ARM固件基址定位工具开发

 

一、摘要

现在iot安全已经是一个热点了，嵌入式设备固件的逆向分析也成了师傅们比较关心的一个话题。

如果是普通的可执行文件，或者是动态链接库文件（例如路由器安全研究的情形下我们拿到了完整的文件系统），它们都是标准的二进制格式（比如elf），丢进IDA后，IDA就把工作统统给我们做好了。

但是有的时候我们拿到的固件压根就不是标准的二进制格式，IDA不知道它的架构和指令集。架构可以通过查芯片文档得知，因此我们可以在IDA最初的配置界面选择对应的反汇编处理器，但是问题是IDA并不知道固件的加载基址，也就无法建立正确的交叉引用，我们再逆起来就会很砍脑壳。

我们要做的就是尝试编写一个工具来自动判定固件的加载基址。咱们就针对32bit小端序的ARM固件来聊一下。

 

二、原理

用的原理是北京理工大学朱瑞瑾博士的论文《arm设备固件装载基址定位的研究》第三章介绍的方法，并在其基础上做了一些改进和优化。

这篇论文个人感觉写的蛮好的，第三章介绍的方法是基于函数入口表的基址定位方法，这个北理的师傅在论文里讲的已经很详细了，因此我们下面就简单的概括一下就好：

（1）基本思路

首先什么是个函数入口表呢？就我个人的理解，这是论文里自己定义的一个概念，其实说白了就是把一堆函数的内存地址（绝对地址，不是相对偏移）放了个表里，或者是放了一个结构体数组中各结构体的某个固定成员变量中。这种例子其实我们很熟悉，比如GOT表中的函数地址、中断向量表中的函数地址，都是这样存储的。

嵌入式设备的ARM固件中就有很多这种入口表，虽然里面的函数地址不一定全都是“很漂亮的函数”，但是很大一部分都是“很漂亮的函数”。漂亮的函数意思就是它的汇编代码的前几条指令，是典型的规范的序言指令，在x86架构下是push ebp/mov ebp,esp，在arm架构下，arm模式常常是STMFD，thumb模式常常是PUSH，这个如果有什么疑问百度了解一下ARM指令集即可。

值得注意的是，入口表放的是绝对地址啊。也就是说如果加载基址错误，那表中地址跳过去第一条指令大概率就不会是STMFD或PUSH。

那反过来想，如果说我们先假设一个加载基址，然后按入口表中的地址去看对应位置的第一条指令，如果入口表中大部分的地址的第一条指令都正好是STMFD或PUSH，那就说明这个假设的加载基址很可能就是正确的基址。

这样已经得到了一个猜测疑似基址的手段，那如果一个入口表在用多个假设基址去判断的时候，发现出现了多个疑似基址，那该选哪一个呢？论文给的解决方法是，用所有的入口表挨个去找疑似基址，然后比比在各个入口表找到的疑似基址中，哪个基址出现的最多，哪个就是我们要的。

（2）具体实施方法

基本思路中抛出了两个我们需要解决的问题：1、怎么得到咱们要的入口表 2、怎么去匹配序言指令

1、找入口表

论文设计了一个FIND-FET算法，不是很难。原理就是定了三条规则，满足三条规则就认为这是个入口表。

规则一：根据统计分析，一个入口表中的入口地址分布都比较紧凑，因此我们给一个地址差的范围，最高地址和最低地址差值应当小于一个界限。

规则二：地址不能重复（这个不用多说，很显然）

规则三：地址应当是4的整数倍或奇数，因为ARM模式指令地址是4的整数倍，THUMB模式指令地址是奇数。

注意：pc寄存器置值后，会判断最低位是否为1，为1则表示开启thumb模式，因此存的函数地址是奇数，但是存对应指令的地址还是偶数的（奇数减1）。

具体算法是用了滑动窗口，两个参数wnd和gap_max分别表示窗口大小（表项数）和一个表项中除了函数地址外剩余成员变量的最大个数（也就是两个函数地址间的最大间隔数）。

从头遍历偏移作为窗口起始地址，定下窗口起始地址后依次尝试gap为0~gap_max，然后判定窗口是否符合三个规则，不符合就增加gap再试，符合就滑动窗口找出一个完整的入口表。找到一个入口表后，就把偏移的遍历位置设到找出的表后面的位置，继续遍历寻找。

2、匹配序言

先对入口表都排序去重，假设最小值为fet[0]最大为fet[n-1]，那么加载基址显然位于fet[n-1]-file_size ~ fet[0]这个范围内，然后就遍历这个范围内的每个值作为假设的基址base，入口地址 – base就得到一个文件偏移，然后读文件相应偏移处的hex来判断是不是STMFD和PUSH的机器码。

