macOS Code Signing

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Basic Information

I file Mach-o contengono un comando di caricamento chiamato LC_CODE_SIGNATURE che indica l'offset e la dimensione delle firme all'interno del binario. In realtà, utilizzando lo strumento GUI MachOView, è possibile trovare alla fine del binario una sezione chiamata Code Signature con queste informazioni:

L'intestazione magica della Code Signature è 0xFADE0CC0. Poi hai informazioni come la lunghezza e il numero di blob del superBlob che le contiene. È possibile trovare queste informazioni nel codice sorgente qui:

/*
* Structure of an embedded-signature SuperBlob
*/

typedef struct __BlobIndex {
uint32_t type;                                  /* type of entry */
uint32_t offset;                                /* offset of entry */
} CS_BlobIndex
__attribute__ ((aligned(1)));

typedef struct __SC_SuperBlob {
uint32_t magic;                                 /* magic number */
uint32_t length;                                /* total length of SuperBlob */
uint32_t count;                                 /* number of index entries following */
CS_BlobIndex index[];                   /* (count) entries */
/* followed by Blobs in no particular order as indicated by offsets in index */
} CS_SuperBlob
__attribute__ ((aligned(1)));

#define KERNEL_HAVE_CS_GENERICBLOB 1
typedef struct __SC_GenericBlob {
uint32_t magic;                                 /* magic number */
uint32_t length;                                /* total length of blob */
char data[];
} CS_GenericBlob
__attribute__ ((aligned(1)));

Common blobs contained are Code Directory, Requirements and Entitlements and a Cryptographic Message Syntax (CMS). Moreover, note how the data encoded in the blobs is encoded in Big Endian.

Moreover, le firme possono essere staccate dai binari e memorizzate in /var/db/DetachedSignatures (utilizzato da iOS).

Code Directory Blob

It's possible to find the declaration of the Code Directory Blob in the code:

typedef struct __CodeDirectory {
uint32_t magic;                                 /* magic number (CSMAGIC_CODEDIRECTORY) */
uint32_t length;                                /* total length of CodeDirectory blob */
uint32_t version;                               /* compatibility version */
uint32_t flags;                                 /* setup and mode flags */
uint32_t hashOffset;                    /* offset of hash slot element at index zero */
uint32_t identOffset;                   /* offset of identifier string */
uint32_t nSpecialSlots;                 /* number of special hash slots */
uint32_t nCodeSlots;                    /* number of ordinary (code) hash slots */
uint32_t codeLimit;                             /* limit to main image signature range */
uint8_t hashSize;                               /* size of each hash in bytes */
uint8_t hashType;                               /* type of hash (cdHashType* constants) */
uint8_t platform;                               /* platform identifier; zero if not platform binary */
uint8_t pageSize;                               /* log2(page size in bytes); 0 => infinite */
uint32_t spare2;                                /* unused (must be zero) */

char end_earliest[0];

/* Version 0x20100 */
uint32_t scatterOffset;                 /* offset of optional scatter vector */
char end_withScatter[0];

/* Version 0x20200 */
uint32_t teamOffset;                    /* offset of optional team identifier */
char end_withTeam[0];

/* Version 0x20300 */
uint32_t spare3;                                /* unused (must be zero) */
uint64_t codeLimit64;                   /* limit to main image signature range, 64 bits */
char end_withCodeLimit64[0];

/* Version 0x20400 */
uint64_t execSegBase;                   /* offset of executable segment */
uint64_t execSegLimit;                  /* limit of executable segment */
uint64_t execSegFlags;                  /* executable segment flags */
char end_withExecSeg[0];

/* Version 0x20500 */
uint32_t runtime;
uint32_t preEncryptOffset;
char end_withPreEncryptOffset[0];

/* Version 0x20600 */
uint8_t linkageHashType;
uint8_t linkageApplicationType;
uint16_t linkageApplicationSubType;
uint32_t linkageOffset;
uint32_t linkageSize;
char end_withLinkage[0];

/* followed by dynamic content as located by offset fields above */
} CS_CodeDirectory
__attribute__ ((aligned(1)));

Nota che ci sono diverse versioni di questa struct dove quelle vecchie potrebbero contenere meno informazioni.

