使用 IDA 處理 U-Boot 二進位制流檔案

酷酷的曉得哥發表於2019-12-04
boot

作者：Hcamael@知道創宇404實驗室

時間：2019年11月29日

原文連結： https://paper.seebug.org/1090/


最近在研究IoT裝置的過程中遇到一種情況。一個IoT裝置，官方不提供韌體包，網上也搜不到相關的韌體包，所以我從flash中直接讀取。因為系統是VxWorks，能看到flash佈局，所以能很容易把uboot/firmware從flash中分解出來。對於firmware的部分前一半左右是通過lzma壓縮，後面的一半，是相隔一定的區間有一部分有lzma壓縮資料。而韌體的符號資訊就在這後半部分。因為不知道後半部分是通過什麼格式和前半部分程式碼段一起放入記憶體的，所以對於我逆向產生了一定的阻礙。所以我就想著看看uboot的邏輯，但是uboot不能直接丟入ida中進行分析，所以有了這篇文章，分析uboot格式，如何使用ida分析uboot。

uboot格式

正常的一個uboot格式應該如下所示：

$ binwalk bootimg.bin
DECIMAL       HEXADECIMAL     DESCRIPTION
--------------------------------------------------------------------------------13648         0x3550          CRC32 polynomial table, big endian14908         0x3A3C          uImage header, header size: 64 bytes, header CRC: 0x25ED0948, created: 2019-12-02 03:39:51, image size: 54680 bytes, Data Address: 0x80010000, Entry Point: 0x80010000, data CRC: 0x3DFB76CD, OS: Linux, CPU: MIPS, image type: Firmware Image, compression type: lzma, image name: "u-boot image"14972         0x3A7C          LZMA compressed data, properties: 0x5D, dictionary size: 33554432 bytes, uncompressed size: 161184 bytes

而這uboot其實還得分為三部分：

1.從0x00 - 0x346C是屬於bootstrap的部分  
2.0x346C-0x34AC有0x40位元組的uboot image的頭部資訊  
3.從0x34AC到結尾才是uboot image的主體，經過lzma壓縮後的結果

那麼uboot是怎麼生成的呢？Github上隨便找了一個uboot原始碼: https://github.com/OnionIoT/uboot，編譯安裝了一下，檢視uboot的生成過程。

1.第一步，把bootstrap和uboot原始碼使用gcc編譯成兩個ELF程式，得到 bootstrap和 uboot  
2.第二步，使用objcopy把兩個檔案分別轉換成二進位制流檔案。

$ mips-openwrt-linux-uclibc-objcopy --gap-fill=0xff -O binary bootstrap bootstrap.bin
$ mips-openwrt-linux-uclibc-objcopy --gap-fill=0xff -O binary uboot uboot.bin
$ binwalk u-boot/bootstrap
DECIMAL       HEXADECIMAL     DESCRIPTION
--------------------------------------------------------------------------------0             0x0             ELF, 32-bit MSB executable, MIPS, version 1 (SYSV)13776         0x35D0          CRC32 polynomial table, big endian28826         0x709A          Unix path: /uboot/u-boot/cpu/mips/start_bootstrap.S
$ binwalk u-boot/bootstrap.bin
DECIMAL       HEXADECIMAL     DESCRIPTION
--------------------------------------------------------------------------------13648         0x3550          CRC32 polynomial table, big endian
$ binwalk u-boot/u-boot
DECIMAL       HEXADECIMAL     DESCRIPTION
--------------------------------------------------------------------------------0             0x0             ELF, 32-bit MSB executable, MIPS, version 1 (SYSV)132160        0x20440         U-Boot version string, "U-Boot 1.1.4  (Dec  2 2019, 11:39:50)"132827        0x206DB         HTML document header133794        0x20AA2         HTML document footer134619        0x20DDB         HTML document header135508        0x21154         HTML document footer135607        0x211B7         HTML document header137363        0x21893         HTML document footer137463        0x218F7         HTML document header138146        0x21BA2         HTML document footer138247        0x21C07         HTML document header139122        0x21F72         HTML document footer139235        0x21FE3         HTML document header139621        0x22165         HTML document footer139632        0x22170         CRC32 polynomial table, big endian179254        0x2BC36         Unix path: /uboot/u-boot/cpu/mips/start.S
$ binwalk u-boot/u-boot.bin
DECIMAL       HEXADECIMAL     DESCRIPTION
--------------------------------------------------------------------------------132032        0x203C0         U-Boot version string, "U-Boot 1.1.4  (Dec  2 2019, 11:39:50)"132699        0x2065B         HTML document header133666        0x20A22         HTML document footer134491        0x20D5B         HTML document header135380        0x210D4         HTML document footer135479        0x21137         HTML document header137235        0x21813         HTML document footer137335        0x21877         HTML document header138018        0x21B22         HTML document footer138119        0x21B87         HTML document header138994        0x21EF2         HTML document footer139107        0x21F63         HTML document header139493        0x220E5         HTML document footer139504        0x220F0         CRC32 polynomial table, big endian

