【技术分享】一个针对TP-Link调试协议（TDDP）漏洞挖掘的故事

翻译：backahasten

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前言

我写这篇文章原本是为了简化WiFi渗透测试研究工作。我们想使用去年由Core Security发布的WIWO，它可以在计算机网络接口和WiFi路由器之间建立一个透明的通道。

研究的第一步，就是选取一个合适的工具， 在此研究中，我会首先选择一个适当的路由器进行改造。

经过一段时间的考察，我选择了TP-Link的TL-WA5210g无线路由器，它允许安全自定义固件，（这样我就能安装之前提到的工具），同时，他也是一个室外路由器（最初的设计就是如此）。

我首先发现了一个问题，我所购买的路由器的硬件版本（2.0版本）和可以自定义固件的版本不符，这样安装WIWO的时候可能就会有麻烦。我也读了一些博客，有时候虽然硬件版本不同，但是固件可以相同。不幸的是，我手里的设备不可以。设备的硬件和固件版本是配套的，我也没发现降级固件的办法，（TL-WA5210G_V2_140523）当我尝试使用Web界面降级的时候，发生了错误。

使用串口

我暂时放下了最开始的目标，转而，我试图发现一种方法来控制设备，安装我所需要的软件。我的第一个方法是使用UART串口通信的方法，我把UART的引脚焊接上排针，使用Bus Pirate（我的选择）或类似的东西把他连接到电脑，看看我能做什么。（这一步需要拆开外壳，在绿色的电路板上操作）

连接到UART串口之后，我发现了一个可以运行有限命令的控制台，它的一些选项被禁用了，比如第一个和第二个。

source: https://forum.openwrt.org/viewtopic.php?id=17252&p=6

我尝试了其他不同的数字和字母，希望找到隐藏功能，虽然我发现了一些，但是没发现对我有用的。

第二种方法是分析web程序，我发现很多UART控制台也可以从web界面的菜单中进入，这在OpenWRT的wiki中有介绍。对于我手中的设备，我发现了隐藏的菜单：

http://192.168.1.254/userRpm/NatDebugRpm26525557.htm

发现漏洞

在上一步发现的隐藏菜单中，有很多按钮，他们显示了设备很多有趣的信息。有一个默认开启的UDP端口引起了我的注意。

做了一些研究之后，我了解到了这个UDP端口上运行的协议：

https://www.google.com/patents/CN102096654A?cl=en

TDDP是一个用于调试的简单协议，这个协议使用一个数据包，在载荷中使用不同的消息类型来完成请求或者命令的传递。下面的图片是TDDP的数据包信息。

我还发现文档中记录了其他一些消息类型。如果想从设备中获得一些有关设备状态的信息，调试信息是十分有用的。我想知道我到底可以做什么，于是我从TP-Link的官网下载了它的固件。

下载完成之后，我使用IDA 开始搜索有关于与实现协议的代码，来确定文档中的协议是如何在固件中实现的。我已经找到了第二版协议的说明，但是，通过逆向我发现他和第一版是有差别的。

由于没有第一版协议的说明，我决定逆向协议处理部分的程序，了解二者的主要差异。虽然包的结构相似，但是，我还是发现了一些重要区别：第一版不支持身份验证和对数据包载荷的加密，而第二版要求身份验证和加密。

分析V1版的处理程序，我发现V2的一些处理程序也出现在V1里，他们是set_configuration, get_configuration 和 set_macaddr。

1.set_configuration用来设施设备配置

2.get_configuration用来获取设备配置

基于我目前所知道的，我已经准备好写一个实现TDDP V1协议最小功能的Python脚本，我首先将注意力集中在get_configuration请求上，希望可以收集我所需要的信息。

使用脚本发送数据包之后，硬件的返回看似关键值配置文件。阅读这个文件，我们竟然发现了账号和密码。（我们在读取配置信息的时候没有要求身份验证）

虽然很有趣，但是我们还只是拿到了设备的配置文件。我们依然离我们的目标——安装一个自定义的固件相去甚远，而这才是我真正想做的。再次阅读文档，我想一个旨在调试的协议很可能有很多问题出现。我继续逆向处理程序的其他部分，几个小时后，当我在深入研究set_configuration的时候，我发现了一个类strcpy风格的函数，导致了一个简单的溢出漏洞。

经过初步的分析，我发现利用这个漏洞的shellcoder有一些限制，例如，不能出现0或者空格。

通过这个漏洞，我可以劫持TDDP服务的执行流，指向自己的代码，然后在更新功能上打上补丁，允许安装我自己需要的固件（包括旧版本）。

影响工作的主要问题就是设备中没有调试器，由于某些奇怪的原因，UART引脚也不工作了，我也不知道是为什么>_>。我可以从设备中获得的唯一信息就是PC寄存器的值和SP寄存器的值，他们在之前发现的web隐藏功能中。

下面的图片显示了进程列表是什么样子的，可以清楚的看见PC和SP的值。

我准备使用“跳转调试”的方法写一个漏洞利用脚本，执行成功或者失败，jmp指令就会使PC跳转到不同的位置。

下面的图片是使用这种方法操作pc指针的例子：

在这个例子中，文件描述符（0xa）被载入了寄存器，之后jmp指令被执行，这证明了这个寄存器控制着我们所需要的值。

设计漏洞利用代码

几天之后，利用之前描述的细节，我已经可以使用ROP 技术通过gadgets控制PC寄存器了，但是，当我准备让他运行我自己的代码的时候（我考虑了前面提到的限制因素），却失败了。

我之前从来没有写过MIPS架构的漏洞利用代码，在读过一篇文章【1】之后，我知道了为什么失败了，原因是MIPS的cache没有被刷新(此处涉及MIPS架构中“缓存一致性”处理—译者注)，所以，写入的shellcoder是不能使用的，博客中所介绍的，解决该问题的办法是调用sleep（）函数清除cache，但是在我的情况下，固件没有符号，识别sleep函数很难，为此，我开始学习MIPS的cache是如何工作的，我怎样可以清除它。

阅读这篇文章【2】让我知道MIPS的cache是双重的。

一个是数据cache（D-cache），另外一个是指令cache（I-cache），清除这两个cache的过程是：首先，设置协处理器的TagLi和TagHi为0，之后调用指令 “cache   8, 0($a0)”（清除I-cache）和指令“cache   9, 0($a0)”（清除D-cache）。

查看整个固件，我发现了一个函数的作用正是我想要的。（可能是用来初始化）

我发现这个代码有一个小问题。

像固件中其他函数返回时一样，这个函数使用了jr $ra.作为结尾，$ra寄存器中的值是在这个函数被jalr调用时设置的，例如，你可以这样调用foo函数：

$ra寄存器的作用是为了确定返回地址。在这个例子中，返回命令使用jr，因为，和jalr指令相反，jr指令不设置$ra寄存器。

通常的解决方法是使用ROP 链（或者对于MIPS架构来说，说成JOP更好），设置$ra寄存器的值（例如0x12345678），然后接下来调用函数跳转到0x8016B910(cache清除函数)，这个函数会清除cache，接下来就可以调用自己的函数了（例如0x12345678）.

问题是$ra寄存器只会在函数结尾被设置，就像这样。

前面的图片就是函数结尾，在这里，你可以看到，从栈中获得数值后，$ra寄存器用来返回调用者，如果我把它设置为0x8016b910（清除cache），我会失去控制，因为这会形成一个无线循环。

那么，怎么办？

我想到当I-cache被清除之后，新的指令会立刻被设置，这意味着我可以修改清除函数 (0x8016B910) 的结尾，用一下指令代替 “jr $ra ”  “jr $fp” (或者相似的)，使用这种方法，我可以清除cache并且跳转进我的shellcoder。

下面显示了函数指令在攻击前后的变化;

最后，shellcoder的作用是在代码中打上补丁，再调用指令激活补丁，关闭固件检查。

和@_topo谈话之后，他建议我读关于MIPS的段布局，我之后发现可以使用kseg1 ，不适用kseg0，这样的话，MIPS的cache就可以避开 (http://cdn.imgtec.com/mips-training/mips-basic-training-course/slides/Me…)。我没有尝试。

后记

首先是一个好消息，这个服务不可能从广域网连接到，实际上，连接到wifi都无法访问，所以需要使用有线连接。第二，这个固件版本是2014年的。然而，在那时，这个固件是这个设备的最新版本。可悲的是，使用这个设备的人很多都没有升级。

对于其他TP-Link设备有很多新的固件，我们安装了适配于TL-MR3020的最新固件（2015年发布），这个服务依然存在，默认在监听端口。第一版的协议代码依然存在于这个固件中，虽然第一版的部分指令被删除（例如，获取配置文件的代码被删除了），我们不能确定新版是否存在我们发现的漏洞。我们需要研究。虽然我们没有设备测试，但是，通过静态分析2016年的固件，相同的情况还是存在的。

根据攻击的方案和设备的配置（再说一遍，WiFi连接和公网上无法访问这个服务），这个漏洞的最大作用可能就是允许攻击者更改路由器固件（可能包含持久性的后门），使他 可以从网络上获取信息。

结论

人们关注嵌入式安全已经有一段时间了，我们通常不会花很多时间关注所有常见的问题。

在无需身份确认的条件下，就可以访问一个默认开启的调试协议，是很糟糕的事情，厂家应该注意到这一点。通过上述的研究，我们可以发现，内存溢出漏洞很常见。成熟的安全防护方法也应该被应用于嵌入式中。例如，现在MIPS设备支持XI(Execute Inhibit）技术，他就和英特尔的NX技术相似，作用是阻止执行用户输入的数据。实际上，开发中也应该采用正确的方法，例如源码审计和渗透测试。

参考链接

【1】http://www.devttys0.com/2012/10/exploiting-a-mips-stack-overflow/

【2】http://cdn.imgtec.com/mips-training/mips-basic-training-course/slides/Caches.pdf