在硬盤留下后門，重裝系統(tǒng)都沒轍
感謝@心理未成年的某青年這次要給力 的熱心翻譯。
OHM（Observe Hack Make）是一個專為黑客、制造者和那些有探究精神之人舉辦的國際戶外露營節(jié)，為期 5 天。今年 7月31日在荷蘭 Geestmerambacht 舉辦，有 3000 人參與。
這篇文章相關(guān)內(nèi)容已在 OHM2013 公開。原理是利用硬盤的一些智能機(jī)制，在某個位置嵌入一些信息（比如：登錄信息），然后操作系統(tǒng)驗(yàn)證用戶登陸時，會不自主地讀取黑客預(yù)留下的用戶名和密碼。
簡介
硬盤：如果你在看這篇文章，我肯定你起碼用過一兩個硬盤。硬盤很簡單，基本就是一些512字節(jié)的扇區(qū)，由遞增的數(shù)字標(biāo)明地址，稱之為 LBA，也就是“邏輯塊尋址”。電腦可以向連接的硬盤的扇區(qū)中讀寫數(shù)據(jù)。通常會有個文件系統(tǒng)把這些扇區(qū)抽象成文件或文件夾。
如果你從這個幼稚的角度看硬盤，你會認(rèn)為硬件應(yīng)該也很簡單：你需要的就是個能連接SATA接口的東西，然后可以定位讀寫頭，從盤片上讀寫數(shù)據(jù)。但是可能不止這么簡單：硬盤不是還有處理壞塊、S.M.A.R.T.屬性的功能么？不是還有什么緩存需要管理的么？
以上這些意味著硬盤中有些智能的東西，有智能就意味著可以黑掉它。我就喜歡可以黑的東西，于是我決定要看看硬盤是如何在非機(jī)械層面上工作的。這種研究以前在很多硬件上做過：從筆記本的PCI擴(kuò)展模塊到嵌入式控制器，甚至是蘋果的鍵盤。通常這些研究都是為了證明這些硬盤可以被破解，導(dǎo)致其受到軟件的影響，于是我決定達(dá)到同樣的目標(biāo)：我要在這次破解中讓硬盤繞過軟件安全機(jī)構(gòu)。#p#
PCB上的部件
要想知道硬盤是否可以被破解，我需要更了解它們。如你們大多數(shù)一樣，我也有一摞或壞或舊的硬盤來一看究竟：
當(dāng)然了，我們都知道硬盤的機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)該是好用的，我對那些部分也不感興趣。我的興趣在于大多數(shù)硬盤背面都有的那一小塊PCB板子，上面有SATA接口和電源接口。這種PCB看起來是這樣的：
可以看見PCB上有四塊芯片。接下來說說這些芯片：
這是一塊DRAM（動態(tài)隨機(jī)存儲器）。這塊很好處理，芯片手冊很好找。這些芯片的容量一般在8MB到64MB之間，對應(yīng)的就是硬盤標(biāo)稱的緩存容量。
這個是電機(jī)控制器。這不是個標(biāo)準(zhǔn)器件，數(shù)據(jù)手冊不好找，但是這些控制器一般都有容易找的差不多的同系列產(chǎn)品。ST Smooth控制器大概是最常用的一種了；除了驅(qū)動電機(jī)，它還能進(jìn)行電源整流，還帶一些A/D變換通道。
這是一塊串行閃存。這個也好處理，容量一般在64KB到256KB之間?？雌饋磉@個是用來存儲硬盤控制器的啟動程序。有些硬盤沒有這個芯片，而是在控制器芯片內(nèi)部有閃存來存儲程序。
這些小東西不是芯片，而是壓電震動傳感器。當(dāng)硬盤受到撞擊時，它們可以把磁頭移到安全的地方，但是更有可能它在某個地方標(biāo)記一個值，表示你的保修無效，因?yàn)槭悄阕约核さ挠脖P。
這里才是奇跡將要發(fā)生的地方：硬盤控制器。多是由Marvell、ST或者其他的LSI公司制造。有些硬盤廠商自己做控制器：我見過三星和西數(shù)就有自己的控制芯片。因?yàn)槠渌牟糠侄己芎锰幚?，這一塊才是我的興趣所在。