Pagine di Firma del Codice

Hashare il binario completo sarebbe inefficiente e persino inutile se viene caricato in memoria solo parzialmente. Pertanto, la firma del codice è in realtà un hash di hash dove ogni pagina binaria è hashata individualmente. In effetti, nel precedente codice Code Directory puoi vedere che la dimensione della pagina è specificata in uno dei suoi campi. Inoltre, se la dimensione del binario non è un multiplo della dimensione di una pagina, il campo CodeLimit specifica dove si trova la fine della firma.

# Get all hashes of /bin/ps
codesign -d -vvvvvv /bin/ps
[...]
CandidateCDHash sha256=c46e56e9490d93fe35a76199bdb367b3463c91dc
CandidateCDHashFull sha256=c46e56e9490d93fe35a76199bdb367b3463c91dcdb3c46403ab8ba1c2d13fd86
Hash choices=sha256
CMSDigest=c46e56e9490d93fe35a76199bdb367b3463c91dcdb3c46403ab8ba1c2d13fd86
CMSDigestType=2
Executable Segment base=0
Executable Segment limit=32768
Executable Segment flags=0x1
Page size=4096
-7=a542b4dcbc134fbd950c230ed9ddb99a343262a2df8e0c847caee2b6d3b41cc8
-6=0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
-5=2bb2de519f43b8e116c7eeea8adc6811a276fb134c55c9c2e9dcbd3047f80c7d
-4=0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
-3=0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
-2=4ca453dc8908dc7f6e637d6159c8761124ae56d080a4a550ad050c27ead273b3
-1=0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
0=a5e6478f89812c0c09f123524cad560a9bf758d16014b586089ddc93f004e39c
1=ad7facb2586fc6e966c004d7d1d16b024f5805ff7cb47c7a85dabd8b48892ca7
2=93d476eeace15a5ad14c0fb56169fd080a04b99582b4c7a01e1afcbc58688f
[...]

# Calculate the hasehs of each page manually
BINARY=/bin/ps
SIZE=`stat -f "%Z" $BINARY`
PAGESIZE=4096 # From the previous output
PAGES=`expr $SIZE / $PAGESIZE`
for i in `seq 0 $PAGES`; do
dd if=$BINARY of=/tmp/`basename $BINARY`.page.$i bs=$PAGESIZE skip=$i count=1
done
openssl sha256 /tmp/*.page.*

Entitlements Blob

Nota che le applicazioni potrebbero contenere anche un entitlement blob dove sono definiti tutti i diritti. Inoltre, alcuni binari iOS potrebbero avere i loro diritti specifici nello slot speciale -7 (invece che nello slot speciale -5).

Special Slots

Le applicazioni MacOS non hanno tutto ciò di cui hanno bisogno per eseguire all'interno del binario, ma utilizzano anche risorse esterne (di solito all'interno del bundle delle applicazioni). Pertanto, ci sono alcuni slot all'interno del binario che conterranno gli hash di alcune risorse esterne interessanti per verificare che non siano state modificate.

In realtà, è possibile vedere nelle strutture del Code Directory un parametro chiamato nSpecialSlots che indica il numero degli slot speciali. Non esiste uno slot speciale 0 e i più comuni (da -1 a -6) sono:

Hash di info.plist (o quello all'interno di __TEXT.__info__plist).
Hash dei Requisiti
Hash della Directory delle Risorse (hash del file _CodeSignature/CodeResources all'interno del bundle).
Specifico per l'applicazione (non utilizzato)
Hash degli entitlement
Solo firme di codice DMG
Entitlements DER

