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
  18   `-fsanitize-coverage={bb,edge}[,indirect-calls,8bit-counters]`
  19   and one of the sanitizers. We recommend to build the library in several
  20   different modes (e.g. asan, msan, lsan, ubsan, etc) and even using different
  21   optimizations options (e.g. -O0, -O1, -O2) to diversify testing.
  22 * Build a test driver using the same options as the library.
  23   The test driver is a C/C++ file containing interesting calls to the library
  24   inside a single function  ``extern "C" void LLVMFuzzerTestOneInput(const uint8_t *Data, size_t Size);``
  25 * Link the Fuzzer, the library and the driver together into an executable
  26   using the same sanitizer options as for the library.
  27 * Collect the initial corpus of inputs for the
  28   fuzzer (a directory with test inputs, one file per input).
  29   The better your inputs are the faster you will find something interesting.
  30   Also try to keep your inputs small, otherwise the Fuzzer will run too slow.
  31   By default, the Fuzzer limits the size of every input to 64 bytes
  32   (use ``-max_len=N`` to override).
  33 * Run the fuzzer with the test corpus. As new interesting test cases are
  34   discovered they will be added to the corpus. If a bug is discovered by
  35   the sanitizer (asan, etc) it will be reported as usual and the reproducer
  36   will be written to disk.
  37   Each Fuzzer process is single-threaded (unless the library starts its own
  38   threads). You can run the Fuzzer on the same corpus in multiple processes
  39   in parallel.
  40
  41
  42 The Fuzzer is similar in concept to AFL_,
  43 but uses in-process Fuzzing, which is more fragile, more restrictive, but
  44 potentially much faster as it has no overhead for process start-up.
  45 It uses LLVM's SanitizerCoverage_ instrumentation to get in-process
  46 coverage-feedback
  47
  48 The code resides in the LLVM repository, requires the fresh Clang compiler to build
  49 and is used to fuzz various parts of LLVM,
  50 but the Fuzzer itself does not (and should not) depend on any
  51 part of LLVM and can be used for other projects w/o requiring the rest of LLVM.
  52
  53 Flags
  54 =====
  55 The most important flags are::
  56
  57   seed                                  0       Random seed. If 0, seed is generated.
  58   runs                                  -1      Number of individual test runs (-1 for infinite runs).
  59   max_len                               64      Maximum length of the test input.
  60   cross_over                            1       If 1, cross over inputs.
  61   mutate_depth                          5       Apply this number of consecutive mutations to each input.
  62   timeout                               1200    Timeout in seconds (if positive). If one unit runs more than this number of seconds the process will abort.
  63   help                                  0       Print help.
  64   save_minimized_corpus                 0       If 1, the minimized corpus is saved into the first input directory
  65   jobs                                  0       Number of jobs to run. If jobs >= 1 we spawn this number of jobs in separate worker processes with stdout/stderr redirected to fuzz-JOB.log.
  66   workers                               0       Number of simultaneous worker processes to run the jobs. If zero, "min(jobs,NumberOfCpuCores()/2)" is used.
  67   sync_command                          0       Execute an external command "<sync_command> <test_corpus>" to synchronize the test corpus.
  68   sync_timeout                          600     Minimum timeout between syncs.
  69   use_traces                            0       Experimental: use instruction traces
  70   only_ascii                            0       If 1, generate only ASCII (isprint+isspace) inputs.
  71
  72
  73 For the full list of flags run the fuzzer binary with ``-help=1``.
  74
  75 Usage examples
  76 ==============
  77
  78 Toy example
  79 -----------
  80
  81 A simple function that does something interesting if it receives the input "HI!"::
  82
  83   cat << EOF >> test_fuzzer.cc
  84   extern "C" void LLVMFuzzerTestOneInput(const unsigned char *data, unsigned long size) {
  85     if (size > 0 && data[0] == 'H')
  86       if (size > 1 && data[1] == 'I')
  87          if (size > 2 && data[2] == '!')
  88          __builtin_trap();
  89   }
  90   EOF
  91   # Get lib/Fuzzer. Assuming that you already have fresh clang in PATH.
  92   svn co http://llvm.org/svn/llvm-project/llvm/trunk/lib/Fuzzer
  93   # Build lib/Fuzzer files.
  94   clang -c -g -O2 -std=c++11 Fuzzer/*.cpp -IFuzzer
  95   # Build test_fuzzer.cc with asan and link against lib/Fuzzer.
