1. Мотивация

*В статье делается акцент на Java и web, однако подход применим и к иным областям.

В данной статье предлагается концепция модификации существующих генераторов тестов с целью адаптировать их к поиску уязвимостей и, соответственно, получить полноценный SAST.

В рамках исследования были выделены ключевые характеристики анализатора:

1. Мощность (умение находить уязвимости в сложных ситуациях)
2. Способность работать в общем случае, а не ориентироваться на конкретные типы уязвимостей
3. Расширяемость (для простоты развития в дальнейшем)
4. Проверяемость, а именно возможность получить не просто отчёт со множеством потенциальных угроз, а конкретный case, на котором всё ломается.

Но как всего этого достичь? Об этом и пойдёт речь дальше.

2. Открытые генераторы unit-тестов

Одной из современных технологий статического анализа является символьное исполнение. Эта техника позволяет преодолевать сложные условия, с которыми нельзя справиться стандартными методами, например, фаззингом. Подробнее об этой технике можно почитать тут.

В качестве основы для своего анализатора мы решили взять генератор unit-тестов. Современные генераторы, как правило, используют один из готовых или собственный символьный движок. На рисунке ниже приведено несколько из них.

Важно отметить, что все они сильно отличаются друг от друга и обладают уникальными настройками для запуска, которые часто даже представлены в разном формате.

В ходе тестирования мы выделили две ключевых фичи: поддержка строк и использование сторонних библиотек. Следует подчеркнуть, что их имплементация в достаточном объёме является сложной задачей, поэтому некоторые движки поддерживают их, но этого не всегда хватает, в то время как другие даже не пытаются это сделать.

Неэффективная реализация этих фичей препятствует нормальной работе анализатора, так как строки и библиотечные вызовы являются неотъемлемой частью реального кода. Более того, сами опасные данные часто представляются в виде строк. Рассмотрим несколько примеров.

Строки

Взглянем на рисунок ниже:

На первый взгляд кажется, что существует понятное условие и можно легко подобрать входные данные, при которых функция вернет значение true. Однако даже данное простое условие может вызвать сложности у символьных движков. В случае, если оно всё же отработает на каком-либо из них, можно немного усложнить пример так, чтобы он перестал быть выполнимым. И это без участия сложных, тяжело анализируемых функций со строками по типу match и работы с регистрами, с которыми проблем ещё больше.

Библиотеки

Далее рассмотрим, что произойдет, если потребуется работать с библиотеками.

К сожалению, и здесь возникают сложности. В лучшем случае придётся тонко настраивать движок, чтобы он с этим справлялся, а в худшем – ничего не заработает. Так как обычный код использует библиотеки практически всегда, то подобные трудности становятся критичными и требуют дополнительных решений.

В примере используется библиотечный вызов HttpServletRequest.getHeader, символьный движок должен «понимать» как дальше используются данные, полученные из этого внешнего источника. Это может приводить к возникновению уязвимостей, таких как XSS или SQL Injection в зависимости от последующей обработки.

Системные вызовы

Отдельный класс проблем возникает при попытке обратиться к функциям операционной системы или использовать её ресурсы – это требует значительных усилий со стороны разработчиков символьного движка, и, как правило, этим уже никто не занимается. Однако на практике в реальном коде, глубоко в вызовах функций, такое не редко встречается.

В данном примере ход исполнения зависит от значения переменной окружения “key” и, для правильного анализа, символьный движок должен эмулировать ответ от системы или как-то иначе корректно обрабатывать подобные ситуации.

3. Собираем все вместе

В ходе разработки мы пришли к тому, что анализ должен проводиться в несколько этапов. Рассмотрим их подробнее.

Преданализ: taint

Перейдём к основным особенностям нашего решения. Первоначально следует рассмотреть проблемы, связанные не столько с символьными движками, сколько с самим символьным исполнением, а именно речь пойдет о path explosion.

Символьное исполнение пытается анализировать пути, но это значит, что после каждого if анализируемых состояний становится вдвое больше. Это приводит к экспоненциальному росту количества состояний и требует специфичных решений.