不幸的是，這些芯片都沒有文檔。話說這些制造控制器的廠商不公開文檔有些不厚道真是說輕了：他們甚至在自己的網(wǎng)站上都不提這些芯片！更不幸的是，整個互聯(lián)網(wǎng)也幫不了我：搜這些芯片手冊只能找到?jīng)]有手冊的手冊網(wǎng)站，和賣芯片的中國廠商……
那么，沒有最重要的芯片手冊，就意味著我們的計劃擱淺了么？#p#
連接JTAG
幸運(yùn)的是，總有些辦法找到除了芯片手冊以外的有用信息。我就搜到這么一個。
我找的是HDDGuru論壇上一個叫Dejan的人做的連接線。Dejan不知怎么把他硬盤控制器的內(nèi)部閃存廢掉了，然后想知道有沒有辦法，要么從外部閃存啟動控制器，要么重寫一下內(nèi)部閃存。過了五天，沒人回應(yīng)他，但是這哥們很有創(chuàng)造力：他又發(fā)了個帖子說他找到了JTAG口的管腳。這真是個重大發(fā)現(xiàn)：JTAG接口可以用來控制控制器。你可以用它啟動控制器、重啟、修改內(nèi)存、設(shè)置斷點(diǎn)等等。然后Dejan發(fā)現(xiàn)了如何關(guān)掉控制器的啟動ROM，找到了硬盤一個串口，然后試圖恢復(fù)他的閃存ROM。后來他又提了一些關(guān)于更新閃存的過程，最后消失在茫茫人海中了。
這些都是有用的信息：至少我知道了西部數(shù)據(jù)的控制器是ARM內(nèi)核的，有JTAG接口。這些硬盤通常有串口，雖然沒有使用但是可以用來調(diào)試程序。有了這些，我應(yīng)該有足夠的信息可以開始破解了。
嗯，這些是我的準(zhǔn)備工作：
那個紅色的是一塊FT2232H的小板，大概30歐元，很便宜，可以用來進(jìn)行JTAG調(diào)試，串口，還有SPI通信。把它連到硬盤的JTAG口，還有串口上。硬盤直接連到我電腦主板的SATA口上，還有外部ATX電源。我用OpenOCD來驅(qū)動JTAG接口。
現(xiàn)在的問題是：這玩意真能工作么？Dejan用的是88i6745控制器的2.5” 250G硬盤，他檢測到的是ARM9內(nèi)核。我找的是88i6745控制器的3.5” 2TB硬盤，有不同的格式因素，而且有點(diǎn)新。幸運(yùn)的是，OpenOCD可以自動檢測JTAG連接的設(shè)備。如下所示：
這我就有點(diǎn)搞不懂了……我本來估計會有一個tap，就是單獨(dú)的ARM內(nèi)核……可這里竟然有三個tap……難道這個片子有三個ARM內(nèi)核？
一番研究后，我發(fā)現(xiàn)這個芯片真的是有三個內(nèi)核。兩個是Feroceon的內(nèi)核，是比較牛逼的類似ARM9的內(nèi)核，還有一個是Crotex-M3內(nèi)核，比較小，相比更像微控制器的核心。鼓搗了一陣（以及后來的研究）發(fā)現(xiàn)這些控制器各自有不同的功能：
- Feroceon 1 處理對磁盤的物理讀寫操作
- Feroceon 2 處理SATA接口
- Feroceon 2 同時處理緩存以及將邏輯塊尋址翻譯成柱面/磁頭/扇區(qū)
- Cortex-M3 貌似啥都不管？我給他關(guān)掉硬盤也沒啥問題。
現(xiàn)在從哪個核心開始破解呢？我的目標(biāo)是通過使用修改的硬盤固件來影響系統(tǒng)的安全。最簡單的方法，同時也可能是最難檢測的方法就是直接修改數(shù)據(jù)。這種方法不需要修改磁盤上的數(shù)據(jù)，固件可以使自己隱身不可見。為此，我需要找到一個合適的核心來進(jìn)行監(jiān)聽：我需要一個能在從硬盤到SATA線的傳輸過程中接觸到數(shù)據(jù)的核心，同時可以被操縱在磁盤和SATA線纜之間修改數(shù)據(jù)。
現(xiàn)在，數(shù)據(jù)是如何從硬盤盤片上送到SATA借口上的呢？憑黑客的直覺我推測：