  96   clang++ -fsanitize=address -fsanitize-coverage=edge test_fuzzer.cc Fuzzer*.o
  97   # Run the fuzzer with no corpus.
  98   ./a.out
  99
 100 You should get ``Illegal instruction (core dumped)`` pretty quickly.
 101
 102 PCRE2
 103 -----
 104
 105 Here we show how to use lib/Fuzzer on something real, yet simple: pcre2_::
 106
 107   COV_FLAGS=" -fsanitize-coverage=edge,indirect-calls,8bit-counters"
 108   # Get PCRE2
 109   svn co svn://vcs.exim.org/pcre2/code/trunk pcre
 110   # Get lib/Fuzzer. Assuming that you already have fresh clang in PATH.
 111   svn co http://llvm.org/svn/llvm-project/llvm/trunk/lib/Fuzzer
 112   # Build PCRE2 with AddressSanitizer and coverage.
 113   (cd pcre; ./autogen.sh; CC="clang -fsanitize=address $COV_FLAGS" ./configure --prefix=`pwd`/../inst && make -j && make install)
 114   # Build lib/Fuzzer files.
 115   clang -c -g -O2 -std=c++11 Fuzzer/*.cpp -IFuzzer
 116   # Build the actual function that does something interesting with PCRE2.
 117   cat << EOF > pcre_fuzzer.cc
 118   #include <string.h>
 119   #include "pcre2posix.h"
 120   extern "C" void LLVMFuzzerTestOneInput(const unsigned char *data, size_t size) {
 121     if (size < 1) return;
 122     char *str = new char[size+1];
 123     memcpy(str, data, size);
 124     str[size] = 0;
 125     regex_t preg;
 126     if (0 == regcomp(&preg, str, 0)) {
 127       regexec(&preg, str, 0, 0, 0);
 128       regfree(&preg);
 129     }
 130     delete [] str;
 131   }
 132   EOF
 133   clang++ -g -fsanitize=address $COV_FLAGS -c -std=c++11  -I inst/include/ pcre_fuzzer.cc
 134   # Link.
 135   clang++ -g -fsanitize=address -Wl,--whole-archive inst/lib/*.a -Wl,-no-whole-archive Fuzzer*.o pcre_fuzzer.o -o pcre_fuzzer
 136
 137 This will give you a binary of the fuzzer, called ``pcre_fuzzer``.
 138 Now, create a directory that will hold the test corpus::
 139
 140   mkdir -p CORPUS
 141
 142 For simple input languages like regular expressions this is all you need.
 143 For more complicated inputs populate the directory with some input samples.
 144 Now run the fuzzer with the corpus dir as the only parameter::
 145
 146   ./pcre_fuzzer ./CORPUS
 147
 148 You will see output like this::
 149
 150   Seed: 1876794929
 151   #0      READ   cov 0 bits 0 units 1 exec/s 0
 152   #1      pulse  cov 3 bits 0 units 1 exec/s 0
 153   #1      INITED cov 3 bits 0 units 1 exec/s 0
 154   #2      pulse  cov 208 bits 0 units 1 exec/s 0
 155   #2      NEW    cov 208 bits 0 units 2 exec/s 0 L: 64
 156   #3      NEW    cov 217 bits 0 units 3 exec/s 0 L: 63
 157   #4      pulse  cov 217 bits 0 units 3 exec/s 0
 158
 159 * The ``Seed:`` line shows you the current random seed (you can change it with ``-seed=N`` flag).
 160 * 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).
 161 * The ``INITED`` line shows you that how many inputs will be fuzzed.
 162 * 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.
 163 * The ``pulse`` lines appear periodically to show the current status.
 164
 165 Now, interrupt the fuzzer and run it again the same way. You will see::
 166
 167   Seed: 1879995378
 168   #0      READ   cov 0 bits 0 units 564 exec/s 0
 169   #1      pulse  cov 502 bits 0 units 564 exec/s 0
 170   ...
