CN105550120A - 基于并行符号执行的多源多目标逼近测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于并行符号执行的多源多目标逼近测试方法，首先，在面向安全分析的中间语言表示基础上，检测定位输入函数source节点和危险函数sink节点；然后，利用程序控制流图，分析source节点到sink节点的调用路径集合，建立多源source节点到多目标sink节点的映射关系；根据具有映射关系的节点对，计算source节点出度和sink节点入度；最后，以出度和入度为优先级度量依据，按优先级实现并行任务调度，以实施多源到多目标的逼近测试。本发明较好解决了传统随机路径调度的并行测试具有的盲目性低效率问题，大大提高了关键目标覆盖的命中率和软件测试分析的效率。

Description

基于并行符号执行的多源多目标逼近测试方法

技术领域

本发明涉及计算机软件安全性并行测试领域，特别涉及一种基于并行符号执行的多源多目标逼近测试方法。

背景技术

符号执行技术在软件脆弱性分析领域的应用已经取得了较大的发展，相比于传统的模糊测试，在测试数据生成和程序执行路径分析方面具有较大优势，提高了脆弱性分析的能力。但是由于软件执行路径数巨大，在有限的资源条件下逐条路径分析效率较低，测试覆盖率难以提高，成为符号执行发展的瓶颈。

随着高性能硬件平台和新型计算模型的发展，并行符号执行技术逐渐成为国内外研究的热点。在基于并行符号执行的测试技术中，任务的划分与调度是直接影响并行效率的关键。目前最为成熟的并行符号执行系统Cloud9采用了简单的以单路径为单位的任务分配和随机并行调度策略，由于存在测试目的性不强和负载分配不均衡等问题，虽然在一定程度上提高了单位时间的测试路径覆盖率，但是安全性测试效率依然有待提高。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供一种基于并行符号执行的多源多目标逼近测试方法，以安全敏感点为目标，以外部输入为测试起点，结合静态和动态分析技术，实现多元到多目标的动态逼近覆盖测试，解决现有基于并行符号执行测试效率低的问题，提高了软件并行安全测试的效率。

按照本发明所提供的设计方案，一种基于并行符号执行的多源多目标逼近测试方法，包含如下步骤：

步骤1.利用面向安全分析的中间语言对被测程序进行翻译转换，定位输入函数source节点和危险函数sink节点；

步骤2.利用IDA插件生成被测程序的控制流图和函数调用图，分析source节点到sink节点的调用路径集合，建立source节点和sink节点之间的多源到多目标的映射关系；

步骤3.计算source节点出度和sink节点入度，并计算source和sink节点对的测试优先级，对source节点集合中source节点进行优先级排序，选取出度较大的source节点作为测试起点，在与选取的source节点具有映射关系的sink节点中，选取入度较大的sink节点作为测试目标点；

步骤4.将测试起点和测试目标点作为测试任务单位，分配到空闲测试节点，执行并行调度测试，从source节点开始，构造测试用例，通过单路径动态符号执行引擎进行逼近sink节点测试，以实施多源到多目标的逼近测试。

上述的，步骤2中分析source节点到sink节点的调用路径集合，建立source节点和sink节点之间的多源到多目标的映射关系，具体包含如下内容：

步骤2.1、在控制流图和函数调用图上寻找所有source节点到sink节点的路径集合p；

步骤2.2、生成程序依赖图，对路径集合p进行归约，计算source到sink节点的路径簇集合pf；

步骤2.3、在source节点的输入域范围内对路径簇集合pf进行求解，保留具有可行解的路径簇集合子集pfs，去除无法求解的路径簇集合pf中的元素；

步骤2.4、根据路径簇集合子集pfs的元素是否为空，判断source到sink节点是否具有可达路径。

上述的，所述步骤2.2具体包含如下内容：

步骤2.2.1、初始路径簇集合SPC为空集；

步骤2.2.2、分别找到程序入口点entry到source节点以及entry到sink节点的控制依赖域集合Rs和Rt；

步骤2.2.3、找到控制依赖域集合Rs和Rt的最近公共祖先节点Rcfather；

步骤2.2.4、将source节点及其同域节点连同其子树直接连接到Rcfather，裁剪掉从Rcfather到source节点路径；

步骤2.2.5、根据程序依赖图分析以Rcfather为根节点的子树上所有节点和sink节点的数据依赖关系，裁剪掉和sink节点数据依赖无关的控制依赖域节点及其子树；

