#Firmware Mô phỏng là một quá trình thiết yếu trong nghiên cứu hệ thống nhúng và #cybersecurity , cho phép các nhà phân tích thử nghiệm, kiểm tra và xác định #vulnerabilities trong phần sụn mà không cần truy cập vào phần cứng vật lý.

Các công cụ như QEMU, Firmadyne và Firmware Analysis Toolkit (FAT) rất quan trọng để mô phỏng firmware dựa trên Linux được sử dụng trong bộ định tuyến, thiết bị IoT và các hệ thống nhúng khác. Bài viết này phân tích các công cụ này, cung cấp hướng dẫn từng bước về cách sử dụng chúng hiệu quả để phân tích firmware.

QEMU: Mô phỏng bộ xử lý đa năng

QEMU (Quick EMUlator) là một trình giả lập mã nguồn mở được sử dụng rộng rãi có khả năng mô phỏng nhiều kiến ​​trúc phần cứng khác nhau. Nó hoạt động ở hai chế độ chính:

1. Mô phỏng chế độ người dùng: Cho phép thực hiện các ứng dụng không gian người dùng được biên dịch cho một kiến ​​trúc khác. Chế độ này tiện dụng để chạy và phân tích các tệp nhị phân riêng lẻ mà không cần toàn bộ chi phí hệ thống, thường hữu ích trong các tình huống chỉ cần mô phỏng một ứng dụng hoặc dịch vụ duy nhất.

2. Giả lập toàn hệ thống: Ở chế độ này, #QEMU có thể giả lập toàn bộ hệ thống phần cứng, bao gồm CPU, bộ nhớ và thiết bị ngoại vi. Nó hỗ trợ nhiều kiến ​​trúc như x86, ARM, MIPS, PowerPC và SPARC, cho phép các nhà nghiên cứu chạy toàn bộ hệ điều hành trong môi trường giả lập. Điều này đặc biệt có lợi cho phân tích chương trình cơ sở vì nó cho phép kiểm tra toàn bộ chương trình cơ sở trong môi trường mô phỏng.

QEMU là một công cụ mạnh mẽ và cấp thấp, thường yêu cầu cấu hình thủ công để chạy chương trình cơ sở nhúng. Hỗ trợ kiến ​​trúc rộng rãi của nó làm cho nó trở thành lựa chọn phổ biến cho những người xử lý IoT và thiết bị nhúng.

Sử dụng QEMU với Python

Firmadyne: Khung mô phỏng chương trình cơ sở

Firmadyne là một hệ thống tự động được xây dựng trên QEMU, được thiết kế đặc biệt để phân tích phần mềm nhúng dựa trên #Linux . Nó tập trung vào việc trích xuất và mô phỏng phần mềm từ các thiết bị như bộ định tuyến, camera IP và các hệ thống IoT khác. Các tính năng chính bao gồm:

- Trích xuất chương trình cơ sở: Firmadyne trích xuất các thành phần chính như hệ thống tệp kernel và root từ hình ảnh chương trình cơ sở. Điều này rất cần thiết vì hầu hết chương trình cơ sở đều được đóng gói ở định dạng độc quyền, phải được giải nén trước khi phân tích.

- Mô phỏng hệ thống: Sử dụng QEMU bên trong, Firmadyne mô phỏng chương trình cơ sở đã trích xuất. Điều này cho phép các nhà nghiên cứu tương tác với hệ thống thông qua bảng điều khiển ảo, mô phỏng hành vi thực tế của thiết bị.

- Phát hiện lỗ hổng: Firmadyne có chức năng tự động hóa tích hợp để phát hiện các lỗ hổng tiềm ẩn, chẳng hạn như dịch vụ mạng mở hoặc cấu hình không an toàn.

Firmadyne rất hiệu quả cho các dự án nghiên cứu quy mô lớn vì nó hỗ trợ xử lý hàng loạt hình ảnh chương trình cơ sở tự động và có thể xử lý chương trình cơ sở từ nhiều nhà sản xuất và kiến ​​trúc khác nhau (chủ yếu là MIPS, ARM và x86).

Tự động hóa quy trình làm việc Firmadyne bằng Python

Bộ công cụ phân tích phần mềm (FAT): Đơn giản hóa quy trình

Firmware Analysis Toolkit (FAT) là một wrapper xung quanh Firmadyne, được tạo ra bởi nhóm bảo mật Attify. Mục đích của nó là đơn giản hóa quá trình thiết lập và cấu hình Firmadyne thường rất tẻ nhạt, giúp việc mô phỏng firmware dễ tiếp cận hơn, đặc biệt là đối với người mới bắt đầu. FAT cung cấp:

- Thiết lập tự động: Thay vì cấu hình Firmadyne theo cách thủ công, người dùng có thể tận dụng các tập lệnh đơn giản hóa của FAT để tự động trích xuất chương trình cơ sở, thiết lập và mô phỏng dựa trên QEMU.

- Quy trình làm việc thân thiện với người dùng: Chỉ cần trỏ FAT đến một hình ảnh chương trình cơ sở, nó sẽ thực hiện trích xuất, thiết lập môi trường mô phỏng và khởi chạy hệ thống trong QEMU để tương tác thêm. Điều này hợp lý hóa toàn bộ quy trình, nếu không thì có thể phức tạp và tốn thời gian.