 171   #512    pulse  cov 2933 bits 0 units 564 exec/s 512
 172   #564    INITED cov 2991 bits 0 units 344 exec/s 564
 173   #1024   pulse  cov 2991 bits 0 units 344 exec/s 1024
 174   #1455   NEW    cov 2995 bits 0 units 345 exec/s 1455 L: 49
 175
 176 This time you were running the fuzzer with a non-empty input corpus (564 items).
 177 As the first step, the fuzzer minimized the set to produce 344 interesting items (the ``INITED`` line)
 178
 179 It is quite convenient to store test corpuses in git.
 180 As an example, here is a git repository with test inputs for the above PCRE2 fuzzer::
 181
 182   git clone https://github.com/kcc/fuzzing-with-sanitizers.git
 183   ./pcre_fuzzer ./fuzzing-with-sanitizers/pcre2/C1/
 184
 185 You may run ``N`` independent fuzzer jobs in parallel on ``M`` CPUs::
 186
 187   N=100; M=4; ./pcre_fuzzer ./CORPUS -jobs=$N -workers=$M
 188
 189 By default (``-reload=1``) the fuzzer processes will periodically scan the CORPUS directory
 190 and reload any new tests. This way the test inputs found by one process will be picked up
 191 by all others.
 192
 193 If ``-workers=$M`` is not supplied, ``min($N,NumberOfCpuCore/2)`` will be used.
 194
 195 Heartbleed
 196 ----------
 197 Remember Heartbleed_?
 198 As it was recently `shown <https://blog.hboeck.de/archives/868-How-Heartbleed-couldve-been-found.html>`_,
 199 fuzzing with AddressSanitizer can find Heartbleed. Indeed, here are the step-by-step instructions
 200 to find Heartbleed with LibFuzzer::
 201
 202   wget https://www.openssl.org/source/openssl-1.0.1f.tar.gz
 203   tar xf openssl-1.0.1f.tar.gz
 204   COV_FLAGS="-fsanitize-coverage=edge,indirect-calls" # -fsanitize-coverage=8bit-counters
 205   (cd openssl-1.0.1f/ && ./config &&
 206     make -j 32 CC="clang -g -fsanitize=address $COV_FLAGS")
 207   # Get and build LibFuzzer
 208   svn co http://llvm.org/svn/llvm-project/llvm/trunk/lib/Fuzzer
 209   clang -c -g -O2 -std=c++11 Fuzzer/*.cpp -IFuzzer
 210   # Get examples of key/pem files.
 211   git clone   https://github.com/hannob/selftls
 212   cp selftls/server* . -v
 213   cat << EOF > handshake-fuzz.cc
 214   #include <openssl/ssl.h>
 215   #include <openssl/err.h>
 216   #include <assert.h>
 217   SSL_CTX *sctx;
 218   int Init() {
 219     SSL_library_init();
 220     SSL_load_error_strings();
 221     ERR_load_BIO_strings();
 222     OpenSSL_add_all_algorithms();
 223     assert (sctx = SSL_CTX_new(TLSv1_method()));
 224     assert (SSL_CTX_use_certificate_file(sctx, "server.pem", SSL_FILETYPE_PEM));
 225     assert (SSL_CTX_use_PrivateKey_file(sctx, "server.key", SSL_FILETYPE_PEM));
 226     return 0;
 227   }
 228   extern "C" void LLVMFuzzerTestOneInput(unsigned char *Data, size_t Size) {
 229     static int unused = Init();
 230     SSL *server = SSL_new(sctx);
 231     BIO *sinbio = BIO_new(BIO_s_mem());
 232     BIO *soutbio = BIO_new(BIO_s_mem());
 233     SSL_set_bio(server, sinbio, soutbio);
 234     SSL_set_accept_state(server);
 235     BIO_write(sinbio, Data, Size);
 236     SSL_do_handshake(server);
 237     SSL_free(server);
 238   }
 239   EOF
 240   # Build the fuzzer.
 241   clang++ -g handshake-fuzz.cc  -fsanitize=address \
 242     openssl-1.0.1f/libssl.a openssl-1.0.1f/libcrypto.a Fuzzer*.o
 243   # Run 20 independent fuzzer jobs.
 244   ./a.out  -jobs=20 -workers=20
 245
 246 Voila::
 247
 248   #1048576        pulse  cov 3424 bits 0 units 9 exec/s 24385
 249   =================================================================
 250   ==17488==ERROR: AddressSanitizer: heap-buffer-overflow on address 0x629000004748 at pc 0x00000048c979 bp 0x7fffe3e864f0 sp 0x7fffe3e85ca8
 251   READ of size 60731 at 0x629000004748 thread T0
 252       #0 0x48c978 in __asan_memcpy
 253       #1 0x4db504 in tls1_process_heartbeat openssl-1.0.1f/ssl/t1_lib.c:2586:3
 254       #2 0x580be3 in ssl3_read_bytes openssl-1.0.1f/ssl/s3_pkt.c:1092:4
 255
 256 Advanced features
 257 =================
 258
 259 Data-flow-guided fuzzing
 260 ------------------------
 261
 262 *EXPERIMENTAL*.