3.把u-boot.bin使用lzma演算法壓縮，得到u-boot.bin.lzma

$ binwalk u-boot/u-boot.bin.lzma
DECIMAL       HEXADECIMAL     DESCRIPTION
--------------------------------------------------------------------------------0             0x0             LZMA compressed data, properties: 0x5D, dictionary size: 33554432 bytes, uncompressed size: 161184 bytes

4.使用mkimage，給u-boot.bin.lzma加上0x40位元組的頭部資訊得到u-boot.lzming

$ binwalk u-boot/u-boot.lzimg
DECIMAL       HEXADECIMAL     DESCRIPTION
--------------------------------------------------------------------------------0             0x0             uImage header, header size: 64 bytes, header CRC: 0x25ED0948, created: 2019-12-02 03:39:51, image size: 54680 bytes, Data Address: 0x80010000, Entry Point: 0x80010000, data CRC: 0x3DFB76CD, OS: Linux, CPU: MIPS, image type: Firmware Image, compression type: lzma, image name: "u-boot image"64            0x40            LZMA compressed data, properties: 0x5D, dictionary size: 33554432 bytes, uncompressed size: 161184 bytes

5.最後把 bootstrap.bin和 u-boot.lzming合併到一起，然後根據需要uboot的實際大小，比如需要一個128k的uboot，在末尾使用 0xff補齊到128k大小

使用ida處理bootstrap二進位制流檔案

在上面的結構中，需要注意幾點：

1. Data Address: 0x80010000, Entry Point: 0x80010000  表示裝置啟動後，會把後續uboot通過lzma解壓出來的資料存入記憶體地址0x80010000，然後把$pc設定為: 0x80010000，所以uboot最開頭4位元組肯定是指令。

2. uncompressed size: 161184 bytes，可以使用dd把LZMA資料單獨取出來，然後使用lzma解壓縮，解壓縮後的大小要跟這個欄位一樣。如果還想確認解壓縮的結果有沒有問題，可以使用CRC演算法驗證。

接下來就是通過dd或者其他程式把二進位制流從uboot中分離出來，再丟到ida中。先來看看bootstrap，首先指定相應的CPU型別，比如對於上例，則需要設定MIPS大端。

undefined

隨後我們暫時設定一下起始地址為0x80010000，通電以後CPU第一個執行的地址預設情況下我們是不知道的，不同CPU有不同的起始地址。設定如下圖所示：

undefined

bootstrap最開頭也指令，所以按C轉換成指令，如下圖所示：

undefined

跳轉到0x80010400, 隨後是一段初始化程式碼，下一步我們需要確定程式基地址，因為是mips，所以我們可以根據$gp來判斷基地址。

undefined

如上圖所示，因為bootstrap的大小為0x3a3c bytes，所以可以初步估計基地址為 0x9f000000，所以下面修改一下基地址：

undefined

並且修改在 Options -> General -> Analysis -> Processor specific ......設定 $gp=0x9F0039A0

undefined

0x9F0039A0地址開始屬於got表的範圍，儲存的是函式地址，所以把 0x9F0039A0地址往後的資料都轉成word:

