UEFI bootkit 的感染与手工检测

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概要

BIOS,全称基本输入输出系统,其诞生之初也曾是门先进的技术,但得益于软硬件的飞速发展,传统 BIOS 由于其开发效率低下(主要使用汇编开发)、安全性差、性能低下等原因,已经逐渐退出历史舞台。取而代之的是 UEFI(个人认为称之为 UEFI BIOS 也可以)。

UEFI (Unified Extensible Firmware Interface),全称统一可扩展固件接口。UEFI 只是一个标准,其实现主要还是其它厂商或者开源组织。例如,Intel开源的 TinaoCore,就是一个典型的与硬件无关的框架。

相比传统 BIOS,UEFI 有诸多优点,如开发效率更高(可用 C/C++ 开发),系统性能强(可以加载图片,甚至可以实现基于事件的异步操作)以及良好的可扩展性。可扩展性体现在模块化设计和动态加载上,UEFI 驱动(非 Windows 驱动)模块每个都是独立模块,可以放在固件里,也可以放在磁盘上,根据需要进行加载。

由于计算机安全技术的快速发展,目前计算机受到的攻击不仅是操作系统层面的攻击,针对固件层面的攻击也原来更为普遍。UEFI 由于其模块化设计,动态加载,使用硬盘存储扩展模块等,都导致了 UEFI BIOS 面临着更多的安全问题。

对于 UEFI BIOS 的攻击,从感染方式上来讲,个人认为可以分为两种:一种是针对 BIOS 固件的攻击,一种是磁盘上扩展模块的攻击。本文着重介绍第二种。

 

UEFI 引导启动过程与感染原理

1. UEFI 引导启动的 7 个阶段

要了解 UEFI 的感染原理,必须了解 UEFI 的执行流程。UEFI 标准规定,其引导启动过程分为 7 个阶段。大致过程如下:

(图片源自网络,侵删)

SEC(Security Phase):

1)计算机加电后的首个阶段,接收并处理启动、重启、严重异常信号;

2)初始化临时 RAM(区别于通常所说的内存),通常为 CPU 的 Cache;

3)传递参数给下一阶段(PEI 阶段);

PEI (Pre-EFI Initialization):

1)为 DXE 阶段准备执行环境(完成内存初始化);

2)将需要的信息传递给 DXE 阶段;

DXE (Driver Execution Environment,驱动执行环境):

加载 UEFI 驱动,完成大部分初始化工作。

BDS (Boot Device Selection):

执行启动策略,主要为:

1)初始化设备控制台;

2)加载相关 UEFI 驱动设备;

3)加载并执行启动项;

TSL (Trainsient System Load):

该阶段正式准备加载操作系统

1)加载并运行 OS Loader(OS Loader 作为 UEFI 应用);

2)调用 ExitBootServices 后进入 RT 阶段;

RT (Run Time):

1)控制权由 UEFI 内核转交到 OS Loader 中;

2)清理回收 UEFI 之前占用的资源;

AL (After Life):

用于系统灾难恢复。

以上就是 UEFI 从加电到关机的 7 个阶段。

从设计上来讲,SEC 阶段被默认为是可信和安全的,想要对 SEC 阶段进行感染必须进行固件刷写(刷固件理论上可以对各阶段进行感染,而不仅仅是 SEC 阶段代码),这就是我们常见的 UEFI bootkit 实现方式之一。而另一种常见的实现 UEFI bootkit 感染的技术就是通过硬盘上存在的 UEFI 模块进行劫持或篡改,此种攻击方式主要是在 DXE/BSD/TSL 阶段进行。

2. UEFI 的感染方式

2.1 ESP 分区和引导

在 Windows 环境下,借助硬盘的 ESP 分区也能实现 UEFI 感染。

如果 Windows 是通过 UEFI+GPT 方式引导启动,则在硬盘上,Windows 安装文件会在磁盘上开辟一个隐藏分区,称为 ESP 分区,如下图所示:

ESP 分区本质上是 FAT 格式的分区,因为 UEFI 本身只支持 FAT 格式的文件系统。该分区中,有两个用于引导的模块,bootx64.efi(32 位下为 bootia32.efi)和 bootmgfw.efi。

bootx64.efi:\EFI\Boot\bootx64.efi;

bootmgfw.efi:\EFI\Microsoft\Boot\bootmgfw.efi;

这两个文件中,bootx64.efi 是用于磁盘引导,而 bootmgfw.efi 是进行操作系统加载的(OS Loader)。如果一定要和传统 BIOS 引导类比的话,bootx64.efi 相当于 MBR,而 bootmgfw.efi 则类似于(NTLDR/Winload.exe)。

