[Ультралонг] Ваши нейронки так не умеют: Как я хакнул кнопочник за 500 рублей и научил его запускать нативные программы на C
Осторожно: помните ли вы, как в вашем телефоне Siemens, Motorola и Sony поселились маленькие программы — «эльфы»? В рамках этой статьи мы во всех деталях исследуем прошивку бюджетного кнопочника, разберемся в её архитектуре, хакнем и напишем загрузчик тех самых эльфов с MicroSD-флэшки. При этом я постараюсь объяснить всё максимально простым и доступным языком!
Недавно я познакомился с легендой форума allsiemens.ru — Ilya_ZX, который известен своим огромным вкладом в тему реверса и моддинга телефонов на платформе E-Gold и S-Gold. Илья поведал мне интересную историю о том, как в начале нулевых, будучи студентом, поспорил с одногруппником, сможет ли он добавить «змейку» в свой Siemens A60. И спор он этот выиграл, путем бессонных ночей ковыряния прошивки в IDA Pro! Я подумал — «а чем я хуже?». Взял в руки кнопочный телефон на платформе Spreadtrum, сдампил прошивку и загрузил в дизассемблер...
Если вам интересен подробный процесс реверса различных модулей прошивки, как они взаимодействуют между собой, как я написал программу для применения патчей к фуллфлэшу и, собственно, бинлоадер с первой программой — жду вас под катом!
❯ Предисловие
В прошлой статье я рассказал краткую предысторию того, как энтузиасты из нулевых годов превращали простые кнопочные телефоны в почти полноценные смартфоны с вытесняющей многозадачностью и поддержкой нативных программ. Казалось бы, на пути было множество преград: отсутствие исходного кода прошивок и какой либо документации, заблокированные загрузчики без возможности разблокировки и общая сложность такого процесса, как реверс-инжиниринг.
Но общими усилиями сообщество моддеров делало невозможное. Люди искали уязвимости и патчили загрузчики на телефонах Motorola для обхода проверки подписи RSA, резали тест-поинты и разбирались в BootROM'е процессоров S-Gold в телефонах Siemens, чтобы написать генератор BootKEY для возможности прошивки кастомов и немного ковыряли телефоны Samsung, где не только не было никакого секьюрбута, но ещё и прошивки утекали со всей информацией о символах (файлы .lst).
Но что самое интересное — эльф-сцена до сих пор живая и в профильных чатах уже повзрослевшие ребята до сих пор обсуждают то, как им ускорить порт эмулятора NES путем перемещения кода в IRAM, разогнать процессор Freescale Argon LV и... кто бы мог подумать — написать эмулятор периферии S-Gold для запуска прошивки Benq-Siemens E71 в QEMU. И хотя форумы по Siemens'ам уже давно не работают, MotoFan всё ещё жив и хранит кладезь полезной информации для моддеров и реверсеров!
Одним из таких парней был и @ILYA_ZX, который сделал большой вклад в моддинг-сцену телефонов Siemens. Например, именно благодаря его исследованиям звуковой подсистемы, в S65 и M65 добавили полноценную поддержку MP3, чего не смогла сделать даже сама Siemens. Когда я услышал его историю о том, как он на спор с одногруппником отреверсил и написал «змейку» для своего Siemens A60, я сразу же вдохновился и понял... что нужно обязательно что-нибудь пореверсить и повторить успехи Ильи на какой-нибудь неисследованной платформе, причём желательно достаточно свежей, которую можно встретить в новых бюджетных кнопочниках...
❯ Первые шаги...
Я начал с поиска в своей коллекции телефонов цели для будущего моддинга. Одними из главных критериев были: относительно быстрая флэш-память для того, чтобы не поседеть в процессе заливки софта и поддержка прошивки через обычный USB без необходимости покупки отдельных кабелей и прошивочных боксов. У меня нашлись несколько телефонов на разных процессорах: MediaTek, Spreadtrum, а также Coolsand (похож на MTK и Spreadtrum, но MIPS, а не ARM). Я поочередно вычитывал с них прошивки с помощью специального сервисного софта, а затем ковырял их в дизассемблере и подбирал подходящую модель.
Моё внимание привлёк телефон Explay B240, который за пару дней до начала процесса мне подарил подписчик Павел, за что ему огромное спасибо.