如果處理器工作在150MHz，使用標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)存復(fù)制，它們就只能達(dá)到150*23/2=2.4Gbp的速率，而實(shí)際情況要比這個少很多。硬盤的速度是6Gbps，所以肯定有些加速硬件參與其中。最可能的加速硬件應(yīng)該就是使用DMA（直接訪問內(nèi)存）。那就意味著數(shù)據(jù)直接從磁頭讀回來放進(jìn)內(nèi)存，沒有處理器的參與。SATA口也是一樣：處理器只指明數(shù)據(jù)在哪里，DMA會直接從內(nèi)存中讀數(shù)據(jù)。
如果是這樣的話，DMA引擎指向的內(nèi)存會在哪呢？硬盤的緩存是個好地方：數(shù)據(jù)從磁盤讀出來總是要放進(jìn)緩存的，所以當(dāng)讀取磁盤的時候馬上去那里復(fù)制也就說的通了。我之前發(fā)現(xiàn)第二個Feroceon負(fù)責(zé)管理緩存；于是它就成了我的首選目標(biāo)。
就這樣，我推斷數(shù)據(jù)通過DMA來讀寫，不需要任何CPU動作。現(xiàn)在的問題是：既然CPU不會在正常操作中接觸數(shù)據(jù)，那么CPU能不能（非正常地）接觸到數(shù)據(jù)呢？為了解答這個問題，我首先使用JTAG連接，用了一些反匯編，來看看Feroceon2號的內(nèi)存。
如你所見，內(nèi)存圖有些零碎。RAM中有一些小塊散落著，還有一些IO空間和IRQ空間，以及一塊內(nèi)部啟動的ROM。還有一塊64MB的數(shù)據(jù)段，我猜這個是用作緩存的DRAM。一起來看看是不是這樣。首先，我把硬盤加載到我的電腦上，在硬盤上的一個文件里寫入「Hello world」?，F(xiàn)在看看我是否能從64MB的內(nèi)存中找到這個字符串。
沒錯，找到了！看起來Feroceon2號可以讀取緩存，并對這塊64MB的DRAM進(jìn)行了地址映射。#p#
注入代碼
當(dāng)然了，如果我想要在緩存里修改數(shù)據(jù)，我可不能每次都完全掃描整個64MB的緩存：我需要知道緩存是如何工作的。為此，我需要進(jìn)行反匯編并理解硬盤的固件，至少要明白緩存的函數(shù)。
對固件進(jìn)行反匯編，可不是個簡單的活。首先，代碼混合了ARM和Thumb指令，如果你沒有自動切換兩種指令的反匯編器就很令人抓狂了。而且，沒有那些能使反匯編更簡單的信息了：一般程序都被寫好了，當(dāng)有東西出錯總會彈出類似「Couldn’t open logfile!」的信息。這些信息對于了解代碼功能有很大幫助。而這個固件，一條信息都沒有：你得自己看代碼來知道代碼在做什么。代碼庫好像有點(diǎn)老，而且有些時候反匯編的感覺就像給代碼加了很多特性，把所有事情都搞得更復(fù)雜。
當(dāng)然，也有幾件事使得反匯編相對簡單些。首先呢，西部數(shù)據(jù)沒有故意混淆代碼：沒有在指令中間用些跳轉(zhuǎn)的招數(shù)。還有，因?yàn)镴TAG接口的存在，你可以干預(yù)代碼的執(zhí)行，設(shè)置斷點(diǎn)，或者直接修改，讓你非常容易地知道程序在做什么。
我看了很久代碼，試著去理解，有時候用調(diào)試器驗(yàn)證我猜的對不對，最后我找到了緩存系統(tǒng)的核心代碼：在RAM中的一個表，我稱之為「緩存描述符表」。
緩存描述表的每一項(xiàng)描述了緩存中的一個塊。它包含了可能在緩存中的磁盤扇區(qū)的起始LBA、緩存中存有多少硬盤數(shù)據(jù)、一些標(biāo)明了緩存項(xiàng)的狀態(tài)標(biāo)志符，還有一個標(biāo)明了緩存數(shù)據(jù)在內(nèi)存中未知的數(shù)。
