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【技术分享】基于PCILeech的UEFI DMA攻击

一、前言


mac不同的是,许多PC会受到针对UEFI的预启动直接内存访问(Direct Memory Access,DMA)攻击的影响。如果成功攻击配置了安全启动选项的系统,那么计算机的信任链就会被破坏,安全启动选项也会变得形同虚设。

如果在操作系统启动之前,攻击者已经获得代码执行权限,那么攻击者就有可能进一步攻破尚未加载的操作系统。比如,利用这种方式,攻击者可能攻破启用设备保护(Device Guard)以及基于虚拟化的安全特性(Virtualization Based Security,VBS)的Windows 10系统。Dmytro Oleksiuk在这一领域已经开展了相关研究。

本文将重点介绍利用DMA来攻击UEFI的具体方法,不会拓展介绍如何进一步攻破操作系统。


二、什么是UEFI


UEFI的全称为Unified Extensible Firmware Interface(统一的扩展固件接口)。在操作系统启动之前,UEFI固件就会在计算机上运行。UEFI负责检测操作系统启动所需的内存、磁盘以及其他硬件。UEFI本身就是一个小型的操作系统。有时候,人们也会把UEFI称之为BIOS。


三、攻击目标


我们在6月份购买了一台使用“Kaby Lake” i3处理器的全新的Intel NUC主机。这台主机拥有8G内存,搭载了具备安全启动(Secure Boot)功能的Win10 1703系统,同时也启动了Bitlocker+TPM、基于虚拟化的安全(VBS)设备保护(Device Guard)功能。BIOS版本为BNKBL357.86A.0036.2017.0105.1112。我们可以通过内部M.2插槽实现DMA访问。

我们的实验目标还有另一台主机,这是一台较老的联想T430笔记本,拥有8G内存,搭载了具备安全启动的Win10 1703系统,同时也开启了Bitlocker+TPM、基于虚拟化的安全(VBS)设备保护(Device Guard)功能。我们可以通过ExpressCard插槽实现DMA访问。


四、问题根源


最根本的问题在于,许多UEFI仍然没有实现对DMA攻击的防护,尽管多年以来,能够防护此类攻击的硬件(VT-d/IOMMU)已经集成到所有CPU中。如下图所示,PCILeech尝试通过DMA来搜寻目标主机的内存,寻找UEFI的hook点。一旦找到突破口,PCILeech就能导出内存(如下图所示),进一步执行其他攻击行为,比如无视安全启动功能来执行任意代码。

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五、攻击过程


如果主机允许DMA访问,那么攻击者就能找到正确的内存结构,通过覆盖这些内存结构,实现对计算机的完全控制。PCILeech可以自动完成这个过程。我们可以在内存中搜索EFI系统表(System Table)“IBI SYST”的地址,当然把这个任务直接交给PCILeech会更加简单。EFI系统表中包含EFI启动服务表“BOOTSERV”的具体地址,这个表中包含许多有价值的函数指针。我们的攻击植入模块可以调用或hook这些启动服务函数。

如下图所示,我们成功hook了启动服务函数SignalEvent()。一旦我们插入了用于UEFI的PCILeech“内核(kernel)”模块,我们就可能像利用普通的PCILeech内核模块那样,利用该模块来导出内存以及执行代码。在下图中,PCILeech UEFI植入模块uefi_textout被多次调用。输出结果会显示在受害者计算机屏幕中。

http://p5.qhimg.com/t014f5a2e2f5b96b492.jpg

一旦攻击完成,我们可以向PCILeech发送kmdexit命令,卸载UEFI植入模块。在这种情况下,Windows的启动过程如下图所示。如果攻击目标是已加载的操作系统,我们最好hook ExitBootServices()这个函数,当操作系统从UEFI处接管计算机的控制权时,基于EFI的操作系统加载程序就会调用这个函数。此时,恶意代码就可以修改操作系统加载程序。

六、动手尝试


个人可以亲自动手复现这个实验过程吗?答案是肯定的。实验代码已作为PCILeech直接内存访问攻击工具包的一部分,在Github上开源。


七、总结


基于PCILeech的UEFI DMA攻击方法已经公布于众,整个攻击过程执行起来也不会特别麻烦。实现对UEFI的DMA攻击再也不是一个虚无缥缈的理论。

请确保在BIOS中启用VT-d以防护DMA攻击。

攻击者可借此进一步突破操作系统,因为如果UEFI存在漏洞,那么依赖基于虚拟化的安全已经不再是一件可靠的事情。


原文链接:http://blog.frizk.net/2017/08/attacking-uefi.html

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