1.1 概述

由于上周關于fuzzing的論文閱讀中多次提到instrumentation技術,故搜索相關資料進行學習。

根據維基百科[1]與IBM的介紹[2],插樁是一種測試程序性能、檢測錯誤、獲取程序執行信息的技術。

根據百度百科[4],插樁技術最早由J.C. Huang提出[3]。在保證被測程序原有邏輯完整性的基礎上在程序中插入一些探針(probe),即添加一些代碼,獲得程序的控制流和數據流信息。例如通過自動工具或手動,在函數執行前后插入讀取計時器的代碼,獲取函數執行時間。

根據對象不同,可以分為源代碼插樁和二進制插樁(也叫binary、目標程序插樁)。

根據粒度,可以分為函數級別插樁、基本塊級別插樁、邊界級別插樁(按照代碼執行路徑進行插樁)、指令級別插樁。

根據分析方法,可分為靜態插樁和動態插樁[5]。靜態插樁技術包括簡單的手動插樁,基于編譯器/匯編器的插樁,以及鏈接時或鏈接后的可執行文件編輯。動態插樁技術的實現往往比靜態的更復雜,但可以跟蹤動態鏈接的庫和間接分支,而這些是靜態插樁難以處理的。

常見的插樁位置包括:a.程序的第一條語句;b.分支語句的開始;c.循環語句的開始;d.下一個入口語句之前的語句;e.程序的結束語句;f.分支語句的結束;g.循環語句的結束。

常見插樁策略包括:語句覆蓋探針(基本塊探針):在基本塊的入口和出口處,分別植入相應的探針,以確定程序執行時該基本塊是否被覆蓋;分支覆蓋探針:c/c++語言中,分支由分支點確定。對于每個分支,在其開始處植入一個相應的探針,以確定程序執行時該分支是否被覆蓋;條件覆蓋探針:c/c++語言中,if, swich,while, do-while, for 幾種語法結構都支持條件判定,在每個條件表達式的布爾表達式處植入探針,進行變量跟蹤取值,以確定其被覆蓋情況。

1.2 動態二進制插樁(dynamic binary instrumentation ,DBI)

對binary的插樁可分為兩種情況:一種是對未運行的目標代碼插樁,從頭到尾插人測試代碼,然后執行程序。這種方式適用于需要實現完整系統或仿真時進行的代碼覆蓋測試。另一種情況是向正在運行的程序插人測試代碼,用來檢測程序在特定時間的運行狀態信息。向正在運行的程序插人測試代碼,即動態二進制插樁(dynamic binary instrumentation ,DBI)技術,由于其易用性和靈活性使其在編程語言、軟件測試和安全研究中得到了廣泛的應用[6],當然也有一些弊端。

常見的DBI框架包括Pin,DynamoRIO和Frida,以及Valgrind, Triton (uses Pin), QDBI, BAP, Dyninst等。

大多數動態二進制插樁框架都有三種執行模式[7]:解釋模式、探測模式(probe mode)和JIT模式。

JIT模式(just-in-time mode)是最常見的實現方式,也是最常用的模式。在JIT模式下,原始二進制文件或可執行文件實際上從未被修改或執行過。此時二進制文件被視為數據,修改后的二進制文件副本將在新的內存區域中生成(但只針對二進制文件的執行部分,而不是整個二進制文件),此時執行的就是這個修改后的文件副本。

解釋模式(Interpretation mode),目標代碼被視為數據,測試人員插入的測試代碼作為目標代碼指令的解釋語言,每當執行一條目標代碼指令,程序就會在測試代碼中查找并執行相應的替代指令,測試通過替代指令的執行信息就可以獲取程序的運行信息。

探測模式(probe mode),二進制文件實際上是通過使用新指令來覆蓋舊的指令,來達到修改目的的,不過這會導致運行開銷增大,但在某些體系結構(如x86)中,該方式卻很好用。

參考文獻:

[1] Instrumentation (computer programming)-Wiki

[2] Source code instrumentation overview-IBM

[3] Huang, J. C . Program Instrumentation and Software Testing[J]. Computer, 1978, 11(4):25-32.

[4] 程序插樁-百度百科

[5] Kempf T , Karuri K , Gao L . Software Instrumentation[M]. John Wiley & Sons, Inc. 2008.

[6] D'Elia D C , Coppa E , Nicchi S , et al. SoK: Using Dynamic Binary Instrumentation for Security (And How You May Get Caught Red Handed)[C]// ACM Asia Conference on Computer and Communications Security (ASIA CCS) 2019. ACM, 2019.

[7] Dynamic Binary Instrumentation Primer-Blog

其他參考:

程序插樁簡介-CSDN

Linux中對【庫函數】的調用進行跟蹤的 3 種【插樁】技巧-CNBLOG

靜態程序分析 wiki

trace-wiki

靜態代碼插樁-CSDN

“插樁”式技術-知乎

動態二進制插樁的原理和基本實現過程(一)-知乎

軟件測試教程:目標代碼插樁的三種執行模式-知乎

https://github.com/Techlord-RCE/DBI

https://www.intel.com/content/www/us/en/developer/articles/tool/pin-a-dynamic-binary-instrumentation-tool.html

https://dynamorio.org/

https://frida.re/