現(xiàn)在，緩存描述符表的秘密還沒有被揭開，我能否在數(shù)據(jù)送出SATA口之前截斷磁盤讀取碼？為此，我需要在磁盤控制器上執(zhí)行我自己的代碼。不僅如此，我還需要確定代碼能否在正確的時間運(yùn)行：如果它修改緩存太早，數(shù)據(jù)還沒進(jìn)去；如果太晚的話，數(shù)據(jù)已經(jīng)送到PC了。
我的方法是綁定在一個已存在的任務(wù)上。我破解的是Feroceon2號，這個CPU負(fù)責(zé)所有的SATA傳送，所以肯定有個服務(wù)是負(fù)責(zé)設(shè)置SATA硬件去緩存中讀取數(shù)據(jù)。如果我找到這個服務(wù)，我就可能在它之前運(yùn)行我的代碼。
在看了很多代碼，設(shè)置了很多斷點(diǎn)，修改了很多次之后，我最終找到了某個符合條件的服務(wù)。我通過連接讓這個服務(wù)在執(zhí)行前先運(yùn)行我的代碼。這是原來的代碼：
- 000167BE ; r0 - slot in sata_req
- 000167BE sub_0_167BE:
- 000167BE PUSH {R4-R7,LR}
- 000167C0 MOVS R7, R0
- 000167C2 LSLS R1, R0, #4
- 000167C4 LDR R0, =sata_req
- 000167C6 SUB SP, SP, #0x14
- 000167C8 ADDS R6, R1, R0
- 000167CA LDRB R1, [R6,#0xD]
- 000167CC LDR R2, =stru_0_40028DC
- 000167CE STR R1, [SP,#0x28+var_1C]
- 000167D0 LDRB R0, [R6,#(off_0_FFE3F108+2 - 0xFFE3F0FC)]
- 000167D2 LDRB R5, [R6,#(off_0_FFE3F108 - 0xFFE3F0FC)]
- 000167D4 LSLS R0, R0, #4
這是改成連接到我的代碼之后：
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如你所見，原來的指令被跳轉(zhuǎn)到的新代碼替代了，新代碼放在本來沒用到的地址0xFFE3F000，然后又加了一句，保證代碼域的校驗(yàn)和有效。如果沒這么做的話，硬盤會嘗試從盤片上讀取備份，那可不是我想要的。跳轉(zhuǎn)的代碼執(zhí)行了一個服務(wù)，叫做「changeThingsInCache」然后執(zhí)行修改代碼本該做的指令。最后接著執(zhí)行本來的服務(wù)好像什么也沒發(fā)生過一樣。
現(xiàn)在我要寫的就是修改緩存數(shù)據(jù)的服務(wù)。首先做個測試，我決定用一個下面的用偽代碼寫的服務(wù)：
- void hook() {
- foreach (cache_struct in cache_struct_table) {
- if (is_valid(cache_struct)) {
- foreach (sector in cache_struct.sectors) {
- sector[0]=0x12345678;
- }
- }
- }
- }
這一小段代碼會在每次調(diào)用的時候用0×12345678代替緩存中每個扇區(qū)的前四個字節(jié)，所以如果我把這個上傳到硬盤的話，我在我看到的每個扇區(qū)前面都會看到這個數(shù)字。我通過JTAG上傳了代碼……
然后你看：
#p#
一勞永逸
當(dāng)然了，我可以將固件完全破解，但是每次硬盤啟動都需要用JTAG修改RAM，這就得不償失了。我得讓它保持不變，也就是說，我要把我的修改存在某個地方，每次硬盤啟動都會帶上這段修改程序。
