macOS 内核扩展 Fuzzing 指南：用户空间 + IDA + TinyInst

本文介绍了一种在用户空间对 macOS 内核扩展进行模糊测试（fuzzing）的简单方法。该方法利用了 IDA Pro 和 TinyInst 这两个强大的工具，可以有效地测试内核代码，找出潜在的安全漏洞。

背景知识

内核扩展 (Kernel Extension, Kext): 类似于 Windows 驱动程序，是运行在操作系统内核中的代码，拥有很高的权限。如果 Kext 存在漏洞，可能会导致系统崩溃甚至被恶意利用。
Fuzzing (模糊测试): 一种自动化测试技术，通过向目标程序输入大量的随机数据，来触发潜在的错误和漏洞。
IDA Pro: 一款强大的反汇编和调试工具，可以用来分析程序的二进制代码。
TinyInst: 一款轻量级的代码覆盖率收集工具，可以用来跟踪程序执行的路径。

核心思路

该方法的核心思想是将内核扩展加载到用户空间中运行，然后使用 TinyInst 收集代码覆盖率，并使用 Jackalope 进行模糊测试。这样做的好处是：

方便调试: 用户空间调试比内核调试更加容易。
安全: 在用户空间中运行内核代码，即使发生崩溃也不会影响整个系统。
高效: 可以利用现有的用户空间模糊测试工具，提高测试效率。

详细步骤

提取内核扩展代码:

使用 IDA Pro 加载包含目标 Kext 的内核缓存 (KernelCache) 文件。IDA Pro 可以理解内核缓存的结构，并正确加载 Kext。
在 IDA Pro 中，将 Kext 的基地址 (Image Base) 重新定位 (Rebase) 到一个可以在用户空间中安全分配的地址。例如，可以将 0xFFFFFE000714C470 改为 0xAB0714C470。
使用 IDA Python 脚本导出 Kext 的内存段信息（起始地址、结束地址、权限标志和原始字节）以及符号表。

python 复制代码

# IDA Python 脚本示例 (segexport.py)
import idaapi
import idc
import struct

def export(output_file):
    with open(output_file, "wb") as f:
        for seg_ea in idautils.Segments():
            seg_name = idc.get_segm_name(seg_ea)
            seg_start = idc.get_segm_start(seg_ea)
            seg_end = idc.get_segm_end(seg_ea)
            seg_size = seg_end - seg_start
            seg_perms = idc.get_segm_attr(seg_ea, idc.SEGATTR_PERM)

            # 写入段信息
            f.write(struct.pack("<QQI", seg_start, seg_end, seg_perms))

            # 写入段数据
            f.write(idc.get_bytes(seg_start, seg_size))

        # (可选) 导出符号表
        for func_ea in idautils.Functions():
            func_name = idc.get_func_name(func_ea)
            f.write(f"SYMBOL:{func_name}:{func_ea}\n".encode())

# 使用方法:
# sys.path.append('/path/to/your/script')
# import segexport
# segexport.export('/path/to/output/file.dat')

加载和运行 Kext:

编写一个加载器程序，将导出的 Kext 数据加载到用户空间的指定内存地址。加载器需要根据内存段信息，使用 mmap 等系统调用分配内存，并复制数据。
替换 Kext 中无法在用户空间中运行的函数。例如，将内核内存分配函数替换为 malloc，将硬件相关的函数替换为模拟函数。

c++ 复制代码

// 加载器示例代码 (loader.cpp)
#include <iostream>
#include <fstream>
#include <vector>
#include <sys/mman.h>
#include <string.h>

typedef unsigned long long uint64_t;
typedef unsigned int uint32_t;

struct SegmentInfo {
    uint64_t start;
    uint64_t end;
    uint32_t permissions;
};

void load(const char* file_path) {
    std::ifstream file(file_path, std::ios::binary);
    if (!file.is_open()) {
        std::cerr << "Error opening file: " << file_path << std::endl;
        return;
    }

    while (file.peek() != EOF) {
        SegmentInfo segment;
        file.read(reinterpret_cast<char*>(&segment), sizeof(SegmentInfo));

        size_t size = segment.end - segment.start;
        int prot = 0;
        if (segment.permissions & 1) prot |= PROT_READ;
        if (segment.permissions & 2) prot |= PROT_WRITE;
        if (segment.permissions & 4) prot |= PROT_EXEC;

        void* addr = mmap((void*)segment.start, size, prot, MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS | MAP_FIXED, -1, 0);
        if (addr == MAP_FAILED) {
            std::cerr << "mmap failed: " << std::hex << segment.start << std::endl;
            return;
        }

        char* data = new char[size];
        file.read(data, size);
        memcpy(addr, data, size);
        delete[] data;
    }
    file.close();
}

// 用于替换的函数示例
uint64_t my_malloc(uint64_t size) {
    return (uint64_t)malloc(size);
}

int main(int argc, char* argv[]) {
    if (argc != 2) {
        std::cerr << "Usage: " << argv[0] << " <kext_data_file>" << std::endl;
        return 1;
    }

    load(argv[1]);

    // 在这里替换函数，使用硬编码地址或符号表
    // 例如:
    // *(uint64_t*)0xAB0714C470 = (uint64_t)&my_malloc;