步骤2.2.6、生成source节点到t’的路径簇集合，t’是Rcfather的直接后继节点及sink节点的祖先；

步骤2.2.7、根据程序依赖图上从Rcfather到sink节点的路径，收集控制依赖域节点集合，生成从Rcfather到Rifather路径条件，Rifather是在程序依赖图从Rcfather到sink节点的路径上距离sink节点最近的控制依赖域节点祖先；

步骤2.2.8、生成从source节点到Rifather的路径簇集合；

步骤2.2.9、根据程序依赖图分析以Rifather为根节点的子树上所有节点和sink节点的数据依赖关系，裁剪掉和sink节点数据依赖无关的控制依赖域节点及其子树；

步骤2.2.10、生成从Rifather的第一直接后继节点到sink节点的路径簇集合SPC1；

步骤2.2.11、将source节点到Rifather的路径簇集合与SPC1连接，生成source节点到sink节点的路径簇集合。

上述的，所述步骤3具体包含如下步骤：

步骤3.1、计算source节点的出度，即计算source节点出度是指计算所有与source节点具有调用关系的sink节点数；

步骤3.2、计算sink节点的入度，即计算所有与sink节点具有调用路径的source节点数；

步骤3.3、查看是否存在状态空闲的测试节点，如果有，则进入步骤3.4，否则，等待；

步骤3.4、判断source节点集合是否为空，如果为空，则测试结束；否则，进入步骤3.5；

步骤3.5、从source节点集合中选取出度最大的source节点；

步骤3.6、判断步骤3.5选取的source节点所有具有调用关系的sink节点是否均已覆盖，如果是，则执行步骤3.7，否则，执行步骤3.8；

步骤3.7、从source节点集合中删除步骤3.5选取的source节点，跳转至步骤3.4执行；

步骤3.8、选择与步骤3.5选取的source节点具有调用关系的入度最大的sink节点；

步骤3.9、将步骤3.5选取的source节点作为测试起点，步骤3.8选取的sink节点作为测试目标点，进入步骤4执行。

本发明的有益效果：

1、本发明从静态分析寻找安全敏感点入手，通过动态分析生成测试路径，最后查找敏感点到测试路径是否可达，从而完成安全测试工作，使软件安全性测试工作效率显著提高，实现多元到多目标的动态逼近覆盖测试，解决现有基于并行符号执行测试效率低的问题。

2、本发明依靠source节点出度和sink节点入度实现并行任务调度策略，相比于随机路径调度测试，更能够快速发现软件安全的脆弱性，实现并行测试高效执行，对source节点和sink节点的优先级排序，解决了随机调度带来的盲目性，大大提高了软件测试分析的效率，完成有针对性的高效的软件安全并行调度测试。

附图说明：

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明的source节点和sink节点映射关系流程示意图；

图3为本发明的并行调度测试流程示意图。

具体实施方式：

下面结合附图和技术方案对本发明作进一步详细的说明，并通过优选的实施例详细说明本发明的实施方式，但本发明的实施方式并不限于此。

实施例一，参见图1所示，一种基于并行符号执行的多源多目标逼近测试方法，包含如下步骤：

步骤1.利用面向安全分析的中间语言对被测程序进行翻译转换，定位输入函数source节点和危险函数sink节点；

步骤2.利用IDA插件生成被测程序的控制流图和函数调用图，分析source节点到sink节点的调用路径集合，建立source节点和sink节点之间的多源到多目标的映射关系；

步骤3.计算source节点出度和sink节点入度，并计算source和sink节点对的测试优先级，对测试优先级进行排序，选取出度较大的source节点作为测试起点，在与选取的source节点具有映射关系的sink节点中，选取入度较大的sink节点作为测试目标点；

步骤4.将测试起点和测试目标点作为测试任务单位，分配到空闲测试节点，执行并行调度测试，从source节点开始，构造测试用例，通过单路径动态符号执行引擎进行逼近sink节点测试，以实施多源到多目标的逼近测试。

实施例二，参见图1～3所示，一种基于并行符号执行的多源多目标逼近测试方法，包含如下步骤：

步骤1.利用面向安全分析的中间语言对被测程序进行翻译转换，定位输入函数source节点和危险函数sink节点；

步骤2.利用IDA插件生成被测程序的控制流图和函数调用图，分析source节点到sink节点的调用路径集合，建立source节点和sink节点之间的多源到多目标的映射关系，具体包含如下内容：