注意：1.奇数匹配thumb的push，偶数匹配arm的stmfd    2.上面说过了，thumb时入口表中地址值是奇数，但是存储指令的实际地址是偶数，别忘了考虑上。

push机器码第二个字节是0xb5，stmfd机器码的二三字节是0x2d和0xe9

三、改进和优化

按照原文中的方法设计出来，在具体运行的时候还是有诸多局限性，我们对以下方面做了优化：

    · 滑动窗口遍历机制

    · 候选基址的选择

    · 入口地址紧凑度

    · 候选基址遍历范围

（1）滑动窗口遍历机制：粗糙模式/精细模式

原文中，如果一个滑动窗口匹配上了三条规则，并滑动至三条规则匹配失败为止，就算找出一个完整的入口表了。

而当找出一个完整的入口表后，按原文给出的算法，将不再尝试其它gap值，并且，找下一个入口表时，用的滑动窗口的起始地址也是直接移动到了刚刚找出的表的后面，而不再尝试其之间的文件偏移位置。

而我自己做实测的时候发现，这样做会造成遗漏。这种遗漏在固件二进制文件较小时，非常容易造成最终判断结果的错误。

因此我在实现时做了修改，修改后仍会尝试未尝试的gap值和未尝试的文件偏移，效果更加精确。

但是这样改动的同时用时也会剧增，因此最终方案是设置了一个开关参数来由调用者决定扫描模式。

（2）候选基址的选择：简洁模式

实际上，多数固件加载基址的第三位hex一般都是0，也就是以000结尾，而原算法会一股脑全部输出。

改动后调用者可以选择开启简洁模式，只扫描000结尾的候选基址，初次扫描建议开启这个选项。

（3）入口地址紧凑度

即规则一中的差值界限。论文推荐的值是0x10000，我改成了0x1000，感觉效果更好一点。

（4）候选基址遍历范围

论文中遍历范围是fet[n-1]-file_size ~ fet[0]，这个扫描范围是从fet[n-1]-file_size开始的。

但是实际实验中发现，有很大一部分情况下fet[n-1]-file_size为负值，这显然是不合理的，会使无用的耗时剧增，还可能会造成内存泄露（这倒还好，主要C可以负索引，但是换了别的语言可能要抛异常）。我的改进是判定为负时改为从0偏移开始扫。

此外，我们新增了一个boot模式，或者叫上电模式。Cortex-M/R核心的arm固件有一个特性，0偏移位置的dword是SP上电值，4偏移位置的dword则是PC寄存器的上电值，也就是上电后执行的第一条指令的地址。显然，加载基址是不可能大于这个值的。因此我们增加了boot模式，在能预先人工确定这个上电值的情况下可以使用这个模式，此时遍历范围的最大值将取min(pc_boot_value , fet[0])，以缩短遍历用时。

四、工具的开发实现

我用的是C语言做的实现，代码量不大，不到200行。下面是关键的几个函数：

1、找入口表

PFET find_fet(char * bin, int start, int filesize, int wnd, int gap_max) {
    int pos = start;
    int end = start + filesize;
    int gap,
    head,
    table_size,
    off;
    PFET fet_list = (PFET) malloc(sizeof(FET));
    fet_list - >next = NULL;
    PFET fet_l_ptr = fet_list;
    while (pos >= start && pos < end) {
        for (gap = 0; gap <= gap_max; gap++) {
            off = 0;
            if (rule_match(bin, pos, off, gap, wnd)) {
                head = pos;
                table_size = wnd;
                off += wnd;
                while (rule_match(bin, pos, off, gap, wnd)) {
                    table_size += wnd;
                    off += wnd;
                }
                if (F_ROUGH == 1) pos += table_size * (gap + 1) * 4 - 1; //CTL2.1: 粗略模式 
                fet_l_ptr - >next = (PFET) malloc(sizeof(FET));
                fet_l_ptr = fet_l_ptr - >next;
                fet_l_ptr - >head = head;
                fet_l_ptr - >gap = gap;
                fet_l_ptr - >table_size = table_size;
                fet_l_ptr - >next = NULL;
                if (F_ROUGH == 1) break; //CTL2.2: 粗略模式 
            }
        }
        pos++;
    }
    return fet_list;
}

