Cisco ASA固件破解和动态调试软件系统方法（包括硬件调试和虚拟化调试）

笔者在安全客上的两篇对Cisco ASA军火库逆向分析的文章：

https://www.anquanke.com/post/id/84614

https://www.anquanke.com/post/id/85030

以及一个ASA攻击框架的项目：https://github.com/weizn11/Cisco_ASA_Backdoor

但前置条件是要有对ASA动态调试的能力，本文是笔者当时使用的ASA动态调试方法。

 

Cisco ASA调试可分为硬件调试和虚拟化调试，其中硬件调试方法可以支持所有版本的ASA系统，虚拟化调试目前只支持ASA 802和ASA 842两个版本，主要原因是只有这两个版本的系统支持虚拟化环境，下面分开讲解两种调试方法。

 

一、虚拟化调试

Cisco ASA 802：

# binwalk -e asa802-k8.bin

解压的文件中只留下1228B0：

# rm -rf !(1228B0)

cpio解压文件：

# cpio -i –make-directories < 1228B0  –no-absolute-filenames

# rm 1228B0

 

vim编辑etc/init.d/rcS文件，将最后一行注释后，改为/bin/sh：

 

将vmlinuz文件copy出来作为GNS3中的内核启动文件，然后把此目录下所有文件用cpio打包为gz文件：

# cp vmlinuz ../asa802-k8.kernel

# find . | cpio -o -H newc | gzip -9 > ../asa802-k8.gz

将这两个文件导入到GNS3中，其中qemu使用0.13.0版本，Network type选择pcnet，并勾选是用legacy网络模式。高级设置如下图所示：

其中Kernel命令为： console=ttyS0,9600n8 bigphysarea=16384 auto nousb ide1=noprobe hda=980,16,32

Options： -hdachs 980,16,32 -vnc :1 -serial telnet:192.168.75.1:1111,server,nowait

注意：Options中的串口设置需要和gns3 server的IP地址一致。

配置好后启动，发现进入了ASA底层Linux系统：

Cisco
ASA防火墙的整个加载流程如下图：

在这里我们更加关心的将是最后三个步骤，rcS作为一个shell脚本控制着lina_monitor的启动方式，如传入的参数控制，lina_monitor以创建子进程的方式启动lina程序，并对lina进程进行监视和管控。其中lina就是Cisco ASA防火墙的主程序，基本包含了ASA所有的业务逻辑代码，在系统内存中，lina将fork多个子进程协同工作，如下图所示：

对PID为221的进程进行调试，实验证明不能直接使用lina_monitor开启gdbserver，gdbserver会被attach到lina的子进程上，无法准确的接收到信号，需要在lina已经启动后，在用gdbserver attach到相关进程上，通过自己编写的程序辅助实现，代码如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

#define BUF_SIZE 10000

char *cmd = \
"en\n"
"\n"
"conf t\n"
"int e0/0\n"
"nameif outside\n"
"ip addr %s 255.255.255.224\n"
"no shut\n"
"exit\n"
"router rip\n"
"network 10.0.0.33\n"
"exit\n"

"snmp-server host outside 10.0.0.2 community public\n"
"snmp-server community public\n"
"snmp-server enable traps syslog\n"
"route outside 0 0 10.0.0.33\n"
"end\n"
"ping 10.0.0.2\n";

int main(int argc, char *argv[])
{
int i;
int pid;
int exitVal;
int rdPipe[2], wrPipe[2];
char *pBuf = NULL;
char *confBuf = NULL;
FILE *cmdResults = NULL;

confBuf = (char *)malloc(2000);
memset(confBuf, 0x00, 2000);

sprintf(confBuf, cmd, argv[1]);

printf("[+] cmdline: ");
for(i=0; i<argc; i++)
{
printf("%s ", argv[i]);
}
puts("");

//create pipe
if(pipe(rdPipe)!=0 || pipe(wrPipe)!=0)
{
printf("[-] Create pipe failed.\n");
return -1;
}

pid = fork();
if(pid == 0)
{
close(rdPipe[0]);
close(wrPipe[1]);

