SynthDB Synthesizing Database via Program Analysis for Security Testing of Web Applications

Posted May 22, 2023 Updated May 24, 2023

By x14ngch3n

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最近在面试中遇到过很多针对数据库代码的程序分析问题，也有面试官也指出过数据库是程序分析走向领域化的一个重要对象，所以也学习一篇关于使用数据库合成技术辅助 web 应用测试的工作。

背景介绍部分，作者指出当前针对 web 程序运行时产生代码的特点，更多的时候需要采用动态测试。而 web 后端代码的运行时行为非常依赖于 SQL 查询的结果，所以在测试这类代码时，我们需要尽可能地提供真实且足量的数据库条目，才能覆盖到更多的程序执行分支。但出于对于数据隐私的保护，想要获取商业公司中的真实数据用于测试是非常困难的。从而，研究者转而采用数据库合成（Database Synthesis）的技术，来向 web 测试框架提供合法且全面的数据库，辅助安全分析。且这样的数据库合成有以下 3 个限制：

没有具体的输入
没有初始的数据库
没有 SQL 的查询记录

在合成数据库时，我们首先需要考虑的是数据库的设计方案（Schema），即显式关系。但如果考虑到处理这些查询的代码，其实还包含了一种数据之间的隐式关系。为此，作者总结出了一个良好的用于测试的数据库应该满足的 5 类约束：

schema constraints - for database integrity
query condition constraints
pre-query constraints
post-query constraints
synchronized_query constraints - define integrity and consistency rules between multiple database records

作者以 SchoolMate 这一个 web 后台管理程序作为例子说明了合成数据库的难点。如下图所示，该代码片段中存在两处 SQL 注入和一处 XSS 注入点。如果想要触发这些漏洞，首先需要数据库中存在的数据满足代码进入 while 和 switch 语句。

作者首先使用了两类传统方法（都需要手动提供初始查询数据）生成数据库。首先是 Scheme-based 方法，由于其没有利用到程序输入（即手动提供的 POST 参数），导致 q1 的查询结果为空，无法进入主循环。随后演示了 Query-based 方法，即生成了和 POST 参数对应的数据库值，且关联列（比如 courseid）的对应随机值也相同，从而可以符合 q2 中包含的联合查询，但其 dotw 列的数据由于是随机生成的，还是不能够满足 swtich 语句所对应的 case。而如果使用本文的方法，即可以考虑到影响程序控制流的分支点（上图中1-4），生成能够覆盖造成漏洞的控制流的数据库内容。

SynthDB 使用了混合符号执行的方法，其整体架构如下图所示。首先分析出每次查询所涉及到的数据列以及他们的关系，如果某一变量在后续的查询中被使用，则需要对其进行追踪，得到数据列的值的约束集合，并进行求解。SynthDB 使用了Vulcan Logic Dumper 执行 php 代码，并将动态收集到的 5 类约束条件输入到 z3 求解器中。

从软件工程的角度，作者先测试了 SynthDB 在代码覆盖率上的表现。作者选取了 17 个真实的 PHP 程序，来自于之前测试得较多，且包含一定数量 SQL 查询的项目。作者还额外引入了 3 类 PHP 应用的最广泛的领域（CMS, eCommerce platform, and online forum）的主流项目。