iOS 越狱史及技术简析 - iPhone OS 2 (iOS 2)

iOS 越狱史及技术简析 - iOS1
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前言

在整理这篇文章的时候,我一直在犹豫要不要写上这个版本更新的安全机制,因为实际上真正的越狱利用部分与他们并没有关系,而因为是刚刚加入系统中,后续对他们的收尾工作并不复杂,但思索再三,还是将他们写下来了,原因无他:只有一步一步追溯苹果的更新脚步,才能理解在后续版本中他们做的安全措施。

回顾

在上一篇文章中,我们已经提到了苹果对 iOS 1 的安全保护正在一步一步进化中。截止 iOS 1.1.5,从上至下层级排列,iOS 的安全措施如下

名称 出现版本 说明
Secure Boot iOS 1.0 启动链的每个环节都会负责验证下一阶段的签名
fsroot 只读 iOS 1.0 系统盘 /dev/disk0s1 默认是只读的
AFC Restriction iOS 1.0 iPhone 通过 AFC 服务与电脑进行数据交换,这个服务默认只允许宿主机访问/Media目录
固件加密 iOS 1.1 IMG2格式的系统固件通过Key 0x837被加密
mobile 用户 iOS 1.1.3 在此之前,所用应用程序均使用root权限运行

应该说,这个阶段的越狱并没有什么难度。越狱社区正处于萌芽状态,尽管并没有原生的中文支持,威锋社区已经通过修改内核文件的方法让 iPhone 成功支持了中文输入法与中文短信的显示。

随后,2008 年 7 月 1 日, 苹果推出了 iOS 2 更新,同时公布了 iPhone 3G。 iOS 2 预装在 iPhone 3G 上,iPhone 1代也可以升级到 iOS 2。

代码签名与沙盒

这次更新之后,App Store 开始内置在 iPhone 内,这意味着用户可以自己下载并安装应用程序了。相对应的,iOS 新增了以下安全机制:

  • 强制代码签名
    • 所有可执行程序、库、甚至内存中的代码,都必须经过苹果签名才能运行
  • 应用程序沙盒
    • 应用程序默认情况下运行在沙盒中,限制其所能访问的资源(包括但不限于系统调用,文件等)

上述两个安全机制都被注册到 TrustedBSD 中的 Mandatory Access Control 扩展(MACF)里。TrustedBSD 是一个内核扩展程序的集合,从 Mac OS X 10.5(2007 年 10 月 26 日发布)开始,苹果将整个 TrustedBSD 都移植到了 XNU 内核中,所以 Mac OS X 和 iOS 也自然拥有了 MACF。

MACF 的架构大致如下:

    ^
    |
    |
 User Space
+------------------------------------------------------------+
|Ker|nel Space                                               |
|   |     +----------+            +-----------------------+  |
|   |     |          |            |                       |  |
|   |     |  MACF    |------------>     +-----------+     |  |
|   v     |          |            |     |  Policy 1 |     |  |
|         +----------+            |     +----+------+     |  |
|    Kernel   |  Access Event     |          |            |  |
|             v                   |          v            |  |
|    +--------+---------------+   |     +----+------+     |  |
|    |  Kernel Implmentation  |   |     |  Policy 2 |     |  |
|    +------------------------+   |     +----+------+     |  |
|    |    Kernel Object       |   |          |            |  |
|    +------------------------+   |          |            |  |
|             |                   |          |            |  |
|             |                   |          |            |  |
|    +--------v---------------+   |     +----v------+     |  |
|    |  File System, Network  |   |     |  Policy N |     |  |
|    +------------------------+   |     +-----------+     |  |
|                                 |                       |  |
|                                 +-----------------------+  |
|                                                            |
+------------------------------------------------------------+

安全策略可以编译时静态链接到内核,也可以在引导时加载,甚至在运行时动态加载。在主体访问客体时,MACF 会调用所有的安全策略,只有当所有的安全策略均表示同意,MACF 才会授权这次访问。

    +--------------------+      +-------------------+
    | User mode process  |      |  User Mode Daemon |
    +---------|-^--------+      +---------^---------+
+-------------|-|--------------------------------------------------+
              | |                         |
    +---------v-+--------+                |
    | sysent/mach_trap_tb|                |
    +---------|-^--------+           +----+---+
              | |                    | Policy |
    +---------v-+--------+     +----->        |
    |  syscall/trap #n   |     |     | Module |
    +---------|-^--------+     |     +--------+
              | |              |
    +---------v-+--------+     |
    |     M  A  C  F     |-----
    +--------------------+

在具体实现中,每次 MACF 均会检查是否有策略 hook 了 sycall/mach trap,如果是,那么就会拉起这个策略,由该策略判断允许还是阻止继续执行。

代码签名 (AppleMobileFileIntegrity)