//dup2(rdPipe[1], STDOUT_FILENO);
dup2(wrPipe[0], STDIN_FILENO);

pid = fork();
if(pid == 0)
{
printf("[+] launch lina...\n");
execl("/asa/bin/lina", "/asa/bin/lina", "-s", NULL);
}

exit(0);
}

wait(&exitVal);

close(rdPipe[1]);
close(wrPipe[0]);

usleep(1000*1000*7);
printf("%s\n", confBuf);
write(wrPipe[1], confBuf, strlen(confBuf));

usleep(1000*1000*5);

pBuf = (char *)malloc(BUF_SIZE);
memset((void *)pBuf, NULL, BUF_SIZE);

cmdResults = popen("ls -l /proc/", "r");
fread(pBuf, sizeof(char), BUF_SIZE - 1, cmdResults);
printf("%s", pBuf);

fclose(cmdResults);
free(pBuf);
free(confBuf);

execl("/bin/gdbserver", "/bin/gdbserver", "/dev/ttyS1", "--attach", "222", NULL);

/*-------------------------------------------------------------------------------------------------*/

return 0;
}

 

 

编译命令为：gcc -o launcher launcher.c -Wl,–hash-style=sysv

ASA 842:

1.制作vmlinuz文件：

先将.bin文件导出为十六进制文件：

在文件中查找关键字“booting”：

定位到相应的行：

将上图所示的特征行作为vmlinuz文件的起始地址，记录下此地址。在从asa.hex文件中查找关键字“rootfs.img”：

定位到相应的行：

将上图所示的特征行作为vmlinuz文件的末尾地址（不包含此行），记录下地址，使用dd命令将此段文件内容导出为vmlinuz文件：

2.解压ASA系统：

使用binwalk -e解压出rootfs.img文件，将其它都删除：

使用下列命令解压出linux系统：

$ cpio -i –make-directories < rootfs.img –no-absolute-filenames

编辑“/asa/scripts/rcS”脚本，改动如下图：

最后使用下列命令打包：

$ find . | cpio -o -H newc | gzip -9 > ../asa842.gz

在GNS3中，模拟所需的命令如下：

Kernel cmdline: ide_generic.probe_mask=0x01 ide_core.chs=0.0:980,16,32 auto nousb console=ttyS0,9600 bigphysarea=65536 ide1=noprobe no-hlt

Options: -icount auto -hdachs 980,16,32 -vga none -vnc none -serial telnet:192.168.56.1:3333,server,nowait

进入Cisco ASA 842的linux系统后，使用下列命令正常启动ASA：

$ ./lina -t -e eth0 -e eth1 -e eth2 -e eth3

使用下列命令启动gdbserver:

$ gdbserver /dev/ttyS1 /asa/bin/lina -t -g -l -e eth0 -e eth1 -e eth2 -e eth3

 

Refer: 

http://www.bearmr.com/index.php/repack-gns3-asa842-asa904/

二、硬件调试

以下使用ASA 922-4版本的固件作为演示，主要流程可归为三步：
1）解压ASA固件中的Linux系统。
2）修改Linux系统中启动ASA的流程，使其进入到调试模式。
3）重新打包固件，刷入ASA硬件设备，通过串口调试。
详细过程如下：

1. 通过binwalk分析和解压固件文件结构：

$ binwalk -e asa922-4-k8.bin

2. 只保留解压后的rootfs.img文件，删除其余的：

$ rm –rf !(rootfs.img)
3. 使用cpio命令将rootfs.img中的linux系统文件解压出来：
$ cpio -i –make-directories < rootfs.img –no-absolute-filenames

4. 删除镜像文件rootfs.img:

$ rm rootfs.img

5. 此时需要修改ASA底层Linux系统中的引导顺序，编辑/asa/scripts/rcS脚本，添加进入console命令行的语句：

注释掉后续可能会影响我们控制流程的代码：

6. 在此Linux系统中需要写一个启动器来执行我们期望的流程，以下是一个写好的启动器，其中一些代码可能放在在不同版本的ASA中需要做一些修改：

1） 在进入gdbserver进行调试时，需要指明gdbserver地址，不同版本ASA的gdbserver可能不同。此外，启动ASA主程序lina后，允许向lina写入配置命令，可更改代码如下：

4） launcher中”-o”参数允许直接在后台启动lina进程，不用通过lina_monitor启动lina，可以直接向lina中传入参数。在lina中有一个隐藏参数”-s”，可使lina进程中不创建多线程，仅以单线程工作，其中”-p”参数指定lina的父进程PID，部分版本的lina在发现父进程不是lina_monitor后会向父进程PID发送终止信号，造成父进程关闭，此处需要注意在调试时可能造成的其它问题。修改向lina传入参数的代码如下：

5） launcher不加参数直接运行会启动lina_monitor的调试模式对lina进行调试，这里可以有两种选择，使用lina_monitor启动gdbserver或直接启动gdbserver，部分版本必须要用gdbserver直接启动lina，可修改相关代码：

6） launcher使用”-a”参数可让gdbserver attach到指定PID的进程上进行调试，”-a”参数接收进程PID。
7） gcc编译launcher，在ASA 832版本之前linux的glibc版本为2.3.2，从ASA 842开始使用的glibc版本为2.9。在高版本的glibc环境中编译的程序可能无法在glibc 2.3.2环境中运行，原因是调用的库函数版本可能无法匹配，此外，在glibc 2.3.2中无栈保护选项，而在glibc 2.9中默认会开启栈保护，因此高版本的glibc编译的程序在低版本glibc环境中运行，除了保证函数调用符号表在低版本glibc中可被匹配到以外，还需要关闭栈保护选项。可用nm命令查看程序中的符号信息，以确认glibc版本是否匹配。使用以下命令进行编译：
$ gcc -o launcher launcher.c -Wl,–hash-style=sysv -zexecstack -fno-stack-protector
launcher在接管控制流程后，不会在console中输出日志信息，其输出流被重定向到/mnt/disk0/launcher.log和/mnt/disk0/debug.log文件中。

7. 将编译好的launcher放到/bin/目录下，使用cpio将linux系统文件进行打包：

$ find . | cpio -o -H newc > ../rootfs.img

8.由于在linux系统中添加了文件，导致重新压缩此镜像后，压缩文件大小会增长，然而在ASA bin固件中，多处内部调用的地址已被写死，所以随意增大固件中的部分内容长度，会造成很多其它问题，因此不能增大压缩后的系统文件大小。经测试发现，对于镜像文件rootfs.img，ASA固件在制作过程中使用gzip压缩算法，默认压缩率为”-6”，并使用”–name”命令将文件名也添加到压缩包内。由于gzip最高压缩率可指定为”-9”，因此可以使用以下命令将rootfs.img压缩为比原本固件内的压缩文件小：
$ gzip –name -9 –c rootfs.img > gz

此外，还需要知道原本固件中系统压缩文件的大小，通过以下命令对binwalk初次解压出来的rootfs.img镜像压缩后可得到：
$ gzip –name –c rootfs.img > gz

因此可以得到在使用高压缩率生成的文件比ASA固件中的系统文件总大小小了131669字节，这部分需要用0x00字符填充，用以下Python脚本生成填充文件：

import sys
file = open("padding", "w")
padding_str = ["\x00" for i in range(int(sys.argv[1]))]
file.write("".join(padding_str))
file.close()

9. 将ASA固件中的内容可分为三个部分：head、gz和tail，其中gz部分就是Linux系统，现gz部分已经制作好，head和tail可直接从ASA固件中进行提取。在图一中，使用binwalk分析出ASA固件的文件结构，从起始处到”rootfs.img”标识处，此部分数据用dd命令导出后作为head，命令如下：
   $ dd if=asa922-4-k8.bin of=head bs=1 count=1501296
   tail部分的起始地址在binwalk中定位的并不准确，因此通过head长度+原本gz的长度来确定tail的起始地址，同样通过dd命令导出为单独文件，命令如下：
   $ dd skip=30391972 if=asa922-4-k8.bin of=tail bs=1
   最后使用cat命令拼接成完整的ASA bin文件：

