docs/LibFuzzer.rst

   1 ========================================================
   2 LibFuzzer -- a library for coverage-guided fuzz testing.
   3 ========================================================
   4 .. contents::
   5    :local:
   6    :depth: 4
   7
   8 Introduction
   9 ============
  10
  11 This library is intended primarily for in-process coverage-guided fuzz testing
  12 (fuzzing) of other libraries. The typical workflow looks like this:
  13
  14 * Build the Fuzzer library as a static archive (or just a set of .o files).
  15   Note that the Fuzzer contains the main() function.
  16   Preferably do *not* use sanitizers while building the Fuzzer.
  17 * Build the library you are going to test with -fsanitize-coverage=[234]
  18   and one of the sanitizers. We recommend to build the library in several
  19   different modes (e.g. asan, msan, lsan, ubsan, etc) and even using different
  20   optimizations options (e.g. -O0, -O1, -O2) to diversify testing.
  21 * Build a test driver using the same options as the library.
  22   The test driver is a C/C++ file containing interesting calls to the library
  23   inside a single function  ``extern "C" void TestOneInput(const uint8_t *Data, size_t Size);``
  24 * Link the Fuzzer, the library and the driver together into an executable
  25   using the same sanitizer options as for the library.
  26 * Collect the initial corpus of inputs for the
  27   fuzzer (a directory with test inputs, one file per input).
  28   The better your inputs are the faster you will find something interesting.
  29   Also try to keep your inputs small, otherwise the Fuzzer will run too slow.
  30 * Run the fuzzer with the test corpus. As new interesting test cases are
  31   discovered they will be added to the corpus. If a bug is discovered by
  32   the sanitizer (asan, etc) it will be reported as usual and the reproducer
  33   will be written to disk.
  34   Each Fuzzer process is single-threaded (unless the library starts its own
  35   threads). You can run the Fuzzer on the same corpus in multiple processes.
  36   in parallel. For run-time options run the Fuzzer binary with '-help=1'.
  37
  38
  39 The Fuzzer is similar in concept to AFL_,
  40 but uses in-process Fuzzing, which is more fragile, more restrictive, but
  41 potentially much faster as it has no overhead for process start-up.
  42 It uses LLVM's SanitizerCoverage_ instrumentation to get in-process
  43 coverage-feedback
  44
  45 The code resides in the LLVM repository, requires the fresh Clang compiler to build
  46 and is used to fuzz various parts of LLVM,
  47 but the Fuzzer itself does not (and should not) depend on any
  48 part of LLVM and can be used for other projects w/o requiring the rest of LLVM.
  49
  50 Usage examples
  51 ==============
  52
  53 Toy example
  54 -----------
  55
  56 A simple function that does something interesting if it receives the input "HI!"::
  57
  58   cat << EOF >> test_fuzzer.cc
  59   extern "C" void TestOneInput(const unsigned char *data, unsigned long size) {
  60     if (size > 0 && data[0] == 'H')
  61       if (size > 1 && data[1] == 'I')
  62          if (size > 2 && data[2] == '!')
  63          __builtin_trap();
  64   }
  65   EOF
  66   # Get lib/Fuzzer. Assuming that you already have fresh clang in PATH.
  67   svn co http://llvm.org/svn/llvm-project/llvm/trunk/lib/Fuzzer
  68   # Build lib/Fuzzer files.
  69   clang -c -g -O2 -std=c++11 Fuzzer/*.cpp -IFuzzer
  70   # Build test_fuzzer.cc with asan and link against lib/Fuzzer.
  71   clang++ -fsanitize=address -fsanitize-coverage=3 test_fuzzer.cc Fuzzer*.o
  72   # Run the fuzzer with no corpus.