步骤2.1、在控制流图和函数调用图上寻找所有source节点到sink节点的路径集合p；

步骤2.2、生成程序依赖图，对路径集合p进行归约，计算source到sink节点的路径簇集合pf，所述步骤2.2具体包含如下内容：

步骤2.2.1、初始路径簇集合SPC为空集；

步骤2.2.2、分别找到程序入口点entry到source节点以及entry到sink节点的控制依赖域集合Rs和Rt；

步骤2.2.3、找到控制依赖域集合Rs和Rt的最近公共祖先节点Rcfather；

步骤2.2.4、将source节点及其同域节点连同其子树直接连接到Rcfather，裁剪掉从Rcfather到source节点路径，因为起点是source节点，R_cfather到source节点路径上的所有source节点的祖先节点是无用的，可将其裁减掉；

步骤2.2.5、根据程序依赖图分析以Rcfather为根节点的子树上所有节点和sink节点的数据依赖关系，裁剪掉和sink节点数据依赖无关的控制依赖域节点及其子树；

步骤2.2.6、生成source节点到t’的路径簇集合，t’是Rcfather的直接后继节点及sink节点的祖先；

步骤2.2.7、根据程序依赖图上从Rcfather到sink节点的路径，收集控制依赖域节点集合，生成从Rcfather到Rifather路径条件，Rifather是在程序依赖图从Rcfather到sink节点的路径上距离sink节点最近的控制依赖域节点祖先；

步骤2.2.8、生成从source节点到Rifather的路径簇集合；

步骤2.2.9、根据程序依赖图分析以Rifather为根节点的子树上所有节点和sink节点的数据依赖关系，裁剪掉和sink节点数据依赖无关的控制依赖域节点及其子树；

步骤2.2.10、生成从Rifather的第一直接后继节点到sink节点的路径簇集合SPC1；

步骤2.2.11、将source节点到Rifather的路径簇集合与SPC1连接，生成source节点到sink节点的路径簇集合；

步骤2.3、在source节点的输入域范围内对路径簇集合pf进行求解，保留具有可行解的路径簇集合子集pfs，去除无法求解的路径簇集合pf中的元素；

步骤2.4、根据路径簇集合子集pfs的元素是否为空，判断source到sink节点是否具有可达路径；

步骤3.计算source节点出度和sink节点入度，并计算source和sink节点对的测试优先级，对测试优先级进行排序，选取出度较大的source节点作为测试起点，在与选取的source节点具有映射关系的sink节点中，选取入度较大的sink节点作为测试目标点，具体包含如下步骤：

步骤3.1、计算source节点的出度，即计算source节点出度是指计算所有与source节点具有调用关系的sink节点数；

步骤3.2、计算sink节点的入度，即计算所有与sink节点具有调用路径的source节点数；

步骤3.3、查看是否存在状态空闲的测试节点，如果有，则进入步骤3.4，否则，等待；

步骤3.4、判断source节点集合是否为空，如果为空，则测试结束；否则，进入步骤3.5；

步骤3.5、从source节点集合中选取出度最大的source节点；

步骤3.6、判断步骤3.5选取的source节点所有具有调用关系的sink节点是否均已覆盖，如果是，则执行步骤3.7，否则，执行步骤3.8；

步骤3.7、从source节点集合中删除步骤3.5选取的source节点，跳转至步骤3.4执行；

步骤3.8、选择与步骤3.5选取的source节点具有调用关系的入度最大的sink节点；

步骤3.9、将步骤3.5选取的source节点作为测试起点，步骤3.8选取的sink节点作为测试目标点，进入步骤4执行。

步骤4.将测试起点和测试目标点作为测试任务单位，分配到空闲测试节点，执行并行调度测试，从source节点开始，构造测试用例，通过单路径动态符号执行引擎进行逼近sink节点测试，以实施多源到多目标的逼近测试。测试的目的是测试路径能够覆盖所有sink节点，为了实现并行测试高效执行，以source节点和sink节点对为一个任务负载，表示为<source，sink>。为了防止随机调度带来的盲目性，对source节点和sink节点的优先级排序，以实施有针对性的高效的调度测试策略。

步骤1中利用面向安全分析的中间语言对被测程序的二进制代码进行翻译转换，能够对敏感危险函数进行识别，其中，输入函数source节点和危险函数sink节点列表如下：

source函数列表

函数功能	代表函数
		文件读取	fread、ReadFile、fgets、ZwReadFile、...
网络数据读取	recv、recvfrom、WSARecv、WSARecvFrom、...
		管道及消息读取	TransactNamePile、GetMessage、...
用户输入	gets、getchar、...
		环境变量读取	getenv、GetEnvironmentStrings、GetEnvironmentVariable
连接函数	Connect、ConnectEx

sink函数列表

本发明并不局限于上述具体实施方式，本领域技术人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或者类似的变化都应涵盖在本发明权利要求的范围内。

Claims (4)

