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macOS Kernel & System Extensions

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XNU内核

macOS的核心是XNU，代表“X不是Unix”。该内核基本上由Mach微内核（稍后将讨论）和来自伯克利软件发行版（BSD）的元素组成。XNU还通过名为I/O Kit的系统为内核驱动程序提供平台。XNU内核是达尔文开源项目的一部分，这意味着其源代码是免费可访问的。

从安全研究人员或Unix开发人员的角度来看，macOS可能会感觉与具有优雅GUI和大量自定义应用程序的FreeBSD系统非常相似。大多数为BSD开发的应用程序在macOS上编译和运行时无需修改，因为Unix用户熟悉的命令行工具都存在于macOS中。然而，由于XNU内核整合了Mach，因此传统的类Unix系统与macOS之间存在一些重要差异，这些差异可能会导致潜在问题或提供独特优势。

XNU的开源版本：https://opensource.apple.com/source/xnu/

Mach

Mach是一个微内核，旨在兼容UNIX。其关键设计原则之一是最小化在内核空间中运行的代码量，而是允许许多典型的内核功能，如文件系统、网络和I/O，以用户级任务的形式运行。

在XNU中，Mach负责许多内核通常处理的关键低级操作，如处理器调度、多任务处理和虚拟内存管理。

BSD

XNU 内核还整合了大量源自FreeBSD项目的代码。这些代码与Mach一起作为内核的一部分运行在相同的地址空间中。但是，XNU内部的FreeBSD代码可能与原始FreeBSD代码有很大不同，因为必须对其进行修改以确保与Mach的兼容性。FreeBSD对许多内核操作做出贡献，包括：

  • 进程管理

  • 信号处理

  • 基本安全机制，包括用户和组管理

  • 系统调用基础设施

  • TCP/IP堆栈和套接字

  • 防火墙和数据包过滤

理解BSD和Mach之间的交互可能会很复杂，因为它们具有不同的概念框架。例如，BSD使用进程作为其基本执行单元，而Mach基于线程运行。在XNU中，通过将每个BSD进程与包含一个Mach线程的Mach任务相关联来协调这种差异。当使用BSD的fork()系统调用时，内核中的BSD代码使用Mach函数创建任务和线程结构。

此外，Mach和BSD各自维护不同的安全模型：Mach的安全模型基于端口权限，而BSD的安全模型基于进程所有权。这两种模型之间的差异有时会导致本地特权升级漏洞。除了典型的系统调用外，还有Mach陷阱允许用户空间程序与内核交互。这些不同的元素共同构成了macOS内核的多面体混合架构。

I/O Kit - 驱动程序

I/O Kit是XNU内核中的一个开源、面向对象的设备驱动程序框架，处理动态加载的设备驱动程序。它允许将模块化代码动态添加到内核中，支持各种硬件。

pagemacOS IOKit

IPC - 进程间通信

pagemacOS IPC - Inter Process Communication

Kernelcache

Kernelcache是XNU内核的预编译和预链接版本，以及必要的设备驱动程序和内核扩展。它以压缩格式存储，并在引导过程中解压缩到内存中。Kernelcache通过提供一个准备就绪的内核版本和关键驱动程序，减少了在引导时动态加载和链接这些组件所需的时间和资源，从而实现更快的启动时间。

在iOS中，它位于**/System/Library/Caches/com.apple.kernelcaches/kernelcache，在macOS中，您可以使用find / -name kernelcache 2>/dev/null或mdfind kernelcache | grep kernelcache**找到它。

可以运行**kextstat**来检查加载的内核扩展。

IMG4

IMG4文件格式是苹果在其iOS和macOS设备中使用的容器格式，用于安全地存储和验证固件组件（如kernelcache）。IMG4格式包括一个头部和几个标签，这些标签封装了不同的数据部分，包括实际有效载荷（如内核或引导加载程序）、签名和一组清单属性。该格式支持加密验证，允许设备在执行之前确认固件组件的真实性和完整性。

通常由以下组件组成：

  • 有效载荷（IM4P）：

    • 通常是压缩的（LZFSE4、LZSS等）

    • 可选加密

  • 清单（IM4M）：

    • 包含签名

    • 附加键/值字典

  • 恢复信息（IM4R）：

    • 也称为APNonce

    • 防止某些更新的重放

    • 可选：通常找不到

解压Kernelcache:

# pyimg4 (https://github.com/m1stadev/PyIMG4)
pyimg4 im4p extract -i kernelcache.release.iphone14 -o kernelcache.release.iphone14.e

# img4tool (https://github.com/tihmstar/img4tool
img4tool -e kernelcache.release.iphone14 -o kernelcache.release.iphone14.e

内核缓存符号

有时苹果会发布带有符号的内核缓存。您可以通过访问https://theapplewiki.com上的链接下载带有符号的一些固件。

IPSW

这些是您可以从https://ipsw.me/下载的苹果固件。在其他文件中，它将包含内核缓存。 要提取文件，您只需将其解压缩。

提取固件后，您将获得一个类似于：kernelcache.release.iphone14的文件。它采用IMG4格式，您可以使用以下工具提取有趣的信息：

pyimg4 im4p extract -i kernelcache.release.iphone14 -o kernelcache.release.iphone14.e
img4tool -e kernelcache.release.iphone14 -o kernelcache.release.iphone14.e

您可以使用以下命令检查提取的内核缓存中的符号：nm -a kernelcache.release.iphone14.e | wc -l

有了这个，现在我们可以提取所有的扩展或者您感兴趣的一个：

# List all extensions
kextex -l kernelcache.release.iphone14.e
## Extract com.apple.security.sandbox
kextex -e com.apple.security.sandbox kernelcache.release.iphone14.e

# Extract all
kextex_all kernelcache.release.iphone14.e

# Check the extension for symbols
nm -a binaries/com.apple.security.sandbox | wc -l

macOS内核扩展

macOS对加载内核扩展（.kext）非常严格，因为该代码将以高特权运行。实际上，默认情况下几乎不可能加载内核扩展（除非找到了绕过方法）。

pagemacOS Kernel Extensions

macOS系统扩展

macOS创建了系统扩展，而不是使用内核扩展，它提供了用户级API与内核进行交互。这样，开发人员可以避免使用内核扩展。

pagemacOS System Extensions

参考资料

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