Здесь важно вспомнить о задаче, которую мы хотим решить – это поиск уязвимостей, а не анализ всего кода. В этом месте можно применить taint analysis – предварительный анализ кода позволит выявить потенциально опасные вызовы и пути до них. Затем эти пути можно сопоставлять с анализируемыми состояниями и таким образом направлять символьное исполнение.

Допустим, что мы хотим проанализировать функцию example и знаем, что в одной из функций, вызываемой из неё, есть опасный вызов, а в другой нет. Применение данного решения позволит сфокусироваться только на анализе интересующей нас функции.

Говоря о механизме функционирования символьного исполнения изнутри, следует отметить, что оно работает с состояниями и за одну итерацию разбирает одно из существующих. Однако количество возможных состояний может быть не ограничено, что создает потребность в их систематизации. Поэтому в некоторых движках есть особая сущность, которая контролирует порядок анализа состояний – в используемом движке она называется PathSelector. Символьной машине передаётся состояние, оно разбирается и либо порождает новые состояния, которые попадают обратно в PathSelector, либо всё доходит до терминального состояния (return/throw) и оно обрабатывается определённым образом. Это общая идея PathSelector, в частности есть имплементация, интегрированная с taint-ом.

Vulnerability check

Важной частью SAST-анализатора является база знаний об опасных функциях и их диагностике. В коде существуют опасные функции, необходимо проверять, достижимы ли уязвимости, связанные с их использованием. Для каждой опасной функции заданы проверки Check (каждая состоит из проверочной функции и описания уязвимости. Проверочная функция возвращает true, если по данным, переданным в неё, можно утверждать, что изначальная функция уязвима). Пусть в ходе символьного исполнения вызывается опасная функция f. Тогда её вызов заменяется на вызов декорирующей её функции с проверками. Тело этой функции:

Аргументы, которые должны передаваться в функцию f, до этого передаются в функции проверки. Если в результате была найдена уязвимость, то об этом сигнализируется исключением с её описанием. Вызов получившийся функции так же исследуется символьным исполнением. На рисунке ниже показано, какой вид могут иметь функции для проверки уязвимостей:

Кроме того, вместо функций можно альтернативно задать JSON с сигнатурой проверяемой функции и аргументами, считающимися уязвимыми:

Таким образом, если к функции f подключена проверочная функция pathCheckString и аргумент, попадающий в f , может быть равен ../etc/passwd, то возникнет соответствующее исключение, сообщающее об уязвимости.

На рисунке ниже изображены все варианты проверок схематично. Первые два были описаны выше – они работают через декоратор с символьными аргументами. Помимо них существует адаптивный метод проверки – фаззинг аргументов. На данный момент он находится в разработке и реализован лишь частично. О нём подробнее будет рассказано позже.

База знаний

Для удобства проверок используется общая структура для хранения – база знаний. Она состоит из Java-классов с функциями проверок и JSON-файлов, которые на них ссылаются. Каждая уязвимая функция в базе представляется в виде JSON-объекта, который содержит идентификатор функции, описание уязвимости и ссылки на JSON-файлы с описанием проверок. Каждый такой JSON в свою очередь имеет список идентификаторов проверочных функций. Базы знаний являются отдельными компонентами, их можно подключать к анализатору.

Взглянем на то, каким образом можно добавить проверку на уязвимость. База знаний должна, как правило, содержать проверочные функции для библиотечных, но на рисунке ниже, для наглядности, приведен пример с кастомным классом. ClassWithVulnerability где-то объявлен в нашем коде и содержит функцию commandRunner, которая выполняет опасную операцию. Мы хотим быть уверенными, что в эту функцию не попадают данные, удовлетворяющие нашим условиям.

Для этого в базу знаний нужно добавить сами проверки (здесь они содержатся в классе ProcessBuilderCheck), добавить JSON-файл с ссылками на проверки, которые должны выполняться, и при помощи ещё одного JSON связать все объявленные проверки с функцией commandRunner.

