Современные методы динамического анализа кода. Фаззинг-тестирование и его классификация

Современные методы динамического анализа кода. Фаззинг-тестирование и его классификация

Динамический анализ безопасности приложений (Dynamic Application Security Testing, DAST) прочно закрепился в арсенале средств обеспечения безопасности информации как метод оценки работающего приложения «извне», с позиции злоумышленника.

Традиционные DAST-инструменты эффективно выявляют широкий спектр известных уязвимостей (таких как инъекции, уязвимости конфигурации, небезопасные десериализации), используя предопределённые наборы тестовых векторов и сигнатур, основанных на знаниях о распространённых атаках и уязвимых шаблонах. Тем не менее, несмотря на свою эффективность, классический DAST обладает существенным недостатком: он часто полагается на базы данных уже известных уязвимостей. Это делает его менее эффективным в обнаружении принципиально новых (zero-day) уязвимостей, сложных логических ошибок или уязвимостей, возникающих при обработке специфических, нестандартных или некорректно сформированных входных данных.

Фаззинг-тестирование, в свою очередь, представляет собой методику обеспечения безопасности, основанную на автоматизированной подаче в тестируемую систему большого объёма полуслучайных, искажённых или мутированных входных данных («корпусов») с целью спровоцировать сбои, аварийные завершения или иные неожиданные поведения программы. Именно способность фаззинга исследовать «пограничные случаи» и «неизведанные пути» выполнения кода делает его незаменимым для обнаружения уязвимостей, которые остаются невидимыми для традиционных, сигнатурно-ориентированных методов.

Целью данной статьи является детальное рассмотрение фаззинг-тестирования как активного метода поиска неожиданного поведения программы. В рамках статьи будут рассмотрены методологические аспекты фаззинг-тестирования, его виды, а также преимущества и недостатки.

ФАЗЗИНГ-ТЕСТИРОВАНИЕ ПРИЛОЖЕНИЙ

Фаззинг-тестирование представляет собой метод динамического анализа безопасности и устойчивости программного обеспечения путём подачи на его вход неверных, неожиданных или случайным образом сгенерированных данных. Его основная цель — выявление ошибок реализации, приводящих к сбоям (крашам), уязвимостям безопасности (таким как переполнение буфера), утечкам памяти или некорректному поведению программы. В соответствии с современными требованиями к надёжности ПО фаззинг-тестирование рекомендуется применять как к собственному коду, так и к интегрируемым сторонним компонентам (библиотекам, исполняемым файлам), доступным для тестирования в скомпилированном виде.

Первые подходы, схожие с фаззинг-тестированием, заключались в ручном или полуавтоматическом вводе некорректных данных для проверки реакции программы. Это могли быть попытки подачи на вход очень длинных строк, бинарного «мусора», невалидных параметров командной строки или файлов с повреждённой структурой. Подобные методы были трудоёмкими, несистемными и охватывали лишь малую часть возможных аномальных сценариев. По мере развития методологии появились специализированные инструменты, способные автоматически генерировать большие объёмы случайных или структурированных аномальных входных данных («корпусов») и массово подавать их на тестируемую программу, отслеживая её состояние на предмет сбоев. Изначально фокус этих инструментов смещался в сторону улучшения общего качества кода, но со временем акцент сменился на поиск критических уязвимостей безопасности. Это стало возможным благодаря чёткой постановке целей.

Эволюция фаззинг-тестирования от простых методов к сложным инструментам привела к появлению различных методик, классифицируемых по уровню инсайдерской информации, доступной тестеру. Этот уровень доступа напрямую определяет глубину анализа и эффективность поиска уязвимостей. Одним из ключевых критериев классификации фаззинг-тестирования является уровень доступа к внутренней информации тестируемой программы и степень её инструментирования. В зависимости от этого критерия выделяют следующие основные виды.

Фаззинг-тестирование методом чёрного ящика (black-box)

Включает взаимодействие с программой исключительно через её стандартные интерфейсы (ввод/вывод, файлы, сеть) без какого-либо доступа к внутренней структуре. Ошибки выявляются путём наблюдения за внешними реакциями системы (падения, зависания, ошибки), моделируя атаку внешнего злоумышленника.

