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Kernel e Extensões do Sistema macOS

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Kernel XNU

O núcleo do macOS é o XNU, que significa "X is Not Unix" (X não é Unix). Este kernel é fundamentalmente composto pelo microkernel Mach (a ser discutido posteriormente) e elementos do Berkeley Software Distribution (BSD). O XNU também fornece uma plataforma para drivers de kernel por meio de um sistema chamado I/O Kit. O kernel XNU faz parte do projeto de código aberto Darwin, o que significa que seu código-fonte é livremente acessível.

Do ponto de vista de um pesquisador de segurança ou de um desenvolvedor Unix, o macOS pode parecer bastante similar a um sistema FreeBSD com uma GUI elegante e uma série de aplicativos personalizados. A maioria dos aplicativos desenvolvidos para o BSD irá compilar e executar no macOS sem precisar de modificações, pois as ferramentas de linha de comando familiares aos usuários do Unix estão todas presentes no macOS. No entanto, devido ao fato de o kernel XNU incorporar o Mach, existem algumas diferenças significativas entre um sistema semelhante ao Unix tradicional e o macOS, e essas diferenças podem causar problemas potenciais ou fornecer vantagens únicas.

Versão de código aberto do XNU: https://opensource.apple.com/source/xnu/

Mach

O Mach é um microkernel projetado para ser compatível com o UNIX. Um de seus princípios de design chave foi minimizar a quantidade de código em execução no espaço do kernel e, em vez disso, permitir que muitas funções típicas do kernel, como sistema de arquivos, rede e E/S, sejam executadas como tarefas de nível de usuário.

No XNU, o Mach é responsável por muitas das operações críticas de baixo nível que um kernel normalmente manipula, como escalonamento de processador, multitarefa e gerenciamento de memória virtual.

BSD

O kernel XNU também incorpora uma quantidade significativa de código derivado do projeto FreeBSD. Esse código é executado como parte do kernel junto com o Mach, no mesmo espaço de endereço. No entanto, o código do FreeBSD dentro do XNU pode diferir substancialmente do código original do FreeBSD, pois foram necessárias modificações para garantir sua compatibilidade com o Mach. O FreeBSD contribui para muitas operações do kernel, incluindo:

  • Gerenciamento de processos
  • Manipulação de sinais
  • Mecanismos básicos de segurança, incluindo gerenciamento de usuário e grupo
  • Infraestrutura de chamada de sistema
  • Pilha TCP/IP e sockets
  • Firewall e filtragem de pacotes

Compreender a interação entre o BSD e o Mach pode ser complexo, devido aos seus diferentes frameworks conceituais. Por exemplo, o BSD usa processos como sua unidade fundamental de execução, enquanto o Mach opera com base em threads. Essa discrepância é conciliada no XNU associando cada processo BSD a uma tarefa Mach que contém exatamente uma thread Mach. Quando a chamada de sistema fork() do BSD é usada, o código do BSD dentro do kernel usa funções do Mach para criar uma tarefa e uma estrutura de thread.

Além disso, o Mach e o BSD mantêm modelos de segurança diferentes: o modelo de segurança do Mach é baseado em direitos de porta, enquanto o modelo de segurança do BSD opera com base na propriedade do processo. Disparidades entre esses dois modelos ocasionalmente resultaram em vulnerabilidades de escalonamento de privilégios locais. Além das chamadas de sistema típicas, também existem armadilhas do Mach que permitem que programas de espaço de usuário interajam com o kernel. Esses diferentes elementos juntos formam a arquitetura multifacetada e híbrida do kernel macOS.

I/O Kit - Drivers

O I/O Kit é o framework de drivers de dispositivo orientado a objetos de código aberto no kernel XNU e é responsável pela adição e gerenciamento de drivers de dispositivo carregados dinamicamente. Esses drivers permitem que código modular seja adicionado ao kernel dinamicamente para uso com diferentes hardwares, por exemplo.

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

IPC - Comunicação Interprocesso

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

Kernelcache

O kernelcache é uma versão pré-compilada e pré-linkada do kernel XNU, juntamente com drivers de dispositivo essenciais e extensões do kernel. Ele é armazenado em um formato compactado e é descompactado na memória durante o processo de inicialização. O kernelcache facilita um tempo de inicialização mais rápido ao ter uma versão pronta para ser executada do kernel e drivers essenciais disponíveis, reduzindo o tempo e os recursos que seriam gastos no carregamento e vinculação dinâmica desses componentes durante a inicialização.

No iOS, ele está localizado em /System/Library/Caches/com.apple.kernelcaches/kernelcache. No macOS, você pode encontrá-lo com o comando find / -name kernelcache 2>/dev/null.

IMG4

O formato de arquivo IMG4 é um formato de contêiner usado pela Apple em seus dispositivos iOS e macOS para armazenar e verificar com segurança componentes de firmware (como o kernelcache). O formato IMG4 inclui um cabeçalho e várias tags que encapsulam diferentes partes de dados, incluindo a carga útil real (como um kernel ou bootloader), uma assinatura e um conjunto de propriedades de manifesto. O formato suporta verificação criptográfica, permitindo que o dispositivo confirme a autenticidade e integridade do componente de firmware antes de executá-lo.

Geralmente é composto pelos seguintes componentes:

  • Carga útil (IM4P):
  • Frequentemente compactado (LZFSE4, LZSS, ...)
  • Opcionalmente criptografado
  • Manifesto (IM4M):
  • Contém assinatura
  • Dicionário adicional de chave/valor
  • Informações de restauração (IM4R):
  • Também conhecido como APNonce
  • Impede a reprodução de algumas atualizações
  • OPCIONAL: Geralmente isso não é encontrado

Descompacte o 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

Símbolos do Kernelcache

Às vezes, a Apple lança kernelcache com símbolos. Você pode baixar alguns firmwares com símbolos seguindo os links em https://theapplewiki.com.

IPSW

Esses são os firmwares da Apple que você pode baixar em https://ipsw.me/. Entre outros arquivos, ele conterá o kernelcache.
Para extrair os arquivos, você pode simplesmente descompactá-lo.

Após extrair o firmware, você obterá um arquivo como: kernelcache.release.iphone14. Está no formato IMG4, você pode extrair as informações interessantes com:

{% code overflow="wrap" %}

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

{% endcode %}

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

Você pode verificar os símbolos extraídos do kernelcache com: nm -a kernelcache.release.iphone14.e | wc -l

Com isso, agora podemos extrair todas as extensões ou a que você está interessado em:

# 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

Extensões de Kernel do macOS

O macOS é extremamente restritivo para carregar Extensões de Kernel (.kext) devido aos altos privilégios com os quais o código será executado. Na verdade, por padrão, é praticamente impossível (a menos que seja encontrada uma forma de contornar isso).

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

Extensões de Sistema do macOS

Em vez de usar Extensões de Kernel, o macOS criou as Extensões de Sistema, que oferecem APIs de nível de usuário para interagir com o kernel. Dessa forma, os desenvolvedores podem evitar o uso de extensões de kernel.

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

Referências

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