Tuy nhiên, FAT bị giới hạn ở chương trình cơ sở dựa trên Linux và khả năng hỗ trợ mô phỏng bị hạn chế bởi các loại chương trình cơ sở mà Firmadyne có thể xử lý.

Các bước mô phỏng để phân tích phần mềm

1. Xác định kiến ​​trúc của chương trình cơ sở: Chương trình cơ sở thường chạy trên các kiến ​​trúc như MIPS, ARM hoặc x86. Việc xác định đúng kiến ​​trúc là rất quan trọng vì các công cụ như QEMU cần thông tin này để mô phỏng chương trình cơ sở một cách chính xác. Bạn có thể xác định kiến ​​trúc từ siêu dữ liệu trong hình ảnh chương trình cơ sở hoặc sử dụng các công cụ như binwalk hoặc tệp.

2. Sử dụng QEMU hoặc FAT để mô phỏng: Tùy thuộc vào chương trình cơ sở, chế độ người dùng hoặc chế độ toàn hệ thống của QEMU có thể được sử dụng. FAT đơn giản hóa việc này bằng cách tự động thiết lập QEMU ở chế độ phù hợp cho chương trình cơ sở đang đề cập, thường yêu cầu ít sự can thiệp của người dùng ngoài việc cung cấp hình ảnh chương trình cơ sở.

3. Trích xuất và mô phỏng: Các công cụ như binwalk, firmware-mod-kit hoặc Firmadyne được sử dụng để trích xuất nội dung của hình ảnh firmware. Sau khi hệ thống tệp gốc và hạt nhân được trích xuất, quá trình mô phỏng có thể bắt đầu. Nếu sử dụng FAT, bước này phần lớn được tự động hóa.

4. Tương tác với Hệ thống mô phỏng: Sau khi mô phỏng chương trình cơ sở, người dùng có thể tương tác với môi trường ảo thông qua bảng điều khiển QEMU hoặc kết nối thông qua các dịch vụ như SSH hoặc Telnet, nếu chương trình cơ sở cho phép. Điều này cho phép kiểm tra kỹ lưỡng hành vi của thiết bị.

Sử dụng Firmware Analysis Toolkit (FAT) với Python

Kỹ thuật nâng cao: Gỡ lỗi và phân tích

1. Gỡ lỗi với gdbserver: QEMU hỗ trợ gỡ lỗi từ xa thông qua gdbserver, cho phép người dùng đính kèm trình gỡ lỗi (như gdb) vào một quy trình đang chạy trong môi trường mô phỏng. Điều này hữu ích cho kỹ thuật đảo ngược và phân tích động chức năng của chương trình cơ sở.

2. Sửa đổi tập lệnh khởi tạo: Trong một số trường hợp, bạn có thể truy cập shell vào hệ thống được mô phỏng bằng cách sửa đổi tập lệnh khởi tạo như /etc/inittab. Điều này có thể kích hoạt hệ thống mở shell, cho phép khám phá sâu hơn.

3. Chuỗi công cụ tùy chỉnh: Đối với một số hệ thống nhúng, chuỗi công cụ tùy chỉnh có thể được yêu cầu để biên dịch và chạy các tệp nhị phân tương thích với các kiến ​​trúc phần cứng không chuẩn (ví dụ: các biến thể MIPS độc quyền). Các nhà nghiên cứu thường cần sử dụng các chuỗi công cụ này để biên dịch chéo các tệp nhị phân tùy chỉnh để thử nghiệm trong môi trường mô phỏng.

Thách thức và hạn chế

Mặc dù mô phỏng chương trình cơ sở cung cấp thông tin chi tiết mạnh mẽ về hành vi của các thiết bị nhúng nhưng nó cũng có những hạn chế:

- Hỗ trợ không đầy đủ: Một số chương trình cơ sở, đặc biệt là đối với các thiết bị độc quyền hoặc chuyên dụng, không thể được mô phỏng đầy đủ do thiếu hoặc không hỗ trợ mô phỏng ngoại vi trong QEMU.

- Kiến trúc phần mềm đóng: Các thiết bị sử dụng kiến ​​trúc tùy chỉnh hoặc không có tài liệu hướng dẫn có thể yêu cầu nỗ lực kỹ thuật đảo ngược bổ sung trước khi có thể mô phỏng chúng.

- Độ phức tạp của phân tích động: Ngay cả với các công cụ như Firmadyne và FAT, việc phân tích các hành vi động, chẳng hạn như giao tiếp mạng thời gian thực, có thể trở nên phức tạp nếu không có sự sao chép phần cứng hoàn chỉnh.



Gỡ lỗi với GDB trong QEMU

Mô phỏng chương trình cơ sở bằng các công cụ như QEMU, Firmadyne và Firmware Analysis Toolkit cho phép các nhà nghiên cứu tiến hành phân tích chuyên sâu các hệ thống nhúng mà không cần phần cứng vật lý. Các công cụ này hợp lý hóa việc trích xuất, mô phỏng và tương tác với chương trình cơ sở, cung cấp một cách tiếp cận thực tế để xác định các lỗ hổng. Mặc dù vẫn tồn tại những thách thức, chẳng hạn như hỗ trợ hạn chế cho phần cứng độc quyền, mô phỏng vẫn là một thành phần quan trọng của nghiên cứu bảo mật hệ thống nhúng hiện đại.

Xin chân thành cảm ơn SecNigma