После загрузки прошивки в IDA Pro, я сразу же полез смотреть строки и искать самые первые необходимые функции: printf, аллокатор динамической памяти, функции libc для работы со строками, а также ABI-функции по типу деления (в ARM аппаратного деления нет).
Большинство функций libc найти очень просто, если иметь представление об их оригинальных сигнатурах. Например, у аллокатора первый аргумент — всегда размер выделяемой памяти. Смотрим, что предполагаемой функции поступает на вход, если похоже на константный размер структуры от оператора sizeof — значит это скорее всего то, что нам нужно.
И вот тут я приметил кое-что очень интересное, что опытный читатель уже мог заметить на скриншоте выше: огромное количество дебажных строк, трейсы почти на каждый чих, а в ассертах есть названия функций и строки, позволяющие легко определить список аргументов. Поискав строчку DEBUG в фуллфлэше, я обнаружил, что производитель вообще не парился и просто заливал в телефон отладочную версию прошивки, что в мире телефонов можно встретить достаточно редко...
Изначально код после загрузки в дизассемблер выглядел странно: и тут и там указатели на несуществующую память, побитые данные и очень малое количество прямых референсов на ROM. И тут Илья взял фулл, поковырял его и сказал — «да это ж Big-Endian, я нутром чую!». И как оказалось — действительно, телефон использовал BE порядок байт.
Что такое BE и LE?
Для тех, кто не в курсе — в мире компьютеров есть два варианта представления одного и того же многобайтового числа (то есть полуслова, слова, длинного слова): Big Endian и Little Endian.
В Little Endian байты числа исчисляются от младшего к старшему, а в Big Endian — от старшего к младшему. Таким образом, если программа, например, захочет загрузить BMP-картинку, ей необходимо будет перевернуть порядок байт в каждом машинном слове заголовка, чтобы получить правильные данные о размере изображения. Существует также сетевой порядок байт — это Big Endian, он нужен для унификации протокола общения между компьютерами разной архитектуры!
ARM умеет работать в обеих режимах, но до ARMv6 BE и LE аппаратно переключался в процессорном ядре на этапе синтеза или, например, внешним пином. Как раз таки из-за этого перед дизассемблирование ARM-прошивки необходимо сначала узнать её Endianness: например вместо LE-инструкции FE B5 в Thumb у нас будет B5 FE.
Для меня это стало неожиданностью, поскольку из примеров BE на телефонах я знал только легендарные Motorola. После этого я выяснил, что телефон работает на чипсете Spreadtrum SC6500L 2010 года выпуска, который представляет из себя:
- Одно ядро ARM9EJ-S на частоте 208МГц в паре с DSP для обработки GSM-радиоканала.
- 4МБ интегрированной оперативной памяти типа PSRAM и 4МБ NOR-памяти.
- Контроллеры LCD-дисплеев и различной периферии, включая SPI, I2C, I2S и GPIO.
- Встроенный контроллер питания вместе с модулем чарджера.
И это очень достойные для простого телефона характеристики. Такой чипсет может потянуть не только змейку или Java-игры, но даже эмуляторы ретро-консолей! И 4Мб оперативной памяти для этого хватит с головой. Перспективы дальнейшего моддинга уж точно были!
В реверс-инжиниринге полезно всё: промежуточные elf'ы с прошивкой (axf), таблица символов и тем более исходный код. В поисках слитых исходников прошивки, я наткнулся на архив для гораздо более свежего чипсета — SC6531 (который до сих пор используется в 90% кнопочных телефонов, которые сейчас можно купить в условном DNS до 2.000 рублей), и для общего понимания архитектуры принялся его изучать.
Поскольку кодовая база Spreadtrum тянется из нулевых, прошивка написана по «эмбеддерски» олдскульно: весь код на Plain-C, практически везде глобальные переменные (для экономии RAM, т. к. флэшка поддерживает XIP и маппится в адресное пространство процессора напрямую), UI-построен на модели сообщений как в Windows — то есть, огромные свич-кейсы. Вкратце, архитектуру можно описать так:
- В основе лежит RTOS ThreadX, которая также называется Nucleus. В задачи ОСРВ входит реализация вытесняющей многозадачности, включая примитивы синхронизации — мьютексы, семафоры, системного аллокатора, обработчика аппаратных исключений и некоторых других низкоуровневых подсистем.