Фаззинг-тестирование методом серого ящика (grey-box)

Включает инструментирование программы для сбора ограниченной внутренней информации, прежде всего о покрытии кода (какие базовые блоки или переходы были выполнены). Эта информация используется для управления генерацией/мутацией данных, отдавая приоритет входам, которые приводят к выполнению новых путей кода, что значительно повышает эффективность поиска глубоких уязвимостей.

Фаззинг-тестирование методом белого ящика (white-box)

Включает полный доступ к исходному коду и состоянию программы. Использует методы динамического анализа (включая символьное выполнение) для построения ограничений на путях выполнения и целенаправленной генерации входных данных, удовлетворяющих этим ограничениям, теоретически позволяя находить самые сложные уязвимости, но требует детального изучения исходных текстов программы.

Выбор между black-box, grey-box и white-box фаззингом задаёт рамки возможностей, однако внутри каждой из этих методик критическую роль играет конкретная стратегия формирования входных данных, подаваемых на программу. Именно алгоритм генерации или модификации этих данных во многом определяет, какие участки кода будут протестированы и насколько глубоко. Ключевым аспектом фаззинг-тестирования является стратегия генерации входных данных. По этому критерию выделяют два основных подхода.

Генерационный фаззинг

Включает использование формальной модели или спецификации ожидаемого формата входных данных (грамматика файла, протокола, API). Тестовые данные создаются «с нуля» на основе этой модели, целенаправленно формируя синтаксически корректные, но семантически аномальные входы для проверки глубоких ветвей кода и сложных состояний программы.

Мутационный фаззинг

Включает использование набора валидных входных данных (начальный корпус — seed corpus). Тестовые данные генерируются путём применения случайных искажений (битовые перевороты, замена/удаление/вставка байтов, изменение длины) к этим образцам, позволяя быстро находить ошибки обработки на поверхностном уровне. Для мутации (искажения) используются данные, полученные с помощью обратной связи от приложения. Примерами таких данных могут служить: информация об увеличении покрытия, сведения о новых путях исполнения кода или время выполнения программы.

Эффективность любой стратегии генерации данных — будь то генерационный или мутационный подход — необходимо измерять. Наиболее объективной метрикой здесь выступает покрытие кода, показывающее, какая часть программы была фактически протестирована фаззером. Разные способы расчёта покрытия дают существенно отличающуюся картину тестирования. С точки зрения получения информации по покрытию, которое получается в результате проведения фаззинг-тестирования, выделяются три подхода (рис. 1).

Рисунок 1. ­(а) — тестовое покрытие по базовым блокам, ­(б) — тестовое покрытие по ветвям условных переходов, (в) — тестовое покрытие по путям исполнения в программе

При этом в зависимости от способа сбора тестового покрытия процент, которого достиг фаззер, будет сильно меняться. Если входное значение прошло по блокам 1 и 4, то по базовым блокам мы достигли 50% покрытия (блоки 1 и 4), по условным ветвям мы достигли 50% покрытия (условные переходы a и d), по путям исполнения мы достигли только 25% покрытия (путь a-1-d-4).

Показатели покрытия — важный, но не единственный критерий оценки фаззинга. Для понимания реальной ценности этого метода для тестирования безопасности необходимо взвесить все его сильные и слабые стороны в сравнении с другими подходами. Говоря об эффективности фаззинг-тестирования, стоит учитывать и недостатки. Далее представлена таблица с преимуществами и недостатками фаззинг-тестирования по сравнению с иными подходами к обнаружению ошибок в программах.

Таблица. Преимущества и недостатки фаззинг-тестирования

ВЫВОД

Инструменты динамического анализа, и особенно фаззинг-тестирование, играют критически важную роль в обеспечении безопасности и надёжности программного обеспечения, выявляя уязвимости, проявляющиеся исключительно во время выполнения. В отличие от статического анализа, который исследует код, не подразумевая его исполнения, динамический анализ проверяет поведение работающей программы в реальных или близких к реальным условиях. Его ключевая особенность — способность находить сложные, эксплуатируемые баги в обработчиках недоверенных данных (парсерах, протоколах, API), которые часто ускользают от других методов тестирования. Несмотря на свою ресурсоёмкость и необходимость настройки, фаззинг-тестирование является незаменимым элементом современного подхода к разработке безопасного программного обеспечения, дополняя статический анализ и обеспечивая выявление критических уязвимостей на этапе тестирования.