记一次RTEMS系统的固件解密

1、前言

近期翻阅之前的工作，发现在考勤机系列的安全研究里，有一篇很早就整理好但是没发出来的文章，考虑到相关设备的漏洞已经提交了快两年了，想必该修复的也修复了，设备可能都已经不再生产了。这篇文章我们主要聊一下这个设备的分析过程，着重描述一下这个设备的固件解密。

2、IoT设备启动概述

IoT设备的安全分析中，分析人员的主要工作是分析设备的逻辑功能及其代码实现，从而挖掘设备中的漏洞。大多数分析工作是从解析固件开始的，如果这一步就不顺利的话，后续可能会更加麻烦。不巧的是，这次的设备在起步阶段就很曲折：固件被加密了，并不能直接开始分析。

在此我们再简单总结一下那些常见IoT设备的启动流程，如下图所示：

图2-1 IoT设备大致的启动流程

上图大致可以分为4个阶段：

（1）首先，芯片上电后首先运行的是boot rom，执行完毕后会跳转到bootloader，如果设备启用了固件签名，那么此处会对固件进行校验；

（2）然后，bootloader的作用类似于PC启动过程的引导，主要功能就是为操作系统的运行做准备工作，在复杂的设备中，bootloader会进一步分成多个阶段；

（3）此时，操作系统就开始接管对MCU的控制，上图中把操作系统和app分成了两个部分，是为了对标PC方便大家理解，实际上在有些设备里跑的操作系统和app是混合在一起的，甚至可能没有操作系统；

（4）最后，各个app被加载运行，开始执行设备的逻辑功能，此处往往是我们想要着重分析的地方。

上图中，bootloader、kernel和app这三个阶段的代码通常是由开发者编写并烧录到Flash中的，我们所说的固件指的就是这部分内容。请将此图放在脑海中，后续所有工作都将以此图为模板展开分析和叙述。

PS：本次分享讨论的是固件可以提取但是无法分析的情况，一些由于读保护机制导致固件不被提取的情况，暂不在本篇的讨论范畴中。

3、情况简介

通过热风枪可以取下Flash芯片，然后通过编程器可以拿到Flash中的固件，这些基本功各位一定已经非常熟悉了，这里就不再赘述。固件文件包含一个FAT12格式的文件系统，可以通过7z工具直接提取出文件系统中的所有内容，提取内容截图如下：

图3-1 固件文件系统内容

显而易见，上图中的App文件夹中肯定包含了这款门禁考勤机的主程序。不过，事情肯定没有那么顺利，该文件夹内只有一个文件是可以解析的ELF格式，其他文件均不可解析，仅存在可解析文件叫main.bin，用IDA加载之后，内容看起来也有些过于简单，截图如下：

图3-2 main.bin程序内容

上图中，虽然函数符号都还在，可以大概推断出函数的作用，但是函数看起来很古怪，比如RT_CreateProcess函数内容是下图中的样子：

图3-3 RT_CreateProcess函数内容

上图中的gFuncEntryKern看起来有点像虚表指针，指向一个函数地址表，而这个指针在程序启动时被赋值。

程序main.bin很短，很快就逆完了，看起来最后创建了一个新的进程，但除了main.bin程序之外，其他程序全都无法解析。即便是main.bin自身，看起来也不太正常，很多函数只有跳转stub，缺少实质内容，看起来像是PC中加了保护导入表的壳。那么，接下来还是从头开始啃一下这个设备固件吧。

4、kernel分析与解密

按照图2-1所示，我们决定先看看bootloader，在解压获得的完整文件系统中，可以看到Product.ini文件，从里面能够找到设备的分区表，如下图所示：

图4-1固件分区表

我们此前解压缩得到的FAT12文件系统即为0x20000偏移处，顺便吐槽一下binwalk，为啥binwalk识别不出FAT12文件系统，因为太古老了吗？

结合设备上电后串口的输出字符串，可以推断出0x20000之前的固件内容即为程序的bootloader，接下来用IDA载入bootloader部分代码进行分析，并结合串口的输出日志，可以定位到关键位置，如下图：

图4-2 bootloader加载kernel文件的过程

上图中，我们根据串口打印出来的字符串来定位程序的关键位置，找到了kernel文件其实就是rootfs中的Rtbio_3760_R4502文件，且串口打印出来的信息包含了kernel的加载基址和入口地址，根据这些信息，可以分析kernel文件了。

使用IDA加载kernel文件之后，IDA导航条如下图所示：

图4-3 直接解析Rtbio文件时的IDA导航条

可以看到此时kernel只被解析出了一小部分，绝大多数内容都是unexplored状态，实际上这部分内容还是处于加密或压缩状态。由于执行流程已经离开bootloader而进入kernel阶段，那么kernel代码肯定是自解密或自解压的，这很正常，一般情况下linux kernel都是自解压的，但我们没办法直接解压就很奇怪。通过逆向分析，可以在入口点附近看到多处异或解密代码，如下图所示：