undefined

到此就處理完畢了，後面就是存逆向的工作了，具體bootstrap程式碼都做了什麼，不是本文的重點，所以暫不管。

使用ida處理uboot流檔案

處理bootstrap，我們再看看uboot，和上面的處理思路大致相同。

1.使用dd或其他程式，把uboot資料先分離出來。 2.使用lzma解壓縮 3.丟到ida，設定CPU型別，設定基地址，因為uboot頭部有明確定義基地址為0x80010000，所以不用再自己判斷基地址 4.同樣把第一句設定為指令

undefined

正常情況下，uboot都是這種格式，0x80010008為got表指標，也是$gp的值。

5.根據0x80010008的值，去設定$gp 6.處理got表，該地址往後基本都是函式指標和少部分的字串指標。結尾還有uboot命令的結構體。

到此uboot也算基礎處理完了，後續也都是逆向的工作了，也不是本文的關注的內容。

編寫idapython自動處理uboot

拿uboot的處理流程進行舉例，使用Python編寫一個ida外掛，自動處理uboot二進位制流檔案。

1.我們把0x80010000設定為__start函式

idc.add_func(0x80010000)idc.set_name(0x80010000, "__start")

2.0x80010008是got表指標，因為我們處理了0x80010000，所以got表指標地址也被自動翻譯成了程式碼，我們需要改成word格式。

idc.del_items(0x80010008)idc.MakeDword(0x80010008)got_ptr = idc.Dword(0x80010008)idc.set_name(idc.Dword(0x80010008), ".got.ptr")

3.把got表都轉成Word格式，如果是字串指標，在註釋中體現出來

def got():
    assert(got_ptr)
    for address in range(got_ptr, end_addr, 4):
        value = idc.Dword(address)
        if value == 0xFFFFFFFF:2019-12-03 15:36:56 星期二
            break
        idc.MakeDword(address)
        idaapi.autoWait()
        if idc.Dword(value) != 0xFFFFFFFF:
            func_name = idc.get_func_name(value)
            if not idc.get_func_name(value):
                idc.create_strlit(value, idc.BADADDR)
            else:
                funcs.append(func_name)

基本都這裡就ok了，後面還可以加一些.text段資訊，但不是必要的，最後的原始碼如下：

#!/usr/bin/env python# -*- coding=utf-8 -*-import idcimport idaapiclass Anlysis:
    def __init__(self):
        self.start_addr = idc.MinEA()
        self.end_addr = idc.MaxEA()
        self.funcs = []
    def uboot_header(self):
        idc.add_func(self.start_addr)
        idc.set_name(self.start_addr, "__start")
        idc.del_items(self.start_addr + 0x8)
        idc.MakeDword(self.start_addr + 0x8)
        self.got_ptr = idc.Dword(self.start_addr+8)
        idc.set_name(idc.Dword(self.start_addr+8), ".got.ptr")
    def got(self):
        assert(self.got_ptr)
        for address in range(self.got_ptr, self.end_addr, 4):
            value = idc.Dword(address)
            if value == 0xFFFFFFFF:
                break
            idc.MakeDword(address)
            idaapi.autoWait()
            if idc.Dword(value) != 0xFFFFFFFF:
                func_name = idc.get_func_name(value)
                if not idc.get_func_name(value):
                    idc.create_strlit(value, idc.BADADDR)
                else:
                    self.funcs.append(func_name)
    def get_max_text_addr(self):
        assert(self.funcs)
        max_addr = 0
        for func_name in self.funcs:
            addr = idc.get_name_ea_simple(func_name)
            end_addr = idc.find_func_end(addr)
            if end_addr > max_addr:
                max_addr = end_addr
        if max_addr % 0x10 == 0:
            self.max_text_addr = max_addr
        else:
            self.max_text_addr = max_addr + 0x10 - (max_addr % 0x10)
    def add_segment(self, start, end, name, type_):
        segment = idaapi.segment_t()
        segment.startEA = start
        segment.endEA = end
        segment.bitness = 1
        idaapi.add_segm_ex(segment, name, type_, idaapi.ADDSEG_SPARSE | idaapi.ADDSEG_OR_DIE)
    def start(self):
        # text seg
        self.uboot_header()
        self.got()
        self.get_max_text_addr()
        self.add_segment(self.start_addr, self.max_text_addr, ".text", "CODE")
        # end
        idc.jumpto(self.start_addr)if __name__ == "__main__":
    print("Hello World")


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