    // 运行 Kext 中的某个函数
    // 例如:
    // typedef int (*KextFunc)(int);
    // KextFunc kext_function = (KextFunc)0xAB0714C480;
    // int result = kext_function(123);

    return 0;
}

为了方便替换函数，可以在目标地址设置断点。当 TinyInst 命中这些断点时，可以修改指令指针 (Instruction Pointer)，使其跳转到替换函数的地址。

编写 TinyInst 模块:

创建一个自定义的 TinyInst 模块，继承自 LiteCov（代码覆盖率模块）。
使用硬编码地址或约定好的方式（例如，特定的中断指令）让加载器与 TinyInst 模块通信。加载器可以告诉 TinyInst 模块需要替换哪些函数，以及 Kext 加载的地址范围。
在 TinyInst 模块的异常处理函数中，捕获加载器发出的信号，并根据信号的内容执行相应的操作（例如，注册函数替换、设置代码覆盖率收集范围）。
在 TinyInst 模块的指令插桩函数中，处理由于代码覆盖率收集而导致的地址变化。由于插桩代码会修改原始 Kext 的代码，因此需要更新断点地址，确保函数替换仍然有效。

c++ 复制代码

// TinyInst 模块示例代码 (AVDInst.cpp)
#include "tinystl.h"
#include "module.h"
#include "litecov.h"
#include "assembler.h"

#define TINYINST_REGISTER_REPLACEMENT 0x747265706C616365
#define TINYINST_CUSTOM_INSTRUMENT 0x747265706C616366

class AVDInst : public LiteCov {
public:
    AVDInst(int argc, char** argv) : LiteCov(argc, argv) {}

    bool OnException(Exception* exception_record) override {
        size_t exception_address;
        if (exception_record->type == BREAKPOINT) {
            exception_address = (size_t)exception_record->ip;
        } else if (exception_record->type == ACCESS_VIOLATION) {
            exception_address = (size_t)exception_record->access_address;
        } else {
            return LiteCov::OnException(exception_record);
        }

        if (exception_address == TINYINST_REGISTER_REPLACEMENT) {
            RegisterReplacementHook(exception_record);
            return true;
        }

        if (exception_address == TINYINST_CUSTOM_INSTRUMENT) {
            InstrumentCustomRange(exception_record);
            return true;
        }

        auto iter = redirects.find(exception_address);
        if (iter != redirects.end()) {
            SetRegister(ARCH_PC, iter->second);
            return true;
        }

        iter = instrumented_redirects.find(exception_address);
        if (iter != instrumented_redirects.end()) {
            SetRegister(ARCH_PC, iter->second);
            return true;
        }

        return LiteCov::OnException(exception_record);
    }

    InstructionResult InstrumentInstruction(ModuleInfo* module, Instruction& inst, size_t bb_address, size_t instruction_address) override {
        auto iter = redirects.find(instruction_address);
        if (iter != redirects.end()) {
            instrumented_redirects[assembler_->Breakpoint(module)] = iter->second;
            return INST_STOPBB;
        }

        return LiteCov::InstrumentInstruction(module, inst, bb_address, instruction_address);
    }

private:
    void RegisterReplacementHook(Exception* exception_record) {
        uint64_t original_address = GetRegister(X0, exception_record);
        uint64_t replacement_address = GetRegister(X1, exception_record);

        redirects[original_address] = replacement_address;

        SetRegister(ARCH_PC, GetRegister(LR, exception_record), exception_record);
    }

    void InstrumentCustomRange(Exception* exception_record) {
        uint64_t min_address = GetRegister(X0, exception_record);
        uint64_t max_address = GetRegister(X1, exception_record);

        InstrumentAddressRange("__custom_range__", min_address, max_address);

        SetRegister(ARCH_PC, GetRegister(LR, exception_record), exception_record);
    }

    std::map<uint64_t, uint64_t> redirects;
    std::map<size_t, uint64_t> instrumented_redirects;
};

// 导出模块
DECLARE_MODULE(AVDInst)

进行模糊测试:
- 配置 TinyInst 和 Jackalope，使其使用自定义的 TinyInst 模块。
- 编写一个模糊测试 harness 函数，该函数接收模糊测试输入，并将其传递给 Kext 中的目标函数。
- 使用 Jackalope 运行模糊测试，并观察是否发生崩溃。
c++ 复制代码
```
// 模糊测试 harness 示例 (avdharness.cpp)
#include <iostream>

// 假设的 Kext 函数
extern "C" int kext_function(const char* data, size_t size);

// 模糊测试 harness 函数
extern "C" int fuzz(const char* data) {
    size_t size = strlen(data);
    return kext_function(data, size);
}
```

实际应用

该方法可以用于测试各种 macOS 内核扩展，例如：

文件系统驱动: 测试文件系统驱动对各种文件格式的处理是否正确。
网络驱动: 测试网络驱动对各种网络协议的处理是否安全。
视频解码器: 测试视频解码器是否存在漏洞，导致恶意视频可以攻击系统。

总结

本文介绍了一种简单有效的 macOS 内核扩展模糊测试方法。该方法利用了现有的工具，例如 IDA Pro, TinyInst 和 Jackalope，可以快速搭建一个用户空间的模糊测试环境。通过这种方法，可以有效地测试内核代码，找出潜在的安全漏洞，提高系统的安全性。