Nucleus также использовался в телефонах на процессорах MediaTek, Coolsand/RDA, Infineon (Siemens, Panasonic), Freescale (Motorola) и многих других. - Над RTOS реализованы драйверы для работы с железом. Дисплей, звук, коммуникация с DSP, клавиатура — всё это тоже низкоуровневые подсистемы.
- Далее идёт UI-подсистема MMI — Man Machine Interface. MMI представляет из себя менеджер окон, служб (например воспроизведение музыки в фоне), GUI-фреймворк для построения интерфейса и апплетов — встроенных в телефон приложений, а также менеджер ресурсов. При этом MMI оперирует жестко-прописанными в прошивке набором окон, где каждая структура содержит строковой идентификатор и указатель на функцию-обработчик событий, что заметно упрощает реверс-инжиниринг этой части прошивки.
❯ «Угоняем» окно MMI
Для того, чтобы запустить код с внешнего носителя, необходимо сначала найти функции для работы с файловой системой и пропатчить уже существующую часть прошивки, дабы она могла вызывать наш код в ответ на какое либо действие. С функциями для работы с ФС проблем не возникло. Поскольку трейсов много, я практически сразу нашел необходимый минимум — SFS_OpenFile, SFS_GetFileSize, SFS_SetFilePointer/GetFilePointer, SFS_ReadFile/SFS_WriteFile и SFS_CloseFile.
На вход SFS_OpenFile принимает указатель wchar_t на строку с полным путем к файлу с учетом диска (C:/ — системное хранилище, D:/ — внутренняя память, E:/ — MicroSD), числовой идентификатор с режимом открытия файла и два дополнительных параметра для атрибутов.
Имейте ввиду, что на некоторых мобильных ОС работа с файлами только асинхронная и на коллбэках!
Как я уже говорил ранее, у каждого окна в системе есть функция для обработки сообщений — концепция такая же, как и WndProc на Windows. Если эту самую функцию пропатчить, можно сразу «угнать» контекст MMI и использовать для того, чтобы писать свои собственные GUI-приложения. В качестве вектора атаки я решил использовать какое-нибудь не сильно нужное в повседневной жизни приложение. Например, встроенную игру «Сокобан».
Поскольку реализация игры на моей версии прошивки значительно отличалась от той, что есть в исходном коде, то пришлось искать функцию «по наитию». Сначала нашел функции для управления таймером подсветки, затем от неё несколько WndProc и анализировав одну из функций (в частности то, что она вызывает функции для движения персонажа, а вектор задается значениями -1 и 1 для X и Y), понял, что это скорее всего то, что мне нужно.
Далее я написал небольшой Makefile, ld-скрипт и первый патч, который должен приостанавливать отключение подсветки по таймеру при запуске игры...
Момент заливки прошивки в телефон — самый рисковый, когда все 280 секунд процесса ты лихорадочно изучаешь листинг ассемблера патча в прошивке... чтобы обнаружить, что ты где-то упустил прибавление единицы к адресу функции, поскольку у тебя Thumb (инструкция BX/BLX изменяет режим процессора с ARM на Thumb, если в первом бите адреса функции единица, а в момент прыжка — устанавливает первый бит на ноль и получает таким образом корректный адрес), и получаешь ребут на ровном месте :)
И вот! Спустя несколько перепрошивок всё запустилось! Моей радости просто не было предела! Далее я немного усложнил патч и вызывал функции для работы с файловой системой, дабы понять, какие буквы «диска» используются. Всё заработало и я получил файл "Privet5.txt"!
Поскольку вручную патчить прошивку неудобно, а Vi_Klay не хватает скриптинга, я написал свой редактор патчей с поддержкой С#. Скрипты автоматизируют выполнение многих руинных задач: ищут функции по паттернам, формируют таблицу функций и скрипт линкера, а также патчат фуллфлэш.
❯ Разбираемся в подсистемах телефона
На данный момент мы уже умеем загружать эльфы с флэшки в ОЗУ и передавать им управление. Однако очень хотелось бы иметь возможность запускать программы из проводника без использования внешнего загрузчика, а значит, пришло время хукать файловый менеджер!
