对于云平台来说,其底层所使用的虚拟化软件是其信息安全的基石:如果虚拟化软件出现漏洞,低特权的恶意客户机就有可能利用漏洞盗取其他客户机的敏感信息,甚至在宿主机上执行任意命令。为了进行全系统虚拟化,常见的虚拟化软件都支持了IO设备虚拟化。这些设备实现复杂,种类繁多,通常需要处理客户机的不可信数据,历史上很多虚拟化漏洞也是在这些设备中发现的。以往对虚拟化设备的漏洞研究大都集中在漏洞挖掘与漏洞利用。对于漏洞挖掘,研究者们通常使用模糊测试技术,研究点主要在如何从多个维度进行测试,如何缩小测试用例的输入空间等。对于漏洞利用,研究点主要在如何绕过现有的缓解措施以及如何提高利用的稳定性等。但是,现有的模糊测试工具（以下称为Fuzzer）缺乏对IO交互语义上的理解,常常生成无效的IO操作,并把计算资源浪费在不容易触发异常的IO操作上。另外,传统的二进制层面的崩溃样本缩减效果并不好,阻碍了后期的漏洞分析与调试。最后,以往对于虚拟化设备的漏洞利用都需要进行多次IO交互,常常成为利用不稳定的主要因素之一。针对上述问题,本文主要做出了三个贡献。首先,本文通过适配和分析特定虚拟化设备以往的崩溃样本,获得倾向于触发设备功能和异常的IO操作数,以此作为初始信息指导Fuzzer生成测试用例,减少了无效IO操作的比例,提升了测试中覆盖度提升的速度,最终在QEMU/KVM平台上发现了多处安全漏洞。此外,本文基于虚拟化设备IO操作序列的上下文,设计并实现了一种崩溃样本缩减方案,该方案能够对样本中的宽操作数以及存在依赖关系的IO操作进行缩减,还能识别DMA的内存读写模式,启发式地调整缩减策略。与传统Fuzzer相比,该方案缩减后的样本不仅更小,缩减时间也减少了一个数量级。目前该方案已经合并至QEMU主线,参与其持续集成。最后,在模糊测试的过程中,本文发现了虚拟化平台中存在的递归内存映射IO设计缺陷,并通过对其分析,提出了一种新的虚拟化设备漏洞利用技术。该利用技术基于递归内存映射IO和向量化DMA,能够在客户机的单次IO操作中对多个设备进行访问,以此完成信息泄露、关键信息修改、控制流劫持以及宿主机命令执行,保证了漏洞利用的稳定性。通过利用该攻击面的相关漏洞,本文在QEMU/KVM平台上实现了虚拟机逃逸,并按照规定向开源社区和厂商上报了验证代码并得到了确认。