushl $" STRINGIFY((FORKSRV_FD + 1)) "      /* file desc */
  call  write
  addl  $12, %esp

  pushl $0             /* no flags  */
  pushl $__afl_temp    /* status    */
  pushl __afl_fork_pid /* PID       */
  call  waitpid
  addl  $12, %esp

  cmpl  $0, %eax
  jle   __afl_die

  /* Relay wait status to pipe, then loop back. */

  pushl $4          /* length    */
  pushl $__afl_temp /* data      */
  pushl $" STRINGIFY((FORKSRV_FD + 1)) "  /* file desc */
  call  write
  addl  $12, %esp

  jmp __afl_fork_wait_loop

此函数除了因为函数调用约定导致的变化外,与64位__afl_fork_wait_loop函数逻辑相同,此处不再赘述。

__afl_fork_resume函数

此函数用于恢复关闭两个状态管道并恢复现场。

__afl_fork_resume:

  /* In child process: close fds, resume execution. */

  pushl $" STRINGIFY(FORKSRV_FD) "
  call  close

  pushl $" STRINGIFY((FORKSRV_FD + 1)) "
  call  close

  addl  $8, %esp

  popl %edx
  popl %ecx
  popl %eax
  jmp  __afl_store
  1. 调用close(STRINGIFY(FORKSRV_FD))close(STRINGIFY(FORKSRV_FD + 1)),即调用close(198)close(199),关闭两个状态管道。
  2. 从栈中恢复EDXECXEAX的寄存器值。(在__afl_forkserver函数中被保存)
  3. 跳转__afl_store函数。

__afl_die函数

__afl_die:

  xorl %eax, %eax
  call _exit

调用exit(0)退出。

__afl_setup_abort函数

__afl_setup_abort:

  /* Record setup failure so that we don't keep calling
     shmget() / shmat() over and over again. */

  incb __afl_setup_failure
  popl %ecx
  popl %eax
  jmp __afl_return
  1. AFL初始化失败计数器__afl_setup_failure加1。
  2. 从栈中恢复ECXEAX的寄存器值。(在__afl_setup函数中被保存)
  3. 跳转__afl_return函数。

main_payload_32代码总结

main_payload_32代码与64位代码相比,除了有部分因为调用约定导致的变化外,就是把桩代码初始化的过程完全移到了__afl_setup函数中,删除了__afl_setup_first函数。核心代码与逻辑并无区别。

afl-as中的add_instrumentation函数收尾

现在我们把目光移回afl-as中的add_instrumentation函数,在完成主代码插桩后,还有最后一点代码:

if (ins_lines)
  fputs(use_64bit ? main_payload_64 : main_payload_32, outf);

if (input_file) fclose(inf);
fclose(outf);

if (!be_quiet) {

  if (!ins_lines) WARNF("No instrumentation targets found%s.",
                        pass_thru ? " (pass-thru mode)" : "");
  else OKF("Instrumented %u locations (%s-bit, %s mode, ratio %u%%).",
            ins_lines, use_64bit ? "64" : "32",
            getenv("AFL_HARDEN") ? "hardened" : 
            (sanitizer ? "ASAN/MSAN" : "non-hardened"),
            inst_ratio);

}
  1. 主代码插桩结束后,检查待插桩文件的文件描述符是否已被关闭,若未被关闭,调用fclose进行关闭。
  2. 调用fclose关闭已插桩文件。
  3. be_quiet标志被设置,则输出插桩详情,包括忽略了哪些代码,插入的桩代码数等等
  4. 返回主函数

afl-as主函数收尾

afl-as中主函数在add_instrumentation函数返回后也还有最后一点代码:

if (!just_version) add_instrumentation();

if (!(pid = fork())) {

  execvp(as_params[0], (char**)as_params);
  FATAL("Oops, failed to execute '%s' - check your PATH", as_params[0]);

}

if (pid < 0) PFATAL("fork() failed");

if (waitpid(pid, &status, 0) <= 0) PFATAL("waitpid() failed");

if (!getenv("AFL_KEEP_ASSEMBLY")) unlink(modified_file);

exit(WEXITSTATUS(status));
  1. 使用fork创建一个子进程,随后在子进程中使用之前在edit_params函数中拼接好的as [args] <source.c>进行最终可执行文件的生成。
  2. fork返回值为负数,引发致命错误"fork() failed"afl-as退出。
  3. 使用waitpid阻塞主进程,等待子进程将可执行文件的生成过程运行结束,若返回值小于等于0,引发致命错误"waitpid() failed"afl-as退出。
  4. "AFL_KEEP_ASSEMBLY"环境变量不存在,将插桩后的汇编文件删除。
  5. afl-as退出。

 

0x03 关于__afl_store函数的进一步解释

此部分引用zoniony师傅在AFL源码分析笔记(一)中的表述。

__afl_store函数的内部是用来记录程序执行路径的,那么如何判断这条路径(代码)执行过,后面还要根据这些记录对后面变异有帮助。既要节约空间又要有效率,那单链表之类的肯定不能用,AFL用的是二元tuple(跳转的源地址和目标地址)来记录分支信息。

例如:

A->B->C->D->A-B

可以用[A,B] [B,C] [C,D] [D,A]四个二元组表示,只需要记录跳转的源地址和目标地址。并且[A,B]执行了两次,其余执行了一次,这里用hash映射在一张map中。具体流程如下:

  1. 为当前分支分配一个随机数$X_1$。
  2. 此时内存中保存了上一个分支的随机数$X_2$,那么$X_1 \otimes X_2$就代表这个二元tuple的索引。那么share_mem[$X_1 \otimes X_2$]++就代表记录了此路径。
  3. 但是考虑一种特殊情况A->B->A,此时,运算出的结果将为零。因此为了避免这个错误,需要在记录此路径后将此路径的随机数右移一位后再记录。即计算$X_1^{\prime} = X_1 >> 1$,然后记$X_1^{\prime}$为当前分支的随机数。

 

0x04 编译实例

接下来使用

CC=/home/error404/AFL/afl-gcc ./configure --disable-shared
make clean all

进行编译,可以看到afl-gcc确实被执行了,并且编译出的程序存在AFL桩代码

PS:为了方便调试,我的afl-gcc添加了一些打印参数的语句,使用官方仓库时的回显可能与此处不同。

 

0x04 后记

虽然网上有很多关于AFL源码的分析,但是绝大多数文章都是抽取了部分代码进行分析的,本文则逐行对源码进行了分析,下一篇文章将针对afl-fuzz源码做分析。

 

0x05 参考资料

【原】AFL源码分析笔记(一) – zoniony

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