За открытие файлов отвечает функция MMIAPIFMM_OpenFile, которая получает из расширения его внутренний числовой тип. Сначала я думал что у менеджера файлов есть ассоциация расширений с MIME-типами и ассоциативный массив с обработчиками для разных типов файлов, но как оказалось, здесь у нас был большой свич-кейс, что одновременно и плохо с точки зрения красоты и производительности кода, и хорошо для реверс-инжиниринга (есть прямые референсы на функции).
В телефоне есть читалка электронных книг, но пользы от неё немного — кодировок поддерживает мало, выглядит невзрачно. Если захотим, то сами напишем эльф для чтения книг в .txt. Разработчики прошивки очень удачно написали функцию MMIFMM_ShowTxtContent, куда передается указатель на полный путь к нашему файлу, а значит, именно её мы и будем с вами хукать... но сначала сменим ассоциацию файлов с txt на app:
Суть хука простая: мы «воруем» глобальную переменную (массив символов) у какой-то другой, неактивной в данный момент программы и храним в ней строку с путём к нашему эльфу, а затем запускаем окно хукнутой игры. Эльфлоадер стартует, берёт указатель на программу и загружает её, перенаправляя все события ей. Такой вот незамысловатый хук:
В процессе реверса функций для открытия окон в прошивке я нашел скрытое меню... с дополнительной игрой, которая есть в прошивке, но штатными способами до неё невозможно добраться!
Далее я адаптировал бинлоадер на новый лад и по итогу у меня всё заработало... но до получения результата мне пришлось два дня подряд не спать всю ночь и сидеть до 5 утра ;)
Далее я решил попробовать вывести что-нибудь на экран и начал реверсить функции для работы с дисплеем. Подсистема графики в телефоне завязана на ROM и вшитые с прошивкой ресурсы, поэтому решил найти функции для получения указателя на фреймбуфер, чтобы иметь возможность отрисовывать произвольную графику и для обновления так называемых «грязных» зон (дабы перерисовывать не весь экран, а только то, что обновилось). Тут пришлось пореверсить и другие игры и программы, поскольку трейсов в этих функциях не было, а в исходниках прошивки графическая подсистема очень сильно отличалась, однако пользуясь дедукцией, я за пару часов нашёл обе функции.
И залил экран желтым цветом:
Поскольку в разных телефонах функции расположены по разным адресам, для унификации программ между ними необходимо реализовать таблицу функций. Саму таблицу можно составить по паттернам одной из уже изученных донорских прошивок и автоматизировать их поиск среди разных телефонов на одном процессоре. Для этого я написал другой скрипт, который экспортирует специальный заголовочный файл с таблицей функцией и макросами для их вызова:
И вот так это выглядит в заголовке:
Саму таблицу функций можно расположить в конце прошивки или в теле какой-нибудь BMP-картинки... Например так делали с телефонами Motorola:
❯ Заключение
Вот такой программный моддинг у нас с вами получился. Надеюсь, вам было интересно! На самом деле ничего сложного в такой модификации нет: у меня были на руках не совсем актуальные, но всё же исходники, а прошивка была собрана в дебаге и в ней было достаточно строк для подробного анализа. Более опытные реверсеры умудряются раскапывать прошивки с куда меньшим количеством документации и без дебаггера, а это значит, что есть куда расти!
И хотя в рамках сегодняшней статьи мы не успели с вами написать реальную программу, задел уже есть и через недельку-другую выйдет вторая часть статьи со змейкой и возможно с эмулятором какой-нибудь ретро-консоли :)
А если вам интересна тематика ремонта, моддинга и программирования для гаджетов прошлых лет — подписывайтесь на мой Telegram-канал «Клуб фанатов балдежа», куда я выкладываю бэкстейджи статей, ссылки на новые статьи и видео, а также иногда выкладываю полезные посты и щитпостю. А ролики (не всегда дублирующие статьи) можно найти на моём YouTube канале.
Если вам понравилась статья и вы хотите меня поддержать, у меня есть Boosty. А ещё мне можно отправить какое-нибудь интересное железо: устройства на WinCE/WinMobile, китайские кнопочники, китайские подделки на iPhone/Samsung из начала 2010-х, ретро-ПК железо - всё это я очень люблю :) Всем огромное спасибо!