Ouroboros: VirtIO-Protocol-Aware Virtual Device Fuzzing

Zexiang Zhang

doi:10.3390/electronics15174035

Ouroboros: VirtIO-Protocol-Aware Virtual Device Fuzzing

2026-09-08

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DOI：10.3390/electronics15174035

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VirtIO设备通过virtqueues处理客户机输入，其队列角色、缓冲方向、分散-聚集布局和长度共同决定了请求如何到达设备特定处理程序。现有的虚拟设备模糊测试器主要突变低级别的PIO、MMIO和DMA交互，这往往无法形成协议一致的VirtIO请求，并且可能在延迟处理完成前收集反馈。我们提出了Ouroboros，一个协议敏感的模糊测试框架，将输入抽象提升到Virtqueue事件，并将反馈收集与请求生命周期对齐。其协议语义感知的输入模型将协议上下文与设备有效载荷分离，规范化共享的VirtIO约束，并在请求消费边界实例化请求。其协议流感知的执行机制跟踪每个事件通过同步或延迟处理直至完成、释放或有限超时。我们在QEMU上实现了Ouroboros，并将其与AFL++以持久模式集成。在六个VirtIO设备和每个目标十个24小时运行中，Ouroboros将平均最终分支覆盖率从12.25%提高到22.65%，并将平均有效输入比率从0.24%提高到38.47%。它还发现了四个QEMU VirtIO设备实现中10个先前未报告的漏洞，所有这些漏洞都已报告给QEMU维护者。这些结果表明，将模糊测试输入和反馈与VirtIO请求语义对齐显著提高了对设备特定逻辑的探索。

Keyword:

VirtIO

virtual-device fuzzing

protocol-aware fuzzing

hypervisor security

Ouroboros: VirtIO-Protocol-Aware Virtual Device Fuzzing

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