动态分析工具设计文档1
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2022-08-08
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CSTE v1.0 动态分析工具设计文档
内存安全基准原型系统
工具简介
动态分析工具是基于 QEMU 开发的一个原型验证工具。
QEMU 是一套由 Fabrice Bellard 编写的模拟处理器的开源软件。它通过动态翻译执行快
速的模拟一个处理器，并达到很好的模拟速度。QEMU 有两种操作模式：
全系统模拟：在此模式，QEMU 模拟整个操作系统，包括一个或者多个处理器和多个外
设。在这个模式 QEMU 可以运行不同的操作系统不需要重启电脑或者调试系统代码。
用户态模拟：在此模式，QEMU 运行不同于宿主机 CPU 架构的不同架构的进程。因此，
QEMU 用户态可以简化不同架构程序的交叉编译和交叉调试。
CSTE v1.0 版本的动态分析工具是基于 QEMU 的用户态模拟模式开发而来，此动态分析
工具可以运行不同功能需求的程序，并且可以根本不同的需求监控程序的运行。此动态分析
工具中开发实现了如粗粒度 CFI、细粒度 CFI、影子栈等多种防御机制，用户可以根据需求
监控程序运行得到程序控制流、不同转移指令的跳转及源地址和目的地址等、各种指令执行
数量和匹配配件以及配件链等信息。用户可以选择不同的防御机制来测试用户程序的攻击和
漏洞，并且组合输出程序运行过程中的各种信息，方便分析程序行为。
安装环境
QEMU 是一个跨平台的开源软件，因此 QEMU 可以安装在所有的 Linux 平台，OS-X，
Win32 和多种 UNIX 平台。
此动态分析工具的实验环境为 Ubuntu 16.04 64bit，Intel Core i5-3470 CPU，4GB RAM。
基本原理
QEMU 模拟处理器动态执行的核心是动态翻译模块 TCG（Tiny Code Generator）。TCG
可以使架构不同的程序跨平台执行，例如 ARM 架构编译链接的程序通过 TCG 可以在 X86、
MIPS 和 OpenRisc 等架构平台上执行。TCG 也分为前端和后端，目标指令通过 TCG 前端转
换成 TCG IR 指令，之后这些指令通过 TCG 后端转换为 对应宿主机架构的机器指令。
QEMU 动态执行时是以代码块的粒度来翻译执行用户程序，每一个代码块称之为 TB 块，
而 TB 块是按照 ret、call、jmp，syscall 转移指令和最大指令条数来划分成块。TCG 的动态翻
译执行原理如下图一所示。程序载入 QEMU 的用户空间后，QEMU 会模拟处理器的执行过
程取指执行，QEMU 在取出程序执行的第一条指令后首先到 TB cache 结构（专门存储程序
动态翻译后的 TB 块）中查找是否存在 TB 块首地址为该指令地址的 TB 块，若没有找到则通
过 TCG 动态翻译生成一个 TB 块，并将 TB 块的相关信息记录在 TCGContext 中。TCG 在翻
译执行后将生成的 TB 块加到 TB cache 中，并将 TB 块交给 QEMU 执行。若 TB cache 中存在
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