1.一种基于并行符号执行的多源多目标逼近测试方法，其特征在于：包含如下步骤：

步骤1.利用面向安全分析的中间语言对被测程序进行翻译转换，定位输入函数source节点和危险函数sink节点；

步骤2.利用IDA插件生成被测程序的控制流图和函数调用图，分析source节点到sink节点的调用路径集合，建立source节点和sink节点之间的多源到多目标的映射关系；

步骤3.计算source节点出度和sink节点入度，并计算source和sink节点对的测试优先级，对测试优先级进行排序，选取出度较大的source节点作为测试起点，在与选取的source节点具有映射关系的sink节点中，选取入度较大的sink节点作为测试目标点；

步骤4.将测试起点和测试目标点作为测试任务单位，分配到空闲测试节点，执行并行调度测试，从source节点开始，构造测试用例，使用单路径动态符号执行引擎进行逼近sink节点测试，以实施多源到多目标的逼近测试。

2.根据权利要求1所述的基于并行符号执行的多源多目标逼近测试方法，其特征在于：步骤2中分析source节点到sink节点的调用路径集合，建立source节点和sink节点之间的多源到多目标的映射关系，具体包含如下内容：

步骤2.1、在控制流图和函数调用图上寻找所有source节点到sink节点的路径集合p；

步骤2.2、生成程序依赖图，对路径集合p进行归约，计算source到sink节点的路径簇集合pf；

步骤2.3、在source节点的输入域范围内对路径簇集合pf进行求解，保留具有可行解的路径簇集合子集pfs，去除无法求解的路径簇集合pf中的元素；

步骤2.4、根据路径簇集合子集pfs的元素是否为空，判断source到sink节点是否具有可达路径。

3.根据权利要求2所述的基于并行符号执行的多源多目标逼近测试方法，其特征在于：所述步骤2.2具体包含如下内容：

步骤2.2.1、初始路径簇集合SPC为空集；

步骤2.2.2、分别找到程序入口点entry到source节点以及entry到sink节点的控制依赖域集合Rs和Rt；

步骤2.2.3、找到控制依赖域集合Rs和Rt的最近公共祖先节点Rcfather；

步骤2.2.4、将source及其同域节点连同其子树直接连接到Rcfather，裁剪掉从Rcfather到source节点路径；

步骤2.2.5、根据程序依赖图分析以Rcfather为根节点的子树上所有节点和sink节点的数据依赖关系，裁剪掉和sink节点数据依赖无关的控制依赖域节点及其子树；

步骤2.2.6、生成source节点到t’的路径簇集合，t’是Rcfather的直接后继节点及sink节点的祖先；

步骤2.2.7、根据程序依赖图上从Rcfather到sink节点的路径，收集控制依赖域节点集合，生成从Rcfather到Rifather路径条件，Rifather是在程序依赖图从Rcfather到sink节点的路径上距离sink节点最近的控制依赖域节点祖先；

步骤2.2.8、生成从source节点到Rifather的路径簇集合；

步骤2.2.9、根据程序依赖图分析以Rifather为根节点的子树上所有节点和sink节点的数据依赖关系，裁剪掉和sink节点数据依赖无关的控制依赖域节点及其子树；

步骤2.2.10、生成从Rifather的第一直接后继节点到sink节点的路径簇集合SPC1；

步骤2.2.11、将source节点到Rifather的路径簇集合与SPC1连接，生成source节点到sink节点的路径簇集合。

4.根据权利要求1所述的基于并行符号执行的多源多目标逼近测试方法，其特征在于：所述步骤3具体包含如下步骤：

步骤3.1、计算source节点的出度，即计算source节点出度是指计算所有与source节点具有调用关系的sink节点数；

步骤3.2、计算sink节点的入度，即计算所有与sink节点具有调用路径的source节点数；

步骤3.3、查看是否存在状态空闲的测试节点，如果有，则进入步骤3.4，否则，等待；

步骤3.4、判断source节点集合是否为空，如果为空，则测试结束；否则，进入步骤3.5；

步骤3.5、从source节点集合中选取出度最大的source节点；

步骤3.6、判断步骤3.5选取的source节点所有具有调用关系的sink节点是否均已覆盖，如果是，则执行步骤3.7，否则，执行步骤3.8；

步骤3.7、从source节点集合中删除步骤3.5选取的source节点，跳转至步骤3.4执行；

步骤3.8、选择与步骤3.5选取的source节点具有调用关系的入度最大的sink节点；

步骤3.9、将步骤3.5选取的source节点作为测试起点，步骤3.8选取的sink节点作为测试目标点，进入步骤4执行。