图4-4 异或解密代码

上图中，0x79E1即为异或解密使用的密钥，类似上图中的异或解密代码在多个位置都有出现，原来再自解压之前还有一步自解密过程，所以没法直接解压。

耐心分析这些已经解析的代码，可以将kernel的启动流程整理为下图所示内容：

图4-5 kernel文件的解密过程分析

可以看到，kernel既包含自解密部分，也包含自解压部分。将我们在PC端脱壳的经验用到此处，待程序完成自解密和自解压之后，dump完整的内存，就可以获得可以逆向阅读的kernel二进制文件。

然而我们并没有找到设备调试接口，写脱机解密脚本又太繁琐，最终选择用QEMU加载kernel，运行其自解密和自解压代码，待所有工作完毕之后dump内存。最后，用ida加载dump下来的内核文件，就可以看到很多代码和明文的字符串，如下图：

图4-6 载入并分析dump kernel

在众多字符串中，我们还注意到了一个版权信息，如下图：

图4-7 版权信息字符串

上图中的版权信息表明此固件可能使用了RTEMS系统。该系统一款开源的RTOS系统，在github上就可以找到源码，代码参考链接：https://github.com/RTEMS/rtems。

与我们此前分析云丁鹿客智能门锁那篇很类似，当确定了固件使用的操作系统，那么逆向工作就变得相对简单，毕竟有源码可以参考。通过对比源码，我们可以分辨出大量函数，如open、close、read等。查找这些函数的交叉引用，我们发现了一张很大的函数表，如下图右侧所示：

图4-8 导出函数表

上图左侧中，我们展示了第3章main.bin的几个函数调用，并与右侧kernel中的函数表相互对应。还记得gFuncEntryKern指针吗？看起来这个指针所指向的函数表就是上图右侧中的函数表。到此，依靠这张函数表，我们就可以正常分析main.bin程序中的所有函数了。

到此，bootloader和kernel部分可以告一段落了，在开始分析APP之前，还有一点需要提一下，与传统PC操作系统不同的是，该设备并不存在用户态和内核态，kernel和app处于相同的特权级别，所以两者之间可以直接相互调用，不需要上下文的切换。

5、app分析与解密

在这个设备固件中，除了kernel需要解密解压之外，大部分app也是需要解密解压的。除main.bin之外的程序，我们都无法用IDA直接分析，就是因为这些程序尚未解密解压，而解密解压的关键就在RT_UnzipFile函数中，将该函数的关键位置截图如下：

图5-1 RT_UnzipFile函数的代码片段

上图中可以看到read、xor、write等几个关键点，进一步分析可以判定RT_UnzipFile函数同样包含解密和解压这两个过程，异或密钥也没有变化，同样是0x79E1。

根据以上结论我们可以写一个用于解密和解压每个bin文件的脚本，将这些文件恢复成可以分析的ELF格式。通过脚本，我们将Root_00.bin解密解压，root_00.bin就是main.bin在执行最后创建的新进程，用IDA载入解密解压后的ELF文件，截图如下：

图5-2 通过IDA载入解密后的Root_00.bin文件

可以看到，Root_00.bin已经可以分析了。至此，我们已经完全理解了这个设备和固件，可以随意分析其中的文件了。

6、固件程序的编写

门禁考勤机作为一个企业的门户，往往承担了保卫企业的任务，如果门禁考勤机自身变成了打入企业内网的潜伏者，想必是件很搞笑的事情。当我们发现了门禁考勤机的漏洞，想植入后门时，就可以来阅读一下这第6章的内容。

虽然与开发传统的Linux程序比较类似，但由于我们没有与之匹配的SDK，而只能选择公版ARM编译器，所以在开发过程中，需要额外注意两点：

（1）系统调用。通过逆向分析被解密解压的多个固件程序，我们可以确定程序是没有导入表的，系统调用是通过gFuncEntryKern和gFuncEntryLibc等几个指针实现。由于我们没有官方SDK，这就导致没办法像常规正向开发一样进行各种系统调用，但是按照shellcode开发思路，直接写汇编肯定是没问题的，最终结果如下图所示：

图6-1 模拟系统调用

上图中，我们参考IDA的逆向代码用汇编实现socket、bind等系统调用，具体的逻辑功能代码还是可以照常用C来编写。

（2）生成文件格式。通过查看其他已经解密解压的多个固件程序，我们可以确定ELF文件是relocatable格式，而不是executable格式的，如下图所示：

图6-2 查看main.bin文件格式

因此，使用gcc编译程序时，需要指定-c参数，用于生成仅编译和汇编的文件；同时，使用ld链接程序时，指定-r参数，用于生成relocatable文件。

完成以上工作后，将编译的程序，按照第三章的分析做好压缩、加密处理后，并通过某些方式植入设备中，设备上电后即可看到程序开始执行，tcp回连nc监听的42240端口，如下图：

图6-3 反弹socket通信的进程

上图中，我们以发送hello world字符串来说明问题。

当然，我们也可以修改固件中已有的文件，例如开机界面的图片，更多内容我们这里不再展示。

图6-4 修改考勤机开机界面

7、总结

本篇我们着重讨论了一款固件加密的门禁考勤机设备，并借鉴PC端app脱壳的技巧，解密解压了固件中的kernel以及app。其实，本篇分享的固件加密只是各种加密方式的一小类，更常见的情况应该是固件文件完整加密，如果以后有机会我们也会分享那些完整加密的情况，感兴趣的可以等我们后续的分享。