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Análise de Firmware

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Introdução

Firmware é um software essencial que permite que dispositivos operem corretamente, gerenciando e facilitando a comunicação entre os componentes de hardware e o software com o qual os usuários interagem. Ele é armazenado em memória permanente, garantindo que o dispositivo possa acessar instruções vitais desde o momento em que é ligado, levando ao lançamento do sistema operacional. Examinar e potencialmente modificar o firmware é um passo crítico na identificação de vulnerabilidades de segurança.

Coleta de Informações

Coletar informações é um passo inicial crítico para entender a composição de um dispositivo e as tecnologias que ele utiliza. Este processo envolve a coleta de dados sobre:

  • A arquitetura da CPU e o sistema operacional que ele executa
  • Especificações do bootloader
  • Layout de hardware e folhas de dados
  • Métricas de código e locais de origem
  • Bibliotecas externas e tipos de licença
  • Históricos de atualização e certificações regulatórias
  • Diagramas arquitetônicos e de fluxo
  • Avaliações de segurança e vulnerabilidades identificadas

Para esse propósito, ferramentas de inteligência de código aberto (OSINT) são inestimáveis, assim como a análise de quaisquer componentes de software de código aberto disponíveis por meio de processos de revisão manuais e automatizados. Ferramentas como Coverity Scan e LGTM da Semmle oferecem análise estática gratuita que pode ser aproveitada para encontrar problemas potenciais.

Adquirindo o Firmware

Obter firmware pode ser abordado de várias maneiras, cada uma com seu próprio nível de complexidade:

  • Diretamente da fonte (desenvolvedores, fabricantes)
  • Construindo a partir de instruções fornecidas
  • Baixando de sites de suporte oficiais
  • Utilizando consultas de Google dork para encontrar arquivos de firmware hospedados
  • Acessando armazenamento em nuvem diretamente, com ferramentas como S3Scanner
  • Interceptando atualizações via técnicas de man-in-the-middle
  • Extraindo do dispositivo através de conexões como UART, JTAG ou PICit
  • Sniffing para solicitações de atualização dentro da comunicação do dispositivo
  • Identificando e usando endpoints de atualização hardcoded
  • Dumping do bootloader ou da rede
  • Removendo e lendo o chip de armazenamento, quando tudo mais falhar, usando ferramentas de hardware apropriadas

Analisando o firmware

Agora que você tem o firmware, você precisa extrair informações sobre ele para saber como tratá-lo. Diferentes ferramentas que você pode usar para isso:

file <bin>
strings -n8 <bin>
strings -tx <bin> #print offsets in hex
hexdump -C -n 512 <bin> > hexdump.out
hexdump -C <bin> | head # might find signatures in header
fdisk -lu <bin> #lists a drives partition and filesystems if multiple

Se você não encontrar muito com essas ferramentas, verifique a entropia da imagem com binwalk -E <bin>, se a entropia for baixa, então é improvável que esteja criptografada. Se a entropia for alta, é provável que esteja criptografada (ou comprimida de alguma forma).

Além disso, você pode usar essas ferramentas para extrair arquivos incorporados dentro do firmware:

{% content-ref url="../../forensics/basic-forensic-methodology/partitions-file-systems-carving/file-data-carving-recovery-tools.md" %} file-data-carving-recovery-tools.md {% endcontent-ref %}

Ou binvis.io (code) para inspecionar o arquivo.

Obtendo o Sistema de Arquivos

Com as ferramentas comentadas anteriormente, como binwalk -ev <bin>, você deve ter conseguido extrair o sistema de arquivos.
O binwalk geralmente o extrai dentro de uma pasta nomeada como o tipo de sistema de arquivos, que geralmente é um dos seguintes: squashfs, ubifs, romfs, rootfs, jffs2, yaffs2, cramfs, initramfs.

Extração Manual do Sistema de Arquivos

Às vezes, o binwalk não terá o byte mágico do sistema de arquivos em suas assinaturas. Nesses casos, use o binwalk para encontrar o deslocamento do sistema de arquivos e extrair o sistema de arquivos comprimido do binário e extrair manualmente o sistema de arquivos de acordo com seu tipo usando os passos abaixo.

$ binwalk DIR850L_REVB.bin

DECIMAL HEXADECIMAL DESCRIPTION
----------------------------------------------------------------------------- ---

0 0x0 DLOB firmware header, boot partition: """"dev=/dev/mtdblock/1""""
10380 0x288C LZMA compressed data, properties: 0x5D, dictionary size: 8388608 bytes, uncompressed size: 5213748 bytes
1704052 0x1A0074 PackImg section delimiter tag, little endian size: 32256 bytes; big endian size: 8257536 bytes
1704084 0x1A0094 Squashfs filesystem, little endian, version 4.0, compression:lzma, size: 8256900 bytes, 2688 inodes, blocksize: 131072 bytes, created: 2016-07-12 02:28:41

Execute o seguinte comando dd para extrair o sistema de arquivos Squashfs.

$ dd if=DIR850L_REVB.bin bs=1 skip=1704084 of=dir.squashfs

8257536+0 records in

8257536+0 records out

8257536 bytes (8.3 MB, 7.9 MiB) copied, 12.5777 s, 657 kB/s

Alternativamente, o seguinte comando também pode ser executado.

$ dd if=DIR850L_REVB.bin bs=1 skip=$((0x1A0094)) of=dir.squashfs

  • Para squashfs (usado no exemplo acima)

$ unsquashfs dir.squashfs

Os arquivos estarão no diretório "squashfs-root" depois.

  • Arquivos de arquivo CPIO

$ cpio -ivd --no-absolute-filenames -F <bin>

  • Para sistemas de arquivos jffs2

$ jefferson rootfsfile.jffs2

  • Para sistemas de arquivos ubifs com flash NAND

$ ubireader_extract_images -u UBI -s <start_offset> <bin>

$ ubidump.py <bin>

Analisando o Firmware

Uma vez que o firmware é obtido, é essencial dissecá-lo para entender sua estrutura e potenciais vulnerabilidades. Este processo envolve a utilização de várias ferramentas para analisar e extrair dados valiosos da imagem do firmware.

Ferramentas de Análise Inicial

Um conjunto de comandos é fornecido para a inspeção inicial do arquivo binário (referido como <bin>). Esses comandos ajudam a identificar tipos de arquivo, extrair strings, analisar dados binários e entender os detalhes da partição e do sistema de arquivos:

file <bin>
strings -n8 <bin>
strings -tx <bin> #prints offsets in hexadecimal
hexdump -C -n 512 <bin> > hexdump.out
hexdump -C <bin> | head #useful for finding signatures in the header
fdisk -lu <bin> #lists partitions and filesystems, if there are multiple

Para avaliar o status de criptografia da imagem, a entropia é verificada com binwalk -E <bin>. Baixa entropia sugere a falta de criptografia, enquanto alta entropia indica possível criptografia ou compressão.

Para extrair arquivos incorporados, ferramentas e recursos como a documentação de file-data-carving-recovery-tools e binvis.io para inspeção de arquivos são recomendados.

Extraindo o Sistema de Arquivos

Usando binwalk -ev <bin>, geralmente é possível extrair o sistema de arquivos, muitas vezes em um diretório nomeado de acordo com o tipo de sistema de arquivos (por exemplo, squashfs, ubifs). No entanto, quando binwalk não consegue reconhecer o tipo de sistema de arquivos devido à falta de bytes mágicos, a extração manual é necessária. Isso envolve usar binwalk para localizar o deslocamento do sistema de arquivos, seguido pelo comando dd para extrair o sistema de arquivos:

$ binwalk DIR850L_REVB.bin

$ dd if=DIR850L_REVB.bin bs=1 skip=1704084 of=dir.squashfs

Depois, dependendo do tipo de sistema de arquivos (por exemplo, squashfs, cpio, jffs2, ubifs), diferentes comandos são usados para extrair manualmente o conteúdo.

Análise de Sistema de Arquivos

Com o sistema de arquivos extraído, a busca por falhas de segurança começa. A atenção é voltada para daemons de rede inseguros, credenciais hardcoded, endpoints de API, funcionalidades de servidor de atualização, código não compilado, scripts de inicialização e binários compilados para análise offline.

Locais e itens chave a serem inspecionados incluem:

  • etc/shadow e etc/passwd para credenciais de usuário
  • Certificados e chaves SSL em etc/ssl
  • Arquivos de configuração e script para potenciais vulnerabilidades
  • Binários incorporados para análise adicional
  • Servidores web e binários comuns de dispositivos IoT

Várias ferramentas ajudam a descobrir informações sensíveis e vulnerabilidades dentro do sistema de arquivos:

Verificações de Segurança em Binários Compilados

Tanto o código-fonte quanto os binários compilados encontrados no sistema de arquivos devem ser examinados em busca de vulnerabilidades. Ferramentas como checksec.sh para binários Unix e PESecurity para binários Windows ajudam a identificar binários desprotegidos que podem ser explorados.

Emulando Firmware para Análise Dinâmica

O processo de emular firmware permite análise dinâmica tanto da operação de um dispositivo quanto de um programa individual. Essa abordagem pode enfrentar desafios com dependências de hardware ou arquitetura, mas transferir o sistema de arquivos raiz ou binários específicos para um dispositivo com arquitetura e endianness correspondentes, como um Raspberry Pi, ou para uma máquina virtual pré-construída, pode facilitar testes adicionais.

Emulando Binários Individuais

Para examinar programas únicos, identificar a endianness e a arquitetura da CPU do programa é crucial.

Exemplo com Arquitetura MIPS

Para emular um binário de arquitetura MIPS, pode-se usar o comando:

file ./squashfs-root/bin/busybox

E para instalar as ferramentas de emulação necessárias:

sudo apt-get install qemu qemu-user qemu-user-static qemu-system-arm qemu-system-mips qemu-system-x86 qemu-utils

Para MIPS (big-endian), qemu-mips é usado, e para binários little-endian, qemu-mipsel seria a escolha.

Emulação da Arquitetura ARM

Para binários ARM, o processo é semelhante, com o emulador qemu-arm sendo utilizado para emulação.

Emulação de Sistema Completo

Ferramentas como Firmadyne, Firmware Analysis Toolkit e outras, facilitam a emulação completa de firmware, automatizando o processo e auxiliando na análise dinâmica.

Análise Dinâmica na Prática

Nesta fase, um ambiente de dispositivo real ou emulado é usado para análise. É essencial manter acesso ao shell do sistema operacional e ao sistema de arquivos. A emulação pode não imitar perfeitamente as interações de hardware, necessitando reinicializações ocasionais da emulação. A análise deve revisitar o sistema de arquivos, explorar páginas da web expostas e serviços de rede, e investigar vulnerabilidades do bootloader. Testes de integridade do firmware são críticos para identificar potenciais vulnerabilidades de backdoor.

Técnicas de Análise em Tempo de Execução

A análise em tempo de execução envolve interagir com um processo ou binário em seu ambiente operacional, usando ferramentas como gdb-multiarch, Frida e Ghidra para definir pontos de interrupção e identificar vulnerabilidades por meio de fuzzing e outras técnicas.

Exploração Binária e Prova de Conceito

Desenvolver um PoC para vulnerabilidades identificadas requer um profundo entendimento da arquitetura alvo e programação em linguagens de baixo nível. Proteções de tempo de execução em sistemas embarcados são raras, mas quando presentes, técnicas como Return Oriented Programming (ROP) podem ser necessárias.

Sistemas Operacionais Preparados para Análise de Firmware

Sistemas operacionais como AttifyOS e EmbedOS fornecem ambientes pré-configurados para testes de segurança de firmware, equipados com as ferramentas necessárias.

OSs Preparados para Analisar Firmware

  • AttifyOS: AttifyOS é uma distribuição destinada a ajudar você a realizar avaliação de segurança e testes de penetração de dispositivos da Internet das Coisas (IoT). Ele economiza muito tempo ao fornecer um ambiente pré-configurado com todas as ferramentas necessárias carregadas.
  • EmbedOS: Sistema operacional de teste de segurança embarcada baseado no Ubuntu 18.04 pré-carregado com ferramentas de teste de segurança de firmware.

Firmware Vulnerável para Prática

Para praticar a descoberta de vulnerabilidades em firmware, use os seguintes projetos de firmware vulneráveis como ponto de partida.

Referências

Treinamento e Certificação

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