Code Signing Flags

Ogni processo ha associato un bitmask noto come status che è avviato dal kernel e alcuni di essi possono essere sovrascritti dalla firma del codice. Queste flag che possono essere incluse nella firma del codice sono definite nel codice:

/* code signing attributes of a process */
#define CS_VALID                    0x00000001  /* dynamically valid */
#define CS_ADHOC                    0x00000002  /* ad hoc signed */
#define CS_GET_TASK_ALLOW           0x00000004  /* has get-task-allow entitlement */
#define CS_INSTALLER                0x00000008  /* has installer entitlement */

#define CS_FORCED_LV                0x00000010  /* Library Validation required by Hardened System Policy */
#define CS_INVALID_ALLOWED          0x00000020  /* (macOS Only) Page invalidation allowed by task port policy */

#define CS_HARD                     0x00000100  /* don't load invalid pages */
#define CS_KILL                     0x00000200  /* kill process if it becomes invalid */
#define CS_CHECK_EXPIRATION         0x00000400  /* force expiration checking */
#define CS_RESTRICT                 0x00000800  /* tell dyld to treat restricted */

#define CS_ENFORCEMENT              0x00001000  /* require enforcement */
#define CS_REQUIRE_LV               0x00002000  /* require library validation */
#define CS_ENTITLEMENTS_VALIDATED   0x00004000  /* code signature permits restricted entitlements */
#define CS_NVRAM_UNRESTRICTED       0x00008000  /* has com.apple.rootless.restricted-nvram-variables.heritable entitlement */

#define CS_RUNTIME                  0x00010000  /* Apply hardened runtime policies */
#define CS_LINKER_SIGNED            0x00020000  /* Automatically signed by the linker */

#define CS_ALLOWED_MACHO            (CS_ADHOC | CS_HARD | CS_KILL | CS_CHECK_EXPIRATION | \
CS_RESTRICT | CS_ENFORCEMENT | CS_REQUIRE_LV | CS_RUNTIME | CS_LINKER_SIGNED)

#define CS_EXEC_SET_HARD            0x00100000  /* set CS_HARD on any exec'ed process */
#define CS_EXEC_SET_KILL            0x00200000  /* set CS_KILL on any exec'ed process */
#define CS_EXEC_SET_ENFORCEMENT     0x00400000  /* set CS_ENFORCEMENT on any exec'ed process */
#define CS_EXEC_INHERIT_SIP         0x00800000  /* set CS_INSTALLER on any exec'ed process */

#define CS_KILLED                   0x01000000  /* was killed by kernel for invalidity */
#define CS_NO_UNTRUSTED_HELPERS     0x02000000  /* kernel did not load a non-platform-binary dyld or Rosetta runtime */
#define CS_DYLD_PLATFORM            CS_NO_UNTRUSTED_HELPERS /* old name */
#define CS_PLATFORM_BINARY          0x04000000  /* this is a platform binary */
#define CS_PLATFORM_PATH            0x08000000  /* platform binary by the fact of path (osx only) */

#define CS_DEBUGGED                 0x10000000  /* process is currently or has previously been debugged and allowed to run with invalid pages */
#define CS_SIGNED                   0x20000000  /* process has a signature (may have gone invalid) */
#define CS_DEV_CODE                 0x40000000  /* code is dev signed, cannot be loaded into prod signed code (will go away with rdar://problem/28322552) */
#define CS_DATAVAULT_CONTROLLER     0x80000000  /* has Data Vault controller entitlement */

#define CS_ENTITLEMENT_FLAGS        (CS_GET_TASK_ALLOW | CS_INSTALLER | CS_DATAVAULT_CONTROLLER | CS_NVRAM_UNRESTRICTED)

Nota che la funzione exec_mach_imgact può anche aggiungere dinamicamente i flag CS_EXEC_* quando inizia l'esecuzione.

Requisiti di Firma del Codice

Ogni applicazione memorizza alcuni requisiti che deve soddisfare per poter essere eseguita. Se i requisiti dell'applicazione non sono soddisfatti dall'applicazione, non verrà eseguita (poiché probabilmente è stata alterata).

