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macOS内核和系统扩展

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XNU内核

macOS的核心是XNU，它代表着“X不是Unix”。这个内核基本上由Mach微内核（稍后将讨论）和来自Berkeley Software Distribution（BSD）的元素组成。XNU还通过一个名为I/O Kit的系统为内核驱动程序提供平台。XNU内核是Darwin开源项目的一部分，这意味着它的源代码是免费可访问的。

从安全研究人员或Unix开发人员的角度来看，macOS可能会感觉非常类似于一个带有优雅GUI和许多自定义应用程序的FreeBSD系统。大多数为BSD开发的应用程序在macOS上编译和运行时不需要修改，因为Unix用户熟悉的命令行工具在macOS上都存在。然而，由于XNU内核包含了Mach，传统的类Unix系统和macOS之间存在一些重要的差异，这些差异可能会导致潜在的问题或提供独特的优势。

XNU的开源版本：https://opensource.apple.com/source/xnu/

Mach

Mach是一个设计为与UNIX兼容的微内核。它的一个关键设计原则是最小化在内核空间中运行的代码量，而是允许许多典型的内核功能（如文件系统、网络和I/O）作为用户级任务运行。

在XNU中，Mach负责许多典型的内核操作，如处理器调度、多任务处理和虚拟内存管理。

BSD

XNU内核还整合了大量来自FreeBSD项目的代码。这些代码与Mach一起在同一地址空间中作为内核的一部分运行。然而，XNU中的FreeBSD代码可能与原始的FreeBSD代码有很大的不同，因为需要对其进行修改以确保与Mach的兼容性。FreeBSD对许多内核操作做出了贡献，包括：

• 进程管理
• 信号处理
• 基本安全机制，包括用户和组管理
• 系统调用基础设施
• TCP/IP堆栈和套接字
• 防火墙和数据包过滤

理解BSD和Mach之间的交互可能是复杂的，因为它们具有不同的概念框架。例如，BSD使用进程作为其基本执行单元，而Mach基于线程运行。在XNU中，通过将每个BSD进程与包含一个Mach线程的Mach任务相关联来解决这个差异。当使用BSD的fork()系统调用时，内核中的BSD代码使用Mach函数创建一个任务和一个线程结构。

此外，Mach和BSD各自维护不同的安全模型：Mach的安全模型基于端口权限，而BSD的安全模型基于进程所有权。这两个模型之间的差异有时会导致本地特权提升漏洞。除了典型的系统调用外，还有Mach陷阱允许用户空间程序与内核进行交互。这些不同的元素共同构成了macOS内核的多面、混合架构。

I/O Kit - 驱动程序

I/O Kit是XNU内核中的开源、面向对象的设备驱动程序框架，负责添加和管理动态加载的设备驱动程序。这些驱动程序允许将模块化代码动态添加到内核中，以便与不同的硬件一起使用，例如。

{% content-ref url="macos-iokit.md" %} macos-iokit.md {% endcontent-ref %}

IPC - 进程间通信

{% content-ref url="macos-ipc-inter-process-communication/" %} macos-ipc-inter-process-communication {% endcontent-ref %}

Kernelcache

Kernelcache是XNU内核的预编译和预链接版本，以及必要的设备驱动程序和内核扩展。它以压缩格式存储，并在启动过程中解压缩到内存中。通过具有可运行版本的内核和关键驱动程序的kernelcache，可以实现更快的启动时间，减少在启动时动态加载和链接这些组件所需的时间和资源。

在iOS中，它位于**/System/Library/Caches/com.apple.kernelcaches/kernelcache，在macOS中，可以使用find / -name kernelcache 2>/dev/null**找到它。

IMG4

IMG4文件格式是苹果在其iOS和macOS设备中用于安全地存储和验证固件组件（如kernelcache）的容器格式。IMG4格式包括一个头部和几个标签，这些标签封装了不同的数据片段，包括实际的载荷（如内核或引导加载程序）、签名和一组清单属性。该格式支持加密验证，使设备能够在执行固件组件之前确认其真实性和完整性。

通常由以下组件组成：

• 载荷（IM4P）：
  • 经常被压缩（LZFSE4，LZSS，...）
  • 可选加密
• 清单（IM4M）：
  • 包含签名
  • 附加的键/值字典
• 恢复信息（IM4R）：
  • 也称为APNonce
  • 防止某些更新的重放攻击
  • 可选：通常不会找到

解压Kernelcache：

# pyimg4 (https://github.com/m1stadev/PyIMG4)
pyimg4 im4p extract -i kernelcache.release.iphone14 -o kernelcache.release.iphone14.e

# img4tool (https://github.com/tihmstar/img4tool
img4tool -e kernelcache.release.iphone14 -o kernelcache.release.iphone14.e

Kernelcache符号

有时，苹果会发布带有符号的kernelcache。您可以通过在https://theapplewiki.com上的链接上下载一些带有符号的固件。

IPSW

这些是您可以从https://ipsw.me/下载的苹果固件。除了其他文件之外，它还包含kernelcache。
要提取文件，您只需将其解压缩即可。

提取固件后，您将获得一个类似于**kernelcache.release.iphone14的文件。它以IMG4**格式存储，您可以使用以下方法提取有趣的信息：

• pyimg4

{% code overflow="wrap" %}

pyimg4 im4p extract -i kernelcache.release.iphone14 -o kernelcache.release.iphone14.e

{% endcode %}

• img4tool

img4tool -e kernelcache.release.iphone14 -o kernelcache.release.iphone14.e

您可以使用以下命令检查提取的内核缓存中的符号：nm -a kernelcache.release.iphone14.e | wc -l

通过这个命令，我们现在可以提取所有的扩展或者您感兴趣的一个扩展：

# List all extensions
kextex -l kernelcache.release.iphone14.e
## Extract com.apple.security.sandbox
kextex -e com.apple.security.sandbox kernelcache.release.iphone14.e

# Extract all
kextex_all kernelcache.release.iphone14.e

# Check the extension for symbols
nm -a binaries/com.apple.security.sandbox | wc -l

macOS内核扩展

由于代码将以高权限运行，macOS对加载内核扩展（.kext）非常严格，实际上，默认情况下几乎不可能加载（除非找到了绕过方法）。

{% content-ref url="macos-kernel-extensions.md" %} macos-kernel-extensions.md {% endcontent-ref %}

macOS系统扩展

macOS创建了系统扩展，而不是使用内核扩展，它提供了用户级API与内核进行交互。这样，开发人员可以避免使用内核扩展。

{% content-ref url="macos-system-extensions.md" %} macos-system-extensions.md {% endcontent-ref %}

参考资料

• The Mac Hacker's Handbook
• https://taomm.org/vol1/analysis.html

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