Теперь, при запуске анализатора, если исполнение доходит до вызова функции commandRunner, выполнятся объявленные проверки и будет сообщаться, если они прошли успешно (т.е. если была найдена уязвимость).

4. Что можно сделать еще?

Fuzzing

Символьное исполнение не всегда справляется со сложными проверками, а использование JSON с конкретными аргументами может быть недостаточно гибким. Здесь на помощь приходит фаззинг – он используется вместо проверок с декоратором и позволяет создавать релевантные опасные входы и проверять их. Чтобы справляться с этой задачей, фаззеру передаются сигнатура самой функции, тип уязвимости для которого нужен опасный вход и ограничения на аргументы, собранные символьным исполнением. Он возвращает конкретные опасные входы, также проходящие символьную проверку, и, как и раньше, создаётся report, если она была успешна.

Wrappers

Стоит вспомнить и о библиотечных функциях. В ряде случаев обойти проблему с ними помогают mock-объекты (фиктивная реализация интерфейса, предназначенная для тестирования. Например, можно замокать класс и задать ему возвращаемое значение при вызове нужных функций). Тем не менее, они не являются универсальным решением, потому что иногда анализ библиотечных функций может быть необходим. С этой целью были созданы некоторые «обёртки», подменяющие реализацию метода, но при этом сохраняющие внутреннее состояние класса, корректно с ним работая. Их можно использовать в определённых случаях. Например, для анализа web можно создать обертку HttpServletRequstStateHolder, которая переопределяет нужные методы HttpServletRequst. В обёртках хранятся символьные состояния полей класса, что обеспечивает более точный анализ. Например, в state для request хранятся headers в символьном виде – они используются при обращении к ним через функции. В общем случае писать обёртки слишком затратно, но в конкретных и часто встречающихся ситуациях они способны оказать существенную помощь. Например, это полезно для точек входа приложения, откуда приходят пользовательские данные.

5. Примеры

Пример 1

Перейдём к примерам, чтобы продемонстрировать, как описанный подход работает. Рассмотрим функцию doGet, в которой используется путь до файла – filename. При выполнении некоторых условий на cookie request, этот файл читается и отправляется как результат обратно.

Пример 1: результат

Если запустить анализатор, можно получить тест с аннотацией, содержащей описание уязвимости, взятое из прошедшей проверки в базе знаний - vulnerabilityInfo. В коде создаётся mock на request, в него добавляются необходимые cookie для прохождения условия, а именно устанавливается cookie с нужным именем и значением, далее по параметру filename записывается опасный вход. Это позволяет создать тест, демонстрирующий уязвимость.

Пример 2: реальный код

Приведем еще один пример, на этот раз на реальном коде. Рассмотрим функцию get, она вызывается выше из другой функции, с которой начинается анализ. Дальше, в initHttp открывается соединение, представляющее собой уязвимое место.

Пример 2: результат

Для данного кода был сгенерирован тест с ServerSideRequestForgery и подходящим опасным входом – file:///etc/passwd. Стоит отметить, что в рассмотренном примере также проверяется дополнительное условие для достижения самой initHttp. Это позволяет отсечь часть опасных payload-ов (в данном случае те, что начинаются с https).

6. Выводы

В заключение подведем итоги описанного подхода. Среди преимуществ следует выделить:

1. Способность справляться со сложными случаями за счёт техники символьного исполнения;
2. Возможность работы с большими исходниками при использовании описанного преданализа;
3. Гибкая конфигурация и возможность расширения за счёт отдельного компонента базы знаний и в целом разработанной архитектуры;
4. Понятный результат на выходе.

Также следует отметить некоторые минусы подхода:

1. Необходимость тонкой настройки для движка;
2. Ограничения для строк и библиотек среди существующих движков для Java.

7. Перспективы развития

В дальнейшем, для улучшения работы и усовершенствования подхода предполагается обеспечить более надежную поддержку строк и библиотек, реализовать в полной мере описанный ранее фаззинг, продолжить расширение базы знаний и имплементировать ряд обёрток.

Автор: Андрей Погребной, CyberOK