我選的地方是閃存。我大概也可以放在磁盤本身的保留扇區(qū)上，但是如果我一旦弄錯的話，我就沒法恢復(fù)我的硬盤了。閃存芯片只是一個八個腳的標(biāo)準(zhǔn)件，所以我可以輕松地摘下來，刷掉閃存再裝回去。為此，我把它焊下來然后放到萬用板上，這樣我就可以在編程器和硬盤之間輕松切換了。
現(xiàn)在，應(yīng)該在閃存里寫什么呢？很幸運(yùn)的是，芯片中存儲的格式已經(jīng)找到了：它包含了多塊數(shù)據(jù)，還有一個表在最開始描述了這些數(shù)據(jù)。這個表描述了閃存中代碼塊的位置，如何壓縮的（如果壓縮了的話），代碼塊應(yīng)該在放在RAM的什么位置，而且在最后的地址中是一個執(zhí)行指針，標(biāo)記了啟動器應(yīng)該跳到什么地方去執(zhí)行程序。
不幸的是，我不能修改閃存中的代碼；我想加鉤子的地方的數(shù)據(jù)被某種不知道的壓縮算法壓縮了，我就不能修改了。然而我能做的是增加一個額外的代碼塊，修改執(zhí)行地址這樣這個代碼塊就可以在其他之前執(zhí)行了。這樣一來就簡單多了。當(dāng)我的代碼塊執(zhí)行的時候，我就可以在已經(jīng)解壓的代碼中加入我的鉤子了。
當(dāng)然，我得反匯編，再重編譯閃存的二進(jìn)制代碼。我為此做了個小工具，非常俗地起名為「fwtool」。這個小工具可以讀出閃存中的很多數(shù)據(jù)塊，并把頭翻譯成文本文件以方便修改。接著你就可以修改，刪除或者加上代碼，然后重新編譯成一個固件，準(zhǔn)備刷回去。我用它把我的代碼加到鏡像中，再刷回到芯片里，把芯片裝回硬盤，啟動備份的文件，然后：
結(jié)果并不新鮮：就是我之前做過的。唯一的變化就是我不用JTAG就能辦到了。#p#
刷軟件
雖然閃存這邊有了很大進(jìn)展，我還是不能開始我的黑客腳本：我相信不會有任何一個服務(wù)器公司會接受這些帶有反匯編又重匯編的芯片的硬盤。我需要想個辦法能讓芯片不從板子上摘下來就可以刷固件，最好是能直接在硬盤安裝的電腦上刷。
西部數(shù)據(jù)的固件升級工具為此提供了可能性：這個工具簡單地在DOS環(huán)境下的把新固件寫進(jìn)閃存和服務(wù)區(qū)——也就是保留扇區(qū)。根據(jù)網(wǎng)上資料，這個工具使用的所謂「Vendor Specific Commands」命令。也有一些其他的工具可以修改固件：比如，有一種概念驗(yàn)證性的代碼，可以使用未使用的保留扇區(qū)來隱藏數(shù)據(jù)。最后有一組工具叫做「idle3-tools」可以通過修改固件中的字節(jié)來修改硬盤的閑置行為。這個代碼同樣使用VSC，通過Linux系統(tǒng)的SCSI（小型計算機(jī)系統(tǒng)接口）直通IOCTLS（輸入輸出控制系統(tǒng)）這種「正式」的途徑來修改代碼。我需要「借用」它的源代碼，修改一下然后整合到我的fwtool里面。在胡亂猜了一陣VSC參數(shù)之后，fwtool突然可以讀寫電腦上硬盤的閃存芯片了。
有了這個工具，我的攻擊基本完成了，如果一個黑帽子黑客獲得了一個帶有這樣硬盤驅(qū)動器的服務(wù)器的最高權(quán)限，他就可以使用fwtool遠(yuǎn)程獲取硬盤閃存，修改然后刷回去。最終，主機(jī)的主人會發(fā)現(xiàn)我用他的主機(jī)為非作歹，然后可能會重裝系統(tǒng)，斷掉黑客原來進(jìn)入主機(jī)的路。
但是有了這個破解了的固件，攻擊者可以操縱硬盤在新安裝的系統(tǒng)里繼續(xù)為非作歹。首先他需要觸發(fā)行為，這需要事先在硬盤里寫入一個破解固件需要的某個特定字符串。這個字符串可以在任何一個文件中：攻擊者可以向服務(wù)器上傳一個帶有代碼的.jpeg文件。他也可以通過向服務(wù)器發(fā)送在URL中追加了特定代碼的文件請求來實(shí)現(xiàn)。這最終會在服務(wù)器的記錄文件中結(jié)束，觸發(fā)利用。