I requisiti di un binario utilizzano una grammatica speciale che è un flusso di espressioni e sono codificati come blob utilizzando 0xfade0c00 come magic il cui hash è memorizzato in uno slot di codice speciale.

I requisiti di un binario possono essere visualizzati eseguendo:

codesign -d -r- /bin/ls
Executable=/bin/ls
designated => identifier "com.apple.ls" and anchor apple

codesign -d -r- /Applications/Signal.app/
Executable=/Applications/Signal.app/Contents/MacOS/Signal
designated => identifier "org.whispersystems.signal-desktop" and anchor apple generic and certificate 1[field.1.2.840.113635.100.6.2.6] /* exists */ and certificate leaf[field.1.2.840.113635.100.6.1.13] /* exists */ and certificate leaf[subject.OU] = U68MSDN6DR

Nota come queste firme possono controllare informazioni come certificazione, TeamID, ID, diritti e molti altri dati.

Inoltre, è possibile generare alcuni requisiti compilati utilizzando lo strumento csreq:

# Generate compiled requirements
csreq -b /tmp/output.csreq -r='identifier "org.whispersystems.signal-desktop" and anchor apple generic and certificate 1[field.1.2.840.113635.100.6.2.6] /* exists */ and certificate leaf[field.1.2.840.113635.100.6.1.13] /* exists */ and certificate leaf[subject.OU] = U68MSDN6DR'

# Get the compiled bytes
od -A x -t x1 /tmp/output.csreq
0000000    fa  de  0c  00  00  00  00  b0  00  00  00  01  00  00  00  06
0000010    00  00  00  06  00  00  00  06  00  00  00  06  00  00  00  02
0000020    00  00  00  21  6f  72  67  2e  77  68  69  73  70  65  72  73
[...]

È possibile accedere a queste informazioni e creare o modificare requisiti con alcune API del Security.framework come:

Controllo della Validità

Sec[Static]CodeCheckValidity: Controlla la validità di SecCodeRef per Requisito.
SecRequirementEvaluate: Valida il requisito nel contesto del certificato.
SecTaskValidateForRequirement: Valida un SecTask in esecuzione contro il requisito CFString.

Creazione e Gestione dei Requisiti di Codice

SecRequirementCreateWithData: Crea un SecRequirementRef da dati binari che rappresentano il requisito.
SecRequirementCreateWithString: Crea un SecRequirementRef da un'espressione stringa del requisito.
SecRequirementCopy[Data/String]: Recupera la rappresentazione dei dati binari di un SecRequirementRef.
SecRequirementCreateGroup: Crea un requisito per l'appartenenza a un gruppo di app.

Accesso alle Informazioni di Firma del Codice

SecStaticCodeCreateWithPath: Inizializza un oggetto SecStaticCodeRef da un percorso del file system per ispezionare le firme del codice.
SecCodeCopySigningInformation: Ottiene informazioni di firma da un SecCodeRef o SecStaticCodeRef.

Modifica dei Requisiti di Codice

SecCodeSignerCreate: Crea un oggetto SecCodeSignerRef per eseguire operazioni di firma del codice.
SecCodeSignerSetRequirement: Imposta un nuovo requisito per il firmatario del codice da applicare durante la firma.
SecCodeSignerAddSignature: Aggiunge una firma al codice in fase di firma con il firmatario specificato.

Validazione del Codice con Requisiti

SecStaticCodeCheckValidity: Valida un oggetto di codice statico contro requisiti specificati.

API Utili Aggiuntive

SecCodeCopy[Internal/Designated]Requirement: Ottieni SecRequirementRef da SecCodeRef
SecCodeCopyGuestWithAttributes: Crea un SecCodeRef che rappresenta un oggetto di codice basato su attributi specifici, utile per il sandboxing.
SecCodeCopyPath: Recupera il percorso del file system associato