不同的是,UEFI 下的 Windows,启动时不一定需要使用 bootx64.efi,而可以直接选择使用 bootmgfw.efi 作为 Windows 启动管理器 (Windows Boot Manager,一般默认情况下使用 bootmgfw.efi)。但如果一定要使用 bootx64.efi 进行启动,也可以进入 BIOS 进行手工设置,典型场景就是 U 盘 WinPE 进行启动,通过 U 盘内的 bootx64.efi 进行磁盘引导。

以下是笔者的 UEFI 启动设置,Windows Boot Manager 为 UEFI 系统默认,bootkit_test 是笔者手动添加的基于磁盘引导的启动方式。

需要说明的是,如果系统通过 bootx64.efi 进行启动,其最终还是会调用 bootmgfw.efi。

2.2 EFI 模块及其本质

对于 UEFI 开发来说,其程序一般分为两大类,一种是 UEFI 应用程序,一种是 UEFI 驱动程序,其后缀名都是 .efi 格式。但其实这并不是一种新的文件格式,而是符合 PE/COFF 规范的 PE 文件,更准确的说无论是 UEFI 应用程序还是 UEFI 驱动程序都是符合 E/COFF 的 dll 文件。EFI 文件的识别可以通过 Exeinfo PE 进行查看,如下图:

2.3 bootx64.efi 与 bootmgfw.efi 的关系

先说结论:bootx64 就是 bootmgfw,两者是同一个文件,只是放在不同路径下会调用其不同功能。

笔者将自己电脑上的两个文件提取出来并进行了 hash 对比,发现两者 hash 完全一致。也就是说,该文件至少具备磁盘引导、Windows 启动管理以及 OS Loader 的功能。

2.4 UEFI bootkit 代码分析与感染复现

2.4.1 源码流程分析

本次采用的代码为开源 UEFI bootkit 代码,github 地址:https://github.com/ajkhoury/UEFI-Bootkit

该工程文件分为两部分,UEFIApplication 为 loader 程序(编译后重命名为 bootx64.efi),UefiDriver 为真正实现内核感染的文件(编译后重命名为 rtdriver.efi)

先来看 bootx64.efi 的代码:

可以看到,其代码流程非常简单,通过 LocateFile函数遍历所有分区,查找 rtdriver.efi,找不到就直接退出,然后通过 ImageLoad函数将驱动加载至内存(不运行),最后调用函数 ImageStart 运行 bootkit 驱动,代码完成,程序退出。

rtdriver.efi 的主要代码如下:

定位 Windows Boot Manager,即 bootmgfw.efi,然后加载至内存,对函数 PatchWindowsBootManager 对bootmgfw.efi 进行 patch,然后运行 bootmgfw.efi。

进入 PatchWindowsBootManager 函数。

该函数对 bootmgfw.efi 的 ImgArchEfiStartBootApplication函数进行 hook 从而获得控制权,然后在自己的 hook 函数中又对 winload.efi 的 OslArchTransferToKernel 进行 hook,从而使得在加载 OS 内核镜像(ntoskrnl.exe)的时候 patch 掉 Windows 的 PatchGuard 代码,实现任意 rootkit 行为,代码如下:

整体流程大致如下:

2.4.2 感染复现

在了解了 UEFI 引导过程以及 bootkit 代码的分析后,复现就变得很容易了。

a)将编译出来的 bootx64.efi 以及 rtdriver.efi 放到 ESP 分区的 \EFI\Boot 目录下(原始 bootx64.efi 将会被替换),笔者这边是使用 Diskgenus 来操作的;

b)重启主机,进入 BIOS,关闭 Security Boot;

c)在 BIOS 中增加磁盘启动的引导项。

复现成功后如下图所示:

 

UEFI 感染的手工检测方法

1. efi 文件检测

使用磁盘工具将 ESP 分区盘符显示出来,然后查看 bootx64.efi(32 位 bootia32.efi)以及 bootmgfw.efi 的文件签名是否为微软的,并查看 ESP 分区下是否有多余的 EFI 模块。

2. 内核检测

bootkit 通常会对 ntoskrnl 进行 patch,检测内核回调(Dreamboot)是否异常,或者对 PatchGuard 代码进行检测(关键 API KeInitAmd64SpecificState)。

 

引用

  1. 《UEFI 原理与编程》
  2. https://blog.csdn.net/leochen_lc/article/details/103541984
  3. https://www.zhihu.com/question/36313402?sort=created
  4. https://www.cnblogs.com/liuzhenbo/p/10825136.html
  5. https://github.com/cursesun/UEFI-Bootkit
  6. 《统一可扩展固件接口攻击方法研究》
  7. 《efibios: EFI/UEFI BIOS 入门》

 

关于微步情报局

微步情报局,即微步在线研究响应团队,负责微步在线安全分析与安全服务业务,主要研究内容包括威胁情报自动化研发、高级 APT 组织&黑产研究与追踪、恶意代码与自动化分析技术、重大事件应急响应等。

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