接下來，被破解的硬盤固件就開始搗亂了。比如，他會等待主機(jī)讀出/etc/shadow中的文件，其中存儲了Unix/Linux的所有密碼，然后立即修改成攻擊者之前寫進(jìn)去的一些東西。當(dāng)攻擊者之后嘗試用他自己的密碼登入系統(tǒng)的時候，主機(jī)會根據(jù)修改過的/etc/shadow判斷密碼，攻擊者就可以再次輕松登錄。
這是我做的演示。你可以看見我沒能成功登錄主機(jī)的根用戶。然后我啟動破解，給它一個代替密碼的哈希值，也就是密碼「test123」。因?yàn)長inux系統(tǒng)把影子文件緩存了（如同所有最近存取的文件），我需要制造很多硬盤活動把緩存清出去；這樣，當(dāng)我再次登錄的時候，Linux系統(tǒng)會再次讀取磁盤上的影子文件。最終，緩存已清空，我可以用假的「test123」密碼登錄根用戶了。
其他用法
當(dāng)然了，恢復(fù)服務(wù)器中清除的隱秘登錄方法并不是我研究成果的唯一用法。這同樣可以用于防御目的。
例如，你可以做一個不可復(fù)制的硬盤：如果扇區(qū)的讀取模式是隨機(jī)的話，像正常的操作系統(tǒng)讀取文件系統(tǒng)，硬盤會正常工作。如果硬盤是有序的讀取，像硬盤復(fù)制設(shè)備那樣的話，硬盤會篡改數(shù)據(jù)，無法復(fù)制出原來的內(nèi)容。
硬盤控制器作為一個通用控制器也是有的玩的。你手里的是三個性能不錯的CPU核心，連著一個相當(dāng)大的RAM。還有一個UART作為串口，至少兩個SPI接口：一個連接到閃存ROM，一個連到電機(jī)控制器。你可以通過升級外部閃存芯片來給處理器加載代碼，或者甚至在啟動加載器上用串口加載。為了演示芯片的能力，我在硬盤上移植了一個相當(dāng)普及的軟件。這個demo只是概念驗(yàn)證性的，串口是唯一工作的外圍設(shè)備，而且沒有用戶空間。雖然如此， 我還是很驕傲的宣稱我在我的硬盤控制器上裝了一個Linux。在頂端，是標(biāo)準(zhǔn)的命令行（硬盤加載在/mnt下），低端是我在硬盤串口上的輸出。
在此多解釋一下這是怎么工作的：內(nèi)核和啟動都封裝成每塊大小都是一個扇區(qū)的一個個的包，包的前面帶有特殊字符串和編號數(shù)字。通過從磁盤讀取數(shù)據(jù)，內(nèi)核和啟動最終會進(jìn)入緩存。寫入特殊字符串「HD, Inx!」最終觸發(fā)了修改過的固件，在緩存中搜索所有扇區(qū)，重編譯內(nèi)核然后啟動。但是一個沒有內(nèi)存控制單元的內(nèi)核也需要特殊格式的用戶空間。我不能把這個也編譯了，所以內(nèi)核最終因?yàn)檎也坏絠nit來執(zhí)行而崩潰。
結(jié)論
是的，就是這樣。雖然硬盤控制器如同一個不知其究竟的野獸，它仍能通過逆向工程加以了解，并為其寫出代碼以執(zhí)行。對控制器的未知，使得通用破解充滿難度，令我懷疑這東西是不是永遠(yuǎn)不會出現(xiàn)一個惡意的固件補(bǔ)?。合啾葘γ總€服務(wù)器的每個硬盤固件進(jìn)行逆向工程加以破解，還是找一個0day漏洞更加簡單吧。
我還希望證實(shí)一個壞掉的硬盤仍然能夠使用。當(dāng)硬盤的機(jī)械部分壞掉的時候，PCB仍然帶有可用的嵌入式系統(tǒng)，其性能相當(dāng)不俗，尤其是壞的硬盤基本都不要錢就能拿到。
開放安全工程的源代碼什么的太惡劣了。我想開放代碼，但是我不想為由此產(chǎn)生的大量的「永久破解」的服務(wù)器負(fù)責(zé)……我決定做個妥協(xié)：你可以在這里下載代碼，但是我移除了影子替代部分的代碼。注意：反正我不負(fù)責(zé)讓整個過程完全可運(yùn)行；黑客，你自己來吧。