从上述 MACF 架构中我们知道,要想在 iOS 实现代码签名机制,就需要自己提供一个验证代码签名的策略,然后注册相关 hook,这个工作由AppleMobileFileIntegrity.kext完成。它既不防止权限提升也不阻止未授权访问资源,它的工作仅限于保证文件的完整性(Integrity)和认证性(Authentication)。

由于代码签名验证的逻辑非常复杂,一般情况下不适合在内核态运行,所以 AMFI 由两部分组成,用户态的daemon - /usr/libexec/amfid 和内核态的AppleMobileFileIntegrity.kext组成。后者会在内核一初始化完成就注册到 MACF 的策略,如果初始化注册时出错,就会导致 kernel panic。而在初始化完成后想 unload 这个 kext,则会报错 – “Cannot unload AMFI - policy is not dynamic”,然后接着给你来个 panic。与之相反,前者可以说是 AMFI 的阿克琉斯之踵,几乎在之后版本的所有越狱中都会拿这个下手绕过代码签名。

沙盒

与 AMFI 相同,沙盒也由一个用户态/usr/libexec/sandboxd和一个kextSandbox.kext组成。在初始版本中(Sandbox<=165, iOS 1 ~ iOS 4),沙盒机制是黑名单制的,这就意味着这个机制很容易被通过“白加黑”的手段绕过。所以苹果在 iOS 5 的时候重做了这个机制,重命名为"App Sandbox",引入了容器(Container)的概念。

正文

Pwnage

** 设备版本 ** : iPhone, iPod Touch, iPhone 3G (全版本)
** 利用软件 ** : Pwnage Tool, QuickPwn, WinPwn

第一个 bootrom 级别的漏洞。

首先,让我们回顾一下当时 iPhone 的两条启动链:

  • 正常启动,bootrom 检查 LLB 签名并加载 LLB, LLB 检查 iBoot 签名并加载 iBoot, iBoot 检查内核签名并加载设备树和内核,内核完成最后的启动。
  • DFU 模式下,bootrom 验证 WTF 的签名并加载 WTF (What’s The Firmware),WTF 加载 iBSS 签名并读取 iBSS,iBSS 加载设备树、 ramdisk 和内核,验证内核签名。

看起来很美,问题出在哪呢?让我们一条一条梳理:

  • 在 iOS 1 时代,所有系统关键文件(如iBoot/iBEC/iBSS)都被用8900格式进行打包,里面含有签名与文件本身的 img2 数据。从 iOS 2 开始,苹果不再采用 8900 格式,但 WTF 映像文件除外
  • 早期设备中,系统与用户文件储存在 NAND ,引导相关文件存放在 NOR
  • 将文件写入 NOR 需要通过 ramdisk 中的 AppleImage3NORAccess.kext,这个 kext 需要验证文件的签名

因为第三点,苹果认为没必要去验证 NOR 中文件的签名,因为他们已经被 kext 所代劳了,所以 bootrom 在正常启动时不会验证 LLB 的签名,然而,bootrom 还是会验证 WTF 的签名。由于 WTF 仍是 8900 格式,pwnage 通过构造特定的 8900 签名,导致 bootrom 在签名验证时栈溢出,从而永远返回验证成功来绕过 bootrom 的签名验证。接下来的步骤,由于可信启动链的破坏,就比较简单了。

首先,构造一个固件文件:

  • 修改 WTF 签名,并将 WTF 中对下一阶段的签名验证关闭
  • 修改 iBSS,iBEC, iBoot, LLB,关闭所有签名验证
  • 关闭 ramdisk 中文件完整性校验,修改fstab
  • 关闭代码签名(AMFI.kext),关闭AppleImage3NORAccess.kext的代码签名验证
  • 给设备树打补丁,让 AppleImage3NORAccess.kext 能获取到 Key 0x837,并用这个 Key 加密文件并写入 NOR 中

最后模拟 iTunes 让 iPhone 进入 DFU 模式后加载自制 WTF 文件就可以完成后续操作了,由于大同小异(增加afc2,安装包管理软件等),这里不再赘述。

值得注意的两点是:第一,Cydia.app 和 Installer.app 一起,在这里被正式加入越狱预装应用的行列;第二,没有找到有关绕过沙盒的资料,所以猜想这个机制应该一越狱就被关掉了,而且没有保护机制。

ARM7 Go

** 设备版本 ** : iPod Touch 2
** 利用软件 ** : QuickPwn, RedSn0w Lite

iBoot 级别的漏洞。苹果在 iPod Touch 2 的第一个 iBoot 的版本里忘记把调试代码删了,留下了arm7_goarm7_stop,前者可以从任意地址执行未签名代码。

于是我们还是照葫芦画瓢,DIY 固件文件:

  • 修改 WTF 签名,并将 WTF 中对下一阶段的签名验证关闭
  • 修改 iBSS,iBEC, LLB,关闭所有签名验证
  • 修改 fsroot 的 fstab 和 Services.plist,新增afc2,把 cydia 加进去
  • 对于 iBoot:第一步,关闭签名验证。 第二,在上一篇文章中我们已经提到,iBoot 在更新后不再处理大部分boot-args,除非设备处于调试模式,所以我们要把判断调试模式的语句打个补丁,让更多的flag可用。处理器内部有一个安全机制保证只有一部分内存段才能执行指令,所以最后一步是移除掉可执行指令内存的限制。

之后,等到设备进入 DFU 模式,RedSn0w Lite 会向设备发送最重要的一段命令:

arm7_stop
mw 0x9000000 0xe59f3014
mw 0x9000004 0xe3a02a02
mw 0x9000008 0xe1c320b0
mw 0x900000c 0xe3e02000
mw 0x9000010 0xe2833c9d
mw 0x9000014 0xe58326c0
mw 0x9000018 0xeafffffe
mw 0x900001c 0x2200f300
arm7_go
arm7_stop

mw $1,$2 会将 $2 写入到 $1 所在的地址中,反汇编,我们得到这样一小段指令

asm 
; e5 9f 30 14 e3 a0 2a 02 e1 c3 20 b0 e3 e0 20 00 e2 83 3c 9d e5 83 26 c0 ea ff ff fe 22 00 f3 00 
; Segment type: Pure code 
                    AREA ROM, CODE, READWRITE, ALIGN=0 
                    ; ORG 0x9000000 
                    CODE32 
                    LDR R3, =0x2200F300 
                    MOV R2, #0x2000 
                    STRH R2, [R3] 
                    MOV R2, #0xFFFFFFFF 
                    ADD R3, R3, #0x9D00 
                    STR R2, [R3,#0x6C0] 
loc_9000018 ; CODE XREF: ROM:loc_9000018 
                    B loc_9000018 
; --------------------------------------------------------------------------- 
dword_900001C DCD 0x2200F300 ; DATA XREF: ROM:09000000 
; ROM ends 
END

这段代码做了一点微小的工作:首先,将 0x2000 写入 0x2200F300,关闭签名检测;其次,将 0xFFFFFFFF 写入 0x220196C0,这个地方是flag的值。如果flag=-1,那么 iBoot 会认为设备处于调试模式,关闭所有其他的限制。

之后,我们将事先准备好的固件文件一个一个发送过去,然后,设置boot-path,从我们准备好的内核直接启动!

bat

echo "[xx] Sending patched iBSS 2.2.1..."
sudo ./iRecovery -f ${files}/iBSS221pwn.dfu 
echo "[xx] Go into recovery mode..."
sudo ./iRecovery -s << EOF
go
/exit
EOF

# REPLUG HERE?
## echo PLEASE UNPLUG/REPLUG THE IPOD
## read A
sleep 5

echo "[xx] Sending semi-tethered iBoot 2.2.1.."
sudo ./iRecovery -f ${files}/iBoot221semi.img3

echo "[xx] Go into recovery mode..."
sudo ./iRecovery -s << EOF
go
/exit
EOF

sleep 5
echo "[xx] Configuring environment"
sudo ./iRecovery -s << EOF
setenv boot-path /System/Library/Caches/com.apple.kernelcaches/kernelcache.s5l8720p
fsboot
/exit
EOF

sleep 5
echo "[xx] Here we go!"
sudo ./iRecovery -s << EOF
go
/exit
EOF

完整脚本
需要注意的一点是,由于我们修改了 iBoot 文件,在重启之后 bootrom 会校验 iBoot 签名,显然这会导致失败,回落到 DFU。所以每次我们重启设备,都需要插上电脑继续进行引导。

总结

至此,我们已经看完了 iOS 2 时代所有的漏洞利用和更新的安全机制。两位门神 AMFI 和 Sandbox 的加入也开始让 iOS 的安全走上了正轨,我们所耳熟能详的 Cydia 作者 Saurik 已经发布了这个灰色小盒子的第一个版本,获得了社区的认可。此时 AMFI 和 Sandbox 还非常地脆弱,可以看到,工具甚至都没有直接利用他们的漏洞,这就好比苹果更新了两把锁,结果外面的人砸开门之后拿了一把电锯进来,完全无视,一路碾压。那要怎么办呢?聪明的读者应该想到了:不仅加固门,甚至你进门了,一根针也带不进来。

应该说,只有第一个漏洞是正常开拓了一个新的时代的。由此,越狱社区开始重视 iOS 的 bootrom 相关安全研究。

后记

这篇东西说长也不算长,但坑了很久,一个原因是因为 Dota 太好玩了,另外一个原因是由于笔者水平不足,难免需要多查一些资料保证准确性,同时也在思考文章的架构需要怎么写才能更合理。如果你有什么意见,欢迎向我提出。

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你已经是一个成熟的论坛会员了,要学会自己缓解尴尬。

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