FirmAware：一种用于嵌入式固件解密的多阶段框架

《Internet of Things》：FirmAware: A Multistage Framework for Embedded Firmware Decryption

　　

摘要：固件加密被嵌入式设备供应商越来越广泛地用于保护知识产权，但它同时也创造了一个阻碍漏洞发现和取证分析的“黑盒”。在本文中，我们提出了 FirmAware，这是一个用于解密不同供应商和设备系列中加密固件的多阶段框架。与主要依赖静态签名的现有工具不同，FirmAware 采用分层策略：应用公开解密方法，分析过渡固件（指连接未加密版本和加密版本之间的版本），以恢复密钥和算法，并作为最后手段利用硬件辅助提取。我们通过基于识别和可用性的过渡固件五类分类法正式化了这一过程。通过实证评估，我们成功解密了来自多个供应商的 239 个固件镜像，涵盖了多样化的设备系列。值得注意的是，我们的跨案例扩展分析揭示了供应商密钥管理中的系统性弱点，即单个恢复的工件能够解密 15 个不同型号的 90 个固件版本。我们的结果表明，FirmAware 提供了一种可扩展的方法来克服固件加密，揭示了嵌入式密码实践中的关键漏洞，并使得能够对物联网设备进行更深入的安全审计。

引言
嵌入式系统在消费电子、工业控制系统和物联网设备中的广泛采用，引入了新的网络攻击向量。根据最近的估计，到 2025 年，联网物联网设备的数量预计将达到 198 亿台，到 2034 年将超过 406 亿台 [1]。这些设备是电力、燃气、水务、零售、运输和政府等行业以及消费者部门不可或缺的一部分，其中消费者部门约占所有物联网部署的 60%。随着嵌入式设备在关键领域的日益普及和影响力增强，其固件的安全性变得越来越重要。

尽管处于核心地位，固件仍然是现代计算系统中受审查最少的组件之一，尤其是当它被加密时。有限的可访问性、专有格式和广泛的加密使得分析师难以检查和验证固件内容。缺乏对固件内部结构的访问直接阻碍了漏洞发现、取证分析和长期维护。在许多情况下，加密固件在安全操作中成为了一个“黑盒”，即使是合法的防御者也无法在不先解密的情况下验证其安全性或完整性。

2021 年微软安全信号报告展示了这一问题的严重性 [2]。基于对五个国家 1000 名企业安全决策者的调查，研究发现，在过去两年中，超过 80% 的组织至少经历过一次固件攻击，而只有 29% 的安全预算被分配用于固件保护。此外，21% 的企业承认根本没有监控其固件。这种差距主要源于访问和分析固件的技术难度，尤其是当固件被加密时，这导致许多组织忽略了存在于操作系统下方的漏洞。因此，改进对固件内部结构的访问取决于解开或解密底层二进制文件的能力，使分析师能够检查其结构、识别漏洞并进行有意义的安全评估。

固件加密在更新相关漏洞中也发挥着关键作用。虽然更新旨在修复已知问题，但如果验证机制薄弱，它们本身也可能成为攻击向量。最近由 [3] 进行的一项大规模研究分析了 12,000 个固件镜像，发现了广泛的更新相关漏洞，包括缺失的验证步骤和不安全的加密实现。这些发现意味着，即使存在验证机制，加密也会使过程更加复杂，因为许多嵌入式系统以加密形式分发更新，如果不解密，外部验证是不可能的。分析师无法在安装前检查加密更新文件以确认其是否合法或安全，这在更新链中造成了潜在的盲区。从数字取证的角度来看，加密隐藏了内核、文件系统和引导程序等关键结构标记，进一步阻止了验证和调查。

这些挑战说明了一个根本悖论：加密保护固件免受篡改，但它同时也阻断了合法分析和验证。因此，有效的漏洞评估、取证验证和更新审计都取决于解密固件的能力。此外，成功的解密通常会产生可复用的工件，例如密钥或算法见解，这些可以应用于相关型号或固件系列，从而扩展每次分析的范围。因此，收集和整理此类解密知识对于可扩展和可重复的固件安全研究变得至关重要。

本文提出了一种多阶段方法框架 FirmAware，用于分析加密固件镜像，优先在不同设备型号和供应商之间实现可访问性和可扩展性。我们的方法始于使用先前由社区或先前研究发现和验证的已知解密方法。接下来，当此类已知技术不可用或无效时，框架将重点转向识别过渡版本，通常称为过渡固件，这代表了从未加密版本到加密版本的转变。这个概念构成了我们研究的核心，因为过渡固件是发现和扩展跨相关模型的解密工件的主要来源。这些中间版本通常包括解密密钥或与后续加密版本保持结构相似性，从而能够逆向工程加密算法。最后，如果没有合适的过渡固件可用，框架随后推荐硬件辅助提取方法，如 UART、JTAG 或拆片，作为获得可解密固件镜像的最后策略。通过这些手段获得的固件，无论是由用户还是先前研究获得，都可以添加到分析过程中。