  73   ./a.out
  74
  75 You should get ``Illegal instruction (core dumped)`` pretty quickly.
  76
  77 PCRE2
  78 -----
  79
  80 Here we show how to use lib/Fuzzer on something real, yet simple: pcre2_::
  81
  82   COV_FLAGS=" -fsanitize-coverage=4 -mllvm -sanitizer-coverage-8bit-counters=1"
  83   # Get PCRE2
  84   svn co svn://vcs.exim.org/pcre2/code/trunk pcre
  85   # Get lib/Fuzzer. Assuming that you already have fresh clang in PATH.
  86   svn co http://llvm.org/svn/llvm-project/llvm/trunk/lib/Fuzzer
  87   # Build PCRE2 with AddressSanitizer and coverage.
  88   (cd pcre; ./autogen.sh; CC="clang -fsanitize=address $COV_FLAGS" ./configure --prefix=`pwd`/../inst && make -j && make install)
  89   # Build lib/Fuzzer files.
  90   clang -c -g -O2 -std=c++11 Fuzzer/*.cpp -IFuzzer
  91   # Build the the actual function that does something interesting with PCRE2.
  92   cat << EOF > pcre_fuzzer.cc
  93   #include <string.h>
  94   #include "pcre2posix.h"
  95   extern "C" void TestOneInput(const unsigned char *data, size_t size) {
  96     if (size < 1) return;
  97     char *str = new char[size+1];
  98     memcpy(str, data, size);
  99     str[size] = 0;
 100     regex_t preg;
 101     if (0 == regcomp(&preg, str, 0)) {
 102       regexec(&preg, str, 0, 0, 0);
 103       regfree(&preg);
 104     }
 105     delete [] str;
 106   }
 107   EOF
 108   clang++ -g -fsanitize=address $COV_FLAGS -c -std=c++11  -I inst/include/ pcre_fuzzer.cc
 109   # Link.
 110   clang++ -g -fsanitize=address -Wl,--whole-archive inst/lib/*.a -Wl,-no-whole-archive Fuzzer*.o pcre_fuzzer.o -o pcre_fuzzer
 111
 112 This will give you a binary of the fuzzer, called ``pcre_fuzzer``.
 113 Now, create a directory that will hold the test corpus::
 114
 115   mkdir -p CORPUS
 116
 117 For simple input languages like regular expressions this is all you need.
 118 For more complicated inputs populate the directory with some input samples.
 119 Now run the fuzzer with the corpus dir as the only parameter::
 120
 121   ./pcre_fuzzer ./CORPUS
 122
 123 You will see output like this::
 124
 125   Seed: 1876794929
 126   #0      READ   cov 0 bits 0 units 1 exec/s 0
 127   #1      pulse  cov 3 bits 0 units 1 exec/s 0
 128   #1      INITED cov 3 bits 0 units 1 exec/s 0
 129   #2      pulse  cov 208 bits 0 units 1 exec/s 0
 130   #2      NEW    cov 208 bits 0 units 2 exec/s 0 L: 64
 131   #3      NEW    cov 217 bits 0 units 3 exec/s 0 L: 63
 132   #4      pulse  cov 217 bits 0 units 3 exec/s 0
 133
 134 * The ``Seed:`` line shows you the current random seed (you can change it with ``-seed=N`` flag).
 135 * The ``READ``  line shows you how many input files were read (since you passed an empty dir there were inputs, but one dummy input was synthesised).
 136 * The ``INITED`` line shows you that how many inputs will be fuzzed.
 137 * The ``NEW`` lines appear with the fuzzer finds a new interesting input, which is saved to the CORPUS dir. If multiple corpus dirs are given, the first one is used.
 138 * The ``pulse`` lines appear periodically to show the current status.
 139
 140 Now, interrupt the fuzzer and run it again the same way. You will see::
 141
 142   Seed: 1879995378
 143   #0      READ   cov 0 bits 0 units 564 exec/s 0
 144   #1      pulse  cov 502 bits 0 units 564 exec/s 0
 145   ...