2、匹配/输出加载基址（非boot模式）

void dbmfet(char * bin, int filesize, pone_tbl tbl, float T) {
    int n = tbl - >num;
    unsigned int * tb = tbl - >addr;
    unsigned int guess_base;
    int i,
    start;
    int thumb = 0,
    arm = 0;
    int debug = 0;

    if (tb[n - 1] < (unsigned int) filesize) {
        start = 0;
    } else {
        start = tb[n - 1] - filesize;
    }
    for (guess_base = start; guess_base <= tb[0]; guess_base++) { //CTL3: 非上电模式
        if (guess_base % 0x1000 == 0 || F_CLEAR == 0) { //CTL4: 简洁模式
            for (i = 0; i < n; i++) {
                if (tb[i] % 2 == 1) {
                    if (bin[tb[i] - guess_base] == (char) 0xb5) thumb++;
                } else {
                    if (bin[tb[i] - guess_base + 2] == (char) 0x2d && bin[tb[i] - guess_base + 3] == (char) 0xe9) arm++;
                }
            }
            if (((float) arm + (float) thumb) / (float) n > T) printf("OUTPUT: %p========%fn", guess_base, ((float) arm + (float) thumb) / (float) n);
            thumb = 0,
            arm = 0;
        }
    }
}

3、匹配/输出加载基址（boot模式）

void dbmfet_boot(char * bin, int filesize, pone_tbl tbl, float T, unsigned int boot_pc) {
    int n = tbl - >num;
    unsigned int * tb = tbl - >addr;
    unsigned int guess_base;
    int i,
    start;
    int thumb = 0,
    arm = 0;
    int debug = 0;

    if (tb[n - 1] < (unsigned int) filesize) {
        start = 0;
    } else {
        start = tb[n - 1] - filesize;
    }
    for (guess_base = start; guess_base <= (boot_pc <= tb[0] ? boot_pc: tb[0]); guess_base++) { //CTL3: 上电模式
        if (guess_base % 0x1000 == 0 || F_CLEAR == 0) { //CTL4: 简洁模式
            for (i = 0; i < n; i++) {
                if (tb[i] % 2 == 1) {
                    if (bin[tb[i] - guess_base] == (char) 0xb5) thumb++;
                } else {
                    if (bin[tb[i] - guess_base + 2] == (char) 0x2d && bin[tb[i] - guess_base + 3] == (char) 0xe9) arm++;
                }
            }
            if (((float) arm + (float) thumb) / (float) n > T) printf("OUTPUT: %p========%fn", guess_base, ((float) arm + (float) thumb) / (float) n);
            thumb = 0,
            arm = 0;
        }
    }
}

4、主函数 

void find_load_base(char * filename, int wnd, int gap, float T, unsigned int f_gap_m, int f_rough, unsigned int boot, int f_clear) {
    F_GAP_MAX = f_gap_m;
    F_ROUGH = f_rough;
    F_CLEAR = f_clear;
    FILE * fid = fopen(filename, "rb");
    fseek(fid, 0, SEEK_END);
    long size = ftell(fid);
    rewind(fid);
    char * bin = (char * ) malloc(size + 1);
    fread(bin, 1, size, fid);
    PFET fet = find_fet(bin, 0, size, wnd, gap); //CTL5: 窗口 和 gap PFET ptr = fet->next; pone_tbl p_tbl; int i=0,j; do{ p_tbl = get_tbl(bin,ptr); if (boot == 0) dbmfet(bin,size,p_tbl,T); //CTL6: 阈值 else dbmfet_boot(bin,size,p_tbl,T,boot); //CTL6: 阈值 free(p_tbl->addr); free(p_tbl); ptr = ptr->next; i++; }while(ptr); printf("%dn", i); puts("end"); }
    

其他工作：

弄了dll，最开始想用swig转成python库，转的时候崩了。。。

最后用的ctypes导的dll，弄了个python模块。。GitHub链接放文末了。

 

五、工具运行测试

Ⅰ. 扫描论文中给的固件

论文作者测试用的固件有16个，我找的好苦，16个我一共找到两个懒得再找了

1、Sony SBH52固件

该固件就符合boot模式的要求，在ida中是这样：

可见芯片上电时PC寄存器的初始值为0x80bf029，因此我们：

运行结果如下：

可见基址为0x8040000（上千个结果，但是往下翻也是这个画风），与论文中的正确结果一致。

2、iAudio 10 MP3固件

该固件不符合boot模式要求。而且体积较大，因此我们开启粗糙模式，并将匹配率阈值设为0.9：

运行结果如下：

可见，固件加载基址为0x20000000，与论文中的正确结果一致。

Ⅱ.扫描其他文件

我自个儿找了俩文件，都是ida自己能处理的标准elf文件，好像都是路由器里的程序：

第一个：

判定的基址为0x8000，载入ida确认：

第二个：

文件体积太小，匹配阈值0.6扫不出来，所以改成了0.3：

可见，加载基址就是0，丢ida验证：

后来又试了好几个elf，就一个失败了，失败的那个elf应该是因为太小了，只有10KB…

所以说大一点的文件效果会好一点，这也是统计特性决定的。

 

六、GitHub传送门

https://github.com/MagpieRYL/arm32_base_loc