此外，为了指导这种多层解密策略，我们根据过渡版本的可用性和加密状态将固件系列分为五个不同的案例。这种分类使得能够采用有针对性的解密方法，即使直接分析受到阻碍，也能在型号之间进行扩展。此外，我们表明，从一个固件逆向工程的算法通常可以应用于其他固件，从而实现有效的跨模型和跨案例推断。本质上，我们的方法提供了一种克服固件加密的可扩展方法，并突出了现实世界嵌入式系统中密码实现的复用。该框架最终支持嵌入式系统的系统性固件分析，用于安全审计、漏洞发现和取证验证。本文的主要贡献如下：
•我们提出了 FirmAware，一个分层方法框架，将各种解密技术编排成优先级的决策工作流程，为跨不同供应商和设备系列的加密固件镜像的解密和分析提供了可复现的指导方针。
•通过复用恢复的解密工件，与先前工作相比，所提出的方法实现了显著更高的解密覆盖率和工件复用效率，这已通过定量指标验证。
•我们引入了过渡固件的五类分类法，并表明一个案例中的解密工件可以有效地应用于其他案例，证明了该框架跨案例的实际有效性。

本文的后续内容如下。第 2 节提供了固件的背景并总结了我们研究相关的先前工作。第 3 节介绍了 FirmAware 框架，即我们提出的固件解密和分析方法。第 4 节提出了一个案例研究，证明了该框架的实际适用性。第 5 节检查了我们工作的局限性并讨论了它们对未来研究的影响。最后，第 6 节总结了本文。

章节片段
嵌入式系统中的固件
固件是嵌入在硬件设备中的低级软件，用于管理与物理组件的控制和通信。与通用软件不同，它存储在 NOR 或 NAND 闪存等非易失性存储器中，并在启动期间由处理器直接执行。在资源受限的情况下运行，固件与其硬件平台紧密耦合，常见于 ARM Cortex-M 和 MIPS 等架构。它通常包括引导程序、设备驱动程序以及

FirmAware 框架
本节介绍了 FirmAware 框架，这是一种用于解密加密固件的系统性多阶段方法。FirmAware 不是提出一个独立的工具，而是提供分析技术的战略编排，这些技术按优先级顺序排列，以在最小化资源支出的同时最大化解密成功率。
为了确保既定实践与我们原创贡献之间的清晰区分，我们将框架的组件分为三个级别：集成，

实证应用与发现
为了验证 FirmAware 框架的实际有效性和可扩展性，本节提出了针对多样化嵌入式设备的实证评估。主要目标是展示所提出的多阶段解密策略和跨案例扩展逻辑如何应用于现实世界的加密固件以发现关键密码工件。
评估使用为本研究开发的两个主要工具进行：FirmScrap [21]，一个自定义爬虫，用于

讨论
在本节中，我们检查了本研究过程中遇到的几个局限性，并讨论了可能影响我们方法在更广泛背景下应用的实际考虑因素和安全含义。
所提出框架的一个主要局限性是它对特定供应商固件演进模式的依赖。虽然过渡固件分类为许多供应商提供了有效的启发式方法，但它并非普遍适用于所有固件系列。

结论
在本文中，我们提出了 FirmAware，这是一个用于分析和解密加密固件的结构化多阶段方法框架。该框架提供了一个全面的工作流程，涵盖固件收集、加密镜像识别、解密相关工件提取以及获取知识的复用。
我们的实证评估表明，FirmAware 可以有效扩大固件分析的范围；值得注意的是，我们的跨案例扩展分析揭示了一个

CRediT 作者贡献声明
李哲韩（Chulhan Lee）：写作 – 初稿，软件，方法，调查，数据整理。呼奇民（Gimin Hur）：写作 – 审查与编辑，验证，方法，调查。郑秀恩（Sueun Jung）：写作 – 审查与编辑，验证，方法，调查。尹智勋（Jihun Joun）：写作 – 审查与编辑，验证，项目管理，方法。朴正云（Jungheum Park）：写作 – 审查与编辑，监督，项目管理，方法，资金获取，概念化。

竞争利益声明
作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能看起来影响了本文中报告的工作。

李哲韩（Chulhan Lee）|呼奇民（Gimin Hur）|郑秀恩（Sueun Jung）|尹智勋（Jihun Joun）|朴正云（Jungheum Park）
韩国大学网络安全学院，韩国首尔