 146   #512    pulse  cov 2933 bits 0 units 564 exec/s 512
 147   #564    INITED cov 2991 bits 0 units 344 exec/s 564
 148   #1024   pulse  cov 2991 bits 0 units 344 exec/s 1024
 149   #1455   NEW    cov 2995 bits 0 units 345 exec/s 1455 L: 49
 150
 151 This time you were running the fuzzer with a non-empty input corpus (564 items).
 152 As the first step, the fuzzer minimized the set to produce 344 interesting items (the ``INITED`` line)
 153
 154 You may run ``N`` independent fuzzer jobs in parallel on ``M`` CPUs::
 155
 156   N=100; M=4; ./pcre_fuzzer ./CORPUS -jobs=$N -workers=$M
 157
 158 This is useful when you already have an exhaustive test corpus.
 159 If you've just started fuzzing with no good corpus running independent
 160 jobs will create a corpus with too many duplicates.
 161 One way to avoid this and still use all of your CPUs is to use the flag ``-exit_on_first=1``
 162 which will cause the fuzzer to exit on the first new synthesised input::
 163
 164   N=100; M=4; ./pcre_fuzzer ./CORPUS -jobs=$N -workers=$M -exit_on_first=1
 165
 166 Heartbleed
 167 ----------
 168 Remember Heartbleed_?
 169 As it was recently `shown <https://blog.hboeck.de/archives/868-How-Heartbleed-couldve-been-found.html>`_,
 170 fuzzing with AddressSanitizer can find Heartbleed. Indeed, here are the step-by-step instructions
 171 to find Heartbleed with LibFuzzer::
 172
 173   wget https://www.openssl.org/source/openssl-1.0.1f.tar.gz
 174   tar xf openssl-1.0.1f.tar.gz
 175   COV_FLAGS="-fsanitize-coverage=4" # -mllvm -sanitizer-coverage-8bit-counters=1"
 176   (cd openssl-1.0.1f/ && ./config &&
 177     make -j 32 CC="clang -g -fsanitize=address $COV_FLAGS")
 178   # Get and build LibFuzzer
 179   svn co http://llvm.org/svn/llvm-project/llvm/trunk/lib/Fuzzer
 180   clang -c -g -O2 -std=c++11 Fuzzer/*.cpp -IFuzzer
 181   # Get examples of key/pem files.
 182   git clone   https://github.com/hannob/selftls
 183   cp selftls/server* . -v
 184   cat << EOF > handshake-fuzz.cc
 185   #include <openssl/ssl.h>
 186   #include <openssl/err.h>
 187   #include <assert.h>
 188   SSL_CTX *sctx;
 189   int Init() {
 190     SSL_library_init();
 191     SSL_load_error_strings();
 192     ERR_load_BIO_strings();
 193     OpenSSL_add_all_algorithms();
 194     assert (sctx = SSL_CTX_new(TLSv1_method()));
 195     assert (SSL_CTX_use_certificate_file(sctx, "server.pem", SSL_FILETYPE_PEM));
 196     assert (SSL_CTX_use_PrivateKey_file(sctx, "server.key", SSL_FILETYPE_PEM));
 197     return 0;
 198   }
 199   extern "C" void TestOneInput(unsigned char *Data, size_t Size) {
 200     static int unused = Init();
 201     SSL *server = SSL_new(sctx);
 202     BIO *sinbio = BIO_new(BIO_s_mem());
 203     BIO *soutbio = BIO_new(BIO_s_mem());
 204     SSL_set_bio(server, sinbio, soutbio);
 205     SSL_set_accept_state(server);
 206     BIO_write(sinbio, Data, Size);
 207     SSL_do_handshake(server);
 208     SSL_free(server);
 209   }
 210   EOF
 211   # Build the fuzzer.
 212   clang++ -g handshake-fuzz.cc  -fsanitize=address \
 213     openssl-1.0.1f/libssl.a openssl-1.0.1f/libcrypto.a Fuzzer*.o
 214   # Run 20 independent fuzzer jobs.