 263 With an additional compiler flag ``-fsanitize-coverage=trace-cmp`` (see SanitizerCoverageTraceDataFlow_)
 264 and extra run-time flag ``-use_traces=1`` the fuzzer will try to apply *data-flow-guided fuzzing*.
 265 That is, the fuzzer will record the inputs to comparison instructions, switch statements,
 266 and several libc functions (``memcmp``, ``strcmp``, ``strncmp``, etc).
 267 It will later use those recorded inputs during mutations.
 268
 269 This mode can be combined with DataFlowSanitizer_ to achieve better sensitivity.
 270
 271 AFL compatibility
 272 -----------------
 273 LibFuzzer can be used in parallel with AFL_ on the same test corpus.
 274 Both fuzzers expect the test corpus to reside in a directory, one file per input.
 275 You can run both fuzzers on the same corpus in parallel::
 276
 277   ./afl-fuzz -i testcase_dir -o findings_dir /path/to/program -r @@
 278   ./llvm-fuzz testcase_dir findings_dir  # Will write new tests to testcase_dir
 279
 280 Periodically restart both fuzzers so that they can use each other's findings.
 281
 282 How good is my fuzzer?
 283 ----------------------
 284
 285 Once you implement your target function ``LLVMFuzzerTestOneInput`` and fuzz it to death,
 286 you will want to know whether the function or the corpus can be improved further.
 287 One easy to use metric is, of course, code coverage.
 288 You can get the coverage for your corpus like this::
 289
 290   ASAN_OPTIONS=coverage_pcs=1 ./fuzzer CORPUS_DIR -runs=0
 291
 292 This will run all the tests in the CORPUS_DIR but will not generate any new tests
 293 and dump covered PCs to disk before exiting.
 294 Then you can subtract the set of covered PCs from the set of all instrumented PCs in the binary,
 295 see SanitizerCoverage_ for details.
 296
 297 User-supplied mutators
 298 ----------------------
 299
 300 LibFuzzer allows to use custom (user-supplied) mutators,
 301 see FuzzerInterface.h_
 302
 303 Fuzzing components of LLVM
 304 ==========================
 305
 306 clang-format-fuzzer
 307 -------------------
 308 The inputs are random pieces of C++-like text.
 309
 310 Build (make sure to use fresh clang as the host compiler)::
 311
 312     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
 313     ninja clang-format-fuzzer
 314     mkdir CORPUS_DIR
 315     ./bin/clang-format-fuzzer CORPUS_DIR
 316
 317 Optionally build other kinds of binaries (asan+Debug, msan, ubsan, etc).
 318
 319 Tracking bug: https://llvm.org/bugs/show_bug.cgi?id=23052
 320
 321 clang-fuzzer
 322 ------------
 323
 324 The behavior is very similar to ``clang-format-fuzzer``.
 325
 326 Tracking bug: https://llvm.org/bugs/show_bug.cgi?id=23057
 327
 328 llvm-as-fuzzer
 329 --------------
 330
 331 Tracking bug: https://llvm.org/bugs/show_bug.cgi?id=24639
 332
 333 Buildbot
 334 --------
 335
 336 We have a buildbot that runs the above fuzzers for LLVM components
 337 24/7/365 at http://lab.llvm.org:8011/builders/sanitizer-x86_64-linux-fuzzer .
 338
 339 Pre-fuzzed test inputs in git
 340 -----------------------------
 341
 342 The buildbot occumulates large test corpuses over time.
 343 The corpuses are stored in git on github and can be used like this::
 344
 345   git clone https://github.com/kcc/fuzzing-with-sanitizers.git
 346   bin/clang-format-fuzzer fuzzing-with-sanitizers/llvm/clang-format/C1
 347   bin/clang-fuzzer        fuzzing-with-sanitizers/llvm/clang/C1/
 348   bin/llvm-as-fuzzer      fuzzing-with-sanitizers/llvm/llvm-as/C1  -only_ascii=1
 349
 350
 351 FAQ
 352 =========================
 353
 354 Q. Why Fuzzer does not use any of the LLVM support?
 355 ---------------------------------------------------
 356
 357 There are two reasons.
 358
 359 First, we want this library to be used outside of the LLVM w/o users having to
 360 build the rest of LLVM. This may sound unconvincing for many LLVM folks,
 361 but in practice the need for building the whole LLVM frightens many potential
 362 users -- and we want more users to use this code.
 363
 364 Second, there is a subtle technical reason not to rely on the rest of LLVM, or
 365 any other large body of code (maybe not even STL). When coverage instrumentation
 366 is enabled, it will also instrument the LLVM support code which will blow up the
 367 coverage set of the process (since the fuzzer is in-process). In other words, by
 368 using more external dependencies we will slow down the fuzzer while the main
 369 reason for it to exist is extreme speed.
 370
 371 Q. What about Windows then? The Fuzzer contains code that does not build on Windows.
 372 ------------------------------------------------------------------------------------
 373
 374 The sanitizer coverage support does not work on Windows either as of 01/2015.
 375 Once it's there, we'll need to re-implement OS-specific parts (I/O, signals).
 376
 377 Q. When this Fuzzer is not a good solution for a problem?
 378 ---------------------------------------------------------
 379
 380 * If the test inputs are validated by the target library and the validator
 381   asserts/crashes on invalid inputs, the in-process fuzzer is not applicable
 382   (we could use fork() w/o exec, but it comes with extra overhead).
 383 * Bugs in the target library may accumulate w/o being detected. E.g. a memory
 384   corruption that goes undetected at first and then leads to a crash while
 385   testing another input. This is why it is highly recommended to run this
 386   in-process fuzzer with all sanitizers to detect most bugs on the spot.
 387 * It is harder to protect the in-process fuzzer from excessive memory
 388   consumption and infinite loops in the target library (still possible).
 389 * The target library should not have significant global state that is not
 390   reset between the runs.
 391 * Many interesting target libs are not designed in a way that supports
 392   the in-process fuzzer interface (e.g. require a file path instead of a
 393   byte array).
 394 * If a single test run takes a considerable fraction of a second (or
 395   more) the speed benefit from the in-process fuzzer is negligible.
 396 * If the target library runs persistent threads (that outlive
 397   execution of one test) the fuzzing results will be unreliable.
 398
 399 Q. So, what exactly this Fuzzer is good for?
 400 --------------------------------------------
 401
 402 This Fuzzer might be a good choice for testing libraries that have relatively
 403 small inputs, each input takes < 1ms to run, and the library code is not expected
 404 to crash on invalid inputs.
 405 Examples: regular expression matchers, text or binary format parsers.
 406
 407 Trophies
 408 ========
 409 * GLIBC: https://sourceware.org/glibc/wiki/FuzzingLibc
 410
 411 * MUSL LIBC:
 412
 413   * http://git.musl-libc.org/cgit/musl/commit/?id=39dfd58417ef642307d90306e1c7e50aaec5a35c
 414   * http://www.openwall.com/lists/oss-security/2015/03/30/3
 415
 416 * pugixml: https://github.com/zeux/pugixml/issues/39
 417
 418 * PCRE: Search for "LLVM fuzzer" in http://vcs.pcre.org/pcre2/code/trunk/ChangeLog?view=markup
 419
 420 * ICU: http://bugs.icu-project.org/trac/ticket/11838
 421
 422 * LLVM:
 423
 424   * Clang: https://llvm.org/bugs/show_bug.cgi?id=23057
 425
 426   * Clang-format: https://llvm.org/bugs/show_bug.cgi?id=23052
 427
 428   * libc++: https://llvm.org/bugs/show_bug.cgi?id=24411
 429
 430   * llvm-as: https://llvm.org/bugs/show_bug.cgi?id=24639
 431
 432
 433
 434 .. _pcre2: http://www.pcre.org/
 435
 436 .. _AFL: http://lcamtuf.coredump.cx/afl/
 437
 438 .. _SanitizerCoverage: http://clang.llvm.org/docs/SanitizerCoverage.html
 439 .. _SanitizerCoverageTraceDataFlow: http://clang.llvm.org/docs/SanitizerCoverage.html#tracing-data-flow
 440 .. _DataFlowSanitizer: http://clang.llvm.org/docs/DataFlowSanitizer.html
 441
 442 .. _Heartbleed: http://en.wikipedia.org/wiki/Heartbleed
 443
 444 .. _FuzzerInterface.h: https://github.com/llvm-mirror/llvm/blob/master/lib/Fuzzer/FuzzerInterface.h