10. 通过tftp上传制作好的ASA固件（不可上传与当前ASA上运行版本相同的固件！），发现有校验和限制：

其中第一行MD5是写在ASA固件中的值，第二行是计算出的值，在ASA固件中查找这串MD5值，然后将其改为计算出的MD5值，并将MD5的CRC校验和改为0x0000，如下图：

保存后重新上传，返回结果如下：

此时发现文件MD5值已经匹配了，CRC校验值也被ASA计算好了，直接写入到固件的相应位置即可，注意小端字节顺序，再次上传可通过验证。

11. 启动后可使用launcher进入调试模式，如下图：

在minicom中关闭串口连接，在gdb中远程连接到串口上进行调试，如下：

在ASA上进行远程gdb调试的大致方式如下图：

在使用IDA进行远程GDB调试时，需要处理两个信号，如下图：

附：
硬件调试中launcher程序完整代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <dirent.h>
#include <signal.h>
#include <sys/stat.h>
#include <limits.h>
#include <fcntl.h>

#define GDBSERV_PATH "/bin/gdbserver"
#define INPUT_CMD "en\nadmin\n123\nshow kernel process\n   \n"

char *gl_KillProcList[] = {"/bin/sh", "/etc/init.d/rcS", "/etc/init.d/S99asastart", "/asa/scripts/rcS", NULL};

enum
{
    E_Debug = 0x01,
    E_Daemon,
    E_Orphan,
    E_Attach,
};

int trav_dir(const char *const dirPath, const int maxDeep, void (*handler)(char *, char *), char *param)
{
    DIR *dp = NULL;
    struct dirent *pEntry = NULL;
    struct stat statBuf;
    char filePath[256];
    char newDirPath[256];

    if(maxDeep == 0) return 0;
    if(dirPath == NULL || strlen(dirPath) == 0 || handler == NULL) return -1;

    dp = opendir(dirPath);
    if(dp == NULL)
    {
        printf("Can't open dir,'%s'\n", dirPath);
        return -1;
    }

    while((pEntry = readdir(dp)) != NULL)
    {
        memset(filePath, 0x00, sizeof(filePath));
        strcat(filePath, dirPath);
        if(filePath[strlen(filePath) - 1] != '/') strcat(filePath, "/");
        strcat(filePath, pEntry->d_name);

        lstat(filePath, &statBuf);
        if(S_ISDIR(statBuf.st_mode))
        {
            //dir
            if(pEntry->d_name[0] == '.') continue;

            memset(newDirPath, 0x00, sizeof(newDirPath));
            strcat(newDirPath, filePath);
            trav_dir(newDirPath, maxDeep - 1, handler, param);
        }
        else
        {
            //file
            handler(filePath, param);
        }
    }
    closedir(dp);

    return 0;
}

int strrncmp(const char *m_str, const char *c_str, int len)
{
    int mStrLen;
    int cStrLen;
    int index;

    mStrLen = strlen(m_str);
    cStrLen = strlen(c_str);

    if(cStrLen < len) return -1;

    for(index = 1; index <= len; ++index)
    {
        if(m_str[mStrLen - index] != c_str[cStrLen - index])
            return -1;      
    }

    return 0;
}

void file_handler(char *filePath, char *procName)
{
    char *pStart = NULL;
    FILE *file = NULL;
    char readBuf[1024];
    int i, pid;

    for(i = strlen(filePath) - 1; i >= 0; i--)
    {
        if(filePath[i] == '/')
        {
            pStart = &filePath[i] + 1;
            break;
        }
    }
    if(pStart == NULL) return;
    if(strcmp(pStart, "cmdline")) return;

    file = fopen(filePath, "rt");
    if(file == NULL) return;

    memset(readBuf, 0x00, sizeof(readBuf));
    if(fread(readBuf, sizeof(char), sizeof(readBuf) - 1, file) <= 0)
    {
        fclose(file);
        return;
    }

    if(strrncmp(readBuf, procName, strlen(procName)) == 0)
    {
        printf("Found process: %s\t", readBuf);
    }
    else
    {
        fclose(file);
        return;
    }

    memcpy(pStart, "stat", strlen("stat"));
    *(pStart + strlen("stat")) = 0x00;

    fclose(file);
    file = fopen(filePath, "rt");
    if(file == NULL) return;
    /*
    if(fscanf(file, "%d", &pid) != 1)
    {
        fclose(file);
        return;
    }*/
    memset(readBuf, 0x00, sizeof(readBuf));
    if(fread(readBuf, sizeof(char), sizeof(readBuf) - 1, file) <= 0)
    {
        fclose(file);
        return;
    }
    for(pStart = readBuf; *pStart < '0' || *pStart > '9'; ++pStart);
    for(i = 0; pStart[i] >= '0' && pStart[i] <= '9'; ++i);
    pStart[i] = 0x00;

    pid = atoi(pStart); 
    kill(pid, 9);
    printf("Kill pid: %d\n", pid);
    fclose(file);

    return;
}

int kill_proc()
{
    int i;

    for(i = 0; gl_KillProcList[i] != NULL; i++)
    {
        trav_dir("/proc", 2, file_handler, gl_KillProcList[i]);
    }

    return 0;
}

char *itoa(int num)
{
    static char numStr[100];
    char swap;
    int i;

    memset(numStr, 0x00, sizeof(numStr));

    for(i = 0; num ; ++i)
    {
        numStr[i] = num % 10 + '0';
        num /= 10;
    }

    for(i = 0; i < strlen(numStr) / 2; ++i)
    {
        swap = numStr[i];
        numStr[i] = numStr[strlen(numStr) - i - 1];
        numStr[strlen(numStr) - i - 1] = swap;
    }

    return numStr;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int pid, parentPid;
    int inPipe[2], outPipe[2], errPipe[2];
    char readBuf[PIPE_BUF + 1];
    int readSize;
    FILE *file = NULL;
    struct timeval timeo;
    fd_set fdRead;
    int exitVal;
    int i;
    int sw;
    char *pAttPid = NULL;

    if(argc < 1 || argc > 3) return -1;
    if(argc > 1)
    {
        if(!strcmp("-d", argv[1]))
        {
            sw = E_Daemon;
        }
        else if(!strcmp("-o", argv[1]))
        {
            sw = E_Orphan;
        }
        else if(!strcmp("-a", argv[1]))
        {
            sw = E_Attach;
            pAttPid = argv[2];
        }
        else
        {
            return -1;
        }
    }
    else
    {
        sw = E_Debug;
    }

    //////////////////////////////////////////////////////////////////
    if(sw == E_Daemon)
    {
        printf("The lina_monitor process will start.\n");
    }
    else if(sw == E_Orphan)
    {
        printf("The lina process will start.\n");
    }
    else
    {
        printf("Please disconnect the serial port!\ngdbserver will start.\n");
        //printf("Press Ctrl/C to cancel in.\n");
        for(i = 5; i > 0; i--)
        {
            printf("%d ", i);
            fflush(stdout);
            usleep(1000*1000);
        }
        puts("");
        fflush(stdout);
    }

    //////////////////////////////////////////////////////////////////
    pid = fork();
    if(pid != 0)
    {
        usleep(1000);
        exit(0);
    }
    setsid();
    parentPid = getpid();

    //////////////////////////////////////////////////////////////////
    if(sw == E_Orphan || sw == E_Daemon)
    {
        file = fopen("/mnt/disk0/launcher.log", "w");
        if(file == NULL)
        {
            //puts("Create launcher.log failed.");
        }
    }
    else
    {
        file = fopen("/mnt/disk0/debugger.log", "w");
        if(file == NULL)
        {
            //puts("Create debugger.log failed.");
        }
    }

    pipe(inPipe);
    pipe(outPipe);
    pipe(errPipe);
    dup2(inPipe[0], STDIN_FILENO);
    dup2(outPipe[1], STDOUT_FILENO);
    dup2(errPipe[1], STDERR_FILENO);

    printf("============Log===========\n");

    ///////////////////////////////////////////////////////////////////
    if(sw == E_Daemon)
    {
        pid = fork();
        if(pid == 0)
        {
            close(inPipe[1]);
            close(outPipe[0]);
            close(errPipe[0]);

            execl("/asa/bin/lina_monitor", "/asa/bin/lina_monitor", NULL);
        }
        close(inPipe[0]);
        write(inPipe[1], INPUT_CMD, strlen(INPUT_CMD));
    }
    else if(sw == E_Orphan)
    {
        pid = fork();
        if(pid == 0)
        {
            close(inPipe[1]);
            close(outPipe[0]);
            close(errPipe[0]);
            parentPid = getpid();

            pid = fork();
            if(pid == 0)
            {
                setsid();
                execl("/asa/bin/lina", "/asa/bin/lina", "-p", itoa(parentPid), "-s", NULL);
            }
            while(1) usleep(1000);
            exit(0);
        }
        close(inPipe[0]);
        write(inPipe[1], INPUT_CMD, strlen(INPUT_CMD));
    }
    else
    {
        kill_proc();
    }

    //////////////////////////////////////////////////////////////////
    if(sw == E_Debug || sw == E_Attach)
    {
        usleep(1000*1000*2);
        pid = fork();
        if(pid == 0)
        {
            close(inPipe[1]);
            close(outPipe[0]);
            close(errPipe[0]);

            printf("gdbserver will start...\n");
            if(sw == E_Debug)
            {
                //execl("/asa/bin/lina_monitor", "/asa/bin/lina_monitor", "-g", "-d", "-s", "/dev/ttyS0", NULL);
                execl(GDBSERV_PATH, GDBSERV_PATH, "/dev/ttyS0", "/asa/bin/lina", "-p", itoa(parentPid), "-s", NULL);
            }
            else
            {
                printf("%s attach %s\n", GDBSERV_PATH, pAttPid);
                execl(GDBSERV_PATH, GDBSERV_PATH, "/dev/ttyS0", "--attach", pAttPid, NULL);
            }
            exit(0);
        }
    }

    ////////////////////////////////////////////////////////////////////
    while(file != NULL)
    {
        memset(&timeo, 0x00, sizeof(timeo));
        timeo.tv_usec = 100;

        FD_ZERO(&fdRead);
        FD_SET(outPipe[0], &fdRead);
        FD_SET(errPipe[0], &fdRead);
        if(select((outPipe[0] > errPipe[0] ? outPipe[0] : errPipe[0]) + 1, &fdRead, NULL, NULL, &timeo) <= 0) continue;

        if(FD_ISSET(outPipe[0], &fdRead))
        {
            memset(readBuf, 0x00, sizeof(readBuf));
            if((readSize = read(outPipe[0], readBuf, sizeof(readBuf) - 1)) <= 0)
            {
                continue;
            }
            fwrite(readBuf, sizeof(char), readSize, file);
            fflush(file);
        }
        else
        {
            memset(readBuf, 0x00, sizeof(readBuf));
            if((readSize = read(errPipe[0], readBuf, sizeof(readBuf) - 1)) <= 0)
            {
                continue;
            }
            fwrite(readBuf, sizeof(char), readSize, file);
            fflush(file);
        }
    }
    while(1) usleep(1000*1000);

    return 0;
}

另一种调试方式：
https://community.rapid7.com/community/metasploit/blog/2016/06/14/asa-hack
这种方法只支持ASA 924版本，通过修改内核启动命令进入console，然后使用lina_monitor进入调试模式。