 215   ./a.out  -jobs=20 -workers=20
 216
 217 Voila::
 218
 219   #1048576        pulse  cov 3424 bits 0 units 9 exec/s 24385
 220   =================================================================
 221   ==17488==ERROR: AddressSanitizer: heap-buffer-overflow on address 0x629000004748 at pc 0x00000048c979 bp 0x7fffe3e864f0 sp 0x7fffe3e85ca8
 222   READ of size 60731 at 0x629000004748 thread T0
 223       #0 0x48c978 in __asan_memcpy
 224       #1 0x4db504 in tls1_process_heartbeat openssl-1.0.1f/ssl/t1_lib.c:2586:3
 225       #2 0x580be3 in ssl3_read_bytes openssl-1.0.1f/ssl/s3_pkt.c:1092:4
 226
 227 Advanced features
 228 =================
 229
 230 Tokens
 231 ------
 232
 233 By default, the fuzzer is not aware of complexities of the input language
 234 and when fuzzing e.g. a C++ parser it will mostly stress the lexer.
 235 It is very hard for the fuzzer to come up with something like ``reinterpret_cast<int>``
 236 from a test corpus that doesn't have it.
 237 See a detailed discussion of this topic at
 238 http://lcamtuf.blogspot.com/2015/01/afl-fuzz-making-up-grammar-with.html.
 239
 240 lib/Fuzzer implements a simple technique that allows to fuzz input languages with
 241 long tokens. All you need is to prepare a text file containing up to 253 tokens, one token per line,
 242 and pass it to the fuzzer as ``-tokens=TOKENS_FILE.txt``.
 243 Three implicit tokens are added: ``" "``, ``"\t"``, and ``"\n"``.
 244 The fuzzer itself will still be mutating a string of bytes
 245 but before passing this input to the target library it will replace every byte ``b`` with the ``b``-th token.
 246 If there are less than ``b`` tokens, a space will be added instead.
 247
 248 AFL compatibility
 249 -----------------
 250 LibFuzzer can be used in parallel with AFL_ on the same test corpus.
 251 Both fuzzers expect the test corpus to reside in a directory, one file per input.
 252 You can run both fuzzers on the same corpus in parallel::
 253
 254   ./afl-fuzz -i testcase_dir -o findings_dir /path/to/program -r @@
 255   ./llvm-fuzz testcase_dir findings_dir  # Will write new tests to testcase_dir
 256
 257 Periodically restart both fuzzers so that they can use each other's findings.
 258
 259 How good is my fuzzer?
 260 ----------------------
 261
 262 Once you implement your target function ``TestOneInput`` and fuzz it to death,
 263 you will want to know whether the function or the corpus can be improved further.
 264 One easy to use metric is, of course, code coverage.
 265 You can get the coverage for your corpus like this::
 266
 267   ASAN_OPTIONS=coverage_pcs=1 ./fuzzer CORPUS_DIR -runs=0
 268
 269 This will run all the tests in the CORPUS_DIR but will not generate any new tests
 270 and dump covered PCs to disk before exiting.
 271 Then you can subtract the set of covered PCs from the set of all instrumented PCs in the binary,
 272 see SanitizerCoverage_ for details.
