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Firmware Analysis

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Introdução

O firmware é um software essencial que permite que os 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 a partir do 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

A coleta de informações é um passo inicial crítico para entender a composição de um dispositivo e as tecnologias que ele utiliza. Esse 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 fichas técnicas
  • Métricas de código e localizações de origem
  • Bibliotecas externas e tipos de licença
  • Históricos de atualização e certificações regulatórias
  • Diagramas arquiteturais e de fluxo
  • Avaliações de segurança e vulnerabilidades identificadas

Para esse fim, ferramentas de inteligência de fontes abertas (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 possíveis problemas.

Obtenção do Firmware

A obtenção do firmware pode ser abordada por vários meios, cada um 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 Google dork para encontrar arquivos de firmware hospedados
  • Acessando armazenamento em nuvem diretamente, com ferramentas como S3Scanner
  • Interceptando atualizações por meio de técnicas de homem-no-meio
  • Extraindo do dispositivo por meio de conexões como UART, JTAG ou PICit
  • Capturando solicitações de atualização dentro da comunicação do dispositivo
  • Identificando e usando pontos de atualização codificados
  • Despejando do bootloader ou rede
  • Removendo e lendo o chip de armazenamento, quando tudo mais falha, 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 não encontrar muito com essas ferramentas, verifique a entropia da imagem com binwalk -E <bin>, se a entropia for baixa, então é pouco provável 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 no firmware:

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

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

Obtendo o Sistema de Arquivos

Com as ferramentas mencionadas anteriormente, como binwalk -ev <bin>, você deveria ter sido capaz de extrair o sistema de arquivos.
O Binwalk geralmente extrai dentro de uma pasta com o nome do 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. Nestes casos, use o binwalk para encontrar o deslocamento do sistema de arquivos e esculpir 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 esculpindo 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" posteriormente.

  • 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 Firmware

Uma vez que o firmware é obtido, é essencial dissecá-lo para entender sua estrutura e potenciais vulnerabilidades. Esse 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 inspeção inicial do arquivo binário (referido como <bin>). Esses comandos ajudam na identificação de tipos de arquivos, extração de strings, análise de dados binários e compreensão dos detalhes de partição e 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 falta de criptografia, enquanto alta entropia indica possível criptografia ou compressão.

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

Extraindo o Sistema de Arquivos

Usando binwalk -ev <bin>, geralmente é possível extrair o sistema de arquivos, frequentemente para um diretório nomeado de acordo com o tipo de sistema de arquivos (por exemplo, squashfs, ubifs). No entanto, quando o binwalk falha em reconhecer o tipo de sistema de arquivos devido à ausência de bytes mágicos, a extração manual é necessária. Isso envolve usar o 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

Análise do 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 codificadas, endpoints de API, funcionalidades de servidor de atualização, código não compilado, scripts de inicialização e binários compilados para análise offline.

Locais-chave e itens para inspecionar incluem:

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

Várias ferramentas auxiliam na descoberta de 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 do Windows ajudam a identificar binários desprotegidos que poderiam ser explorados.

Emulação de Firmware para Análise Dinâmica

O processo de emulação de firmware permite a análise dinâmica da operação de um dispositivo ou 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.

Emulação de Binários Individuais

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

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

Emulação de Arquitetura ARM

Para binários ARM, o processo é semelhante, com o emulador qemu-arm sendo utilizado para a 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 etapa, é utilizado um ambiente de dispositivo real ou emulado para análise. É essencial manter acesso ao shell do sistema operacional e ao sistema de arquivos. A emulação pode não reproduzir perfeitamente as interações de hardware, exigindo reinicializações ocasionais da emulação. A análise deve revisitar o sistema de arquivos, explorar páginas da web expostas e serviços de rede, e investigar vulnerabilidades no bootloader. Testes de integridade do firmware são críticos para identificar possíveis 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, utilizando ferramentas como gdb-multiarch, Frida e Ghidra para definir pontos de interrupção e identificar vulnerabilidades por meio de fuzzing e outras técnicas.

Exploração de Binários e Prova de Conceito

Desenvolver uma PoC para vulnerabilidades identificadas requer um profundo entendimento da arquitetura alvo e programação em linguagens de baixo nível. Proteções de tempo de execução de binários em sistemas embarcados são raras, mas quando presentes, técnicas como Programação Orientada a Retorno (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 ferramentas necessárias.

Sistemas Operacionais Preparados para Analisar Firmware

  • AttifyOS: AttifyOS é uma distribuição destinada a ajudar na avaliação de segurança e testes de penetração de dispositivos da Internet das Coisas (IoT). Economiza tempo fornecendo um ambiente pré-configurado com todas as ferramentas necessárias carregadas.
  • EmbedOS: Sistema operacional de teste de segurança embarcado 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, utilize os seguintes projetos de firmware vulneráveis como ponto de partida.

Referências

Treinamento e Certificação