 273
 274 Fuzzing components of LLVM
 275 ==========================
 276
 277 clang-format-fuzzer
 278 -------------------
 279 The inputs are random pieces of C++-like text.
 280
 281 Build (make sure to use fresh clang as the host compiler)::
 282
 283     cmake -GNinja  -DCMAKE_C_COMPILER=clang -DCMAKE_CXX_COMPILER=clang++ -DLLVM_USE_SANITIZER=Address -DLLVM_USE_SANITIZE_COVERAGE=YES -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release /path/to/llvm
 284     ninja clang-format-fuzzer
 285     mkdir CORPUS_DIR
 286     ./bin/clang-format-fuzzer CORPUS_DIR
 287
 288 Optionally build other kinds of binaries (asan+Debug, msan, ubsan, etc).
 289
 290 TODO: commit the pre-fuzzed corpus to svn (?).
 291
 292 Tracking bug: https://llvm.org/bugs/show_bug.cgi?id=23052
 293
 294 clang-fuzzer
 295 ------------
 296
 297 The default behavior is very similar to ``clang-format-fuzzer``.
 298 Clang can also be fuzzed with Tokens_ using ``-tokens=$LLVM/lib/Fuzzer/cxx_fuzzer_tokens.txt`` option.
 299
 300 Tracking bug: https://llvm.org/bugs/show_bug.cgi?id=23057
 301
 302 FAQ
 303 =========================
 304
 305 Q. Why Fuzzer does not use any of the LLVM support?
 306 ---------------------------------------------------
 307
 308 There are two reasons.
 309
 310 First, we want this library to be used outside of the LLVM w/o users having to
 311 build the rest of LLVM. This may sound unconvincing for many LLVM folks,
 312 but in practice the need for building the whole LLVM frightens many potential
 313 users -- and we want more users to use this code.
 314
 315 Second, there is a subtle technical reason not to rely on the rest of LLVM, or
 316 any other large body of code (maybe not even STL). When coverage instrumentation
 317 is enabled, it will also instrument the LLVM support code which will blow up the
 318 coverage set of the process (since the fuzzer is in-process). In other words, by
 319 using more external dependencies we will slow down the fuzzer while the main
 320 reason for it to exist is extreme speed.
 321
 322 Q. What about Windows then? The Fuzzer contains code that does not build on Windows.
 323 ------------------------------------------------------------------------------------
 324
 325 The sanitizer coverage support does not work on Windows either as of 01/2015.
 326 Once it's there, we'll need to re-implement OS-specific parts (I/O, signals).
 327
 328 Q. When this Fuzzer is not a good solution for a problem?
 329 ---------------------------------------------------------
 330
 331 * If the test inputs are validated by the target library and the validator
 332   asserts/crashes on invalid inputs, the in-process fuzzer is not applicable
 333   (we could use fork() w/o exec, but it comes with extra overhead).
 334 * Bugs in the target library may accumulate w/o being detected. E.g. a memory
 335   corruption that goes undetected at first and then leads to a crash while
 336   testing another input. This is why it is highly recommended to run this
 337   in-process fuzzer with all sanitizers to detect most bugs on the spot.
 338 * It is harder to protect the in-process fuzzer from excessive memory
 339   consumption and infinite loops in the target library (still possible).
 340 * The target library should not have significant global state that is not
 341   reset between the runs.
 342 * Many interesting target libs are not designed in a way that supports
 343   the in-process fuzzer interface (e.g. require a file path instead of a
 344   byte array).
 345 * If a single test run takes a considerable fraction of a second (or
 346   more) the speed benefit from the in-process fuzzer is negligible.
 347 * If the target library runs persistent threads (that outlive
 348   execution of one test) the fuzzing results will be unreliable.
 349
 350 Q. So, what exactly this Fuzzer is good for?
 351 --------------------------------------------
 352
 353 This Fuzzer might be a good choice for testing libraries that have relatively
 354 small inputs, each input takes < 1ms to run, and the library code is not expected
 355 to crash on invalid inputs.
 356 Examples: regular expression matchers, text or binary format parsers.
 357
 358 .. _pcre2: http://www.pcre.org/
 359
 360 .. _AFL: http://lcamtuf.coredump.cx/afl/
 361
 362 .. _SanitizerCoverage: https://code.google.com/p/address-sanitizer/wiki/AsanCoverage
 363
 364 .. _Heartbleed: http://en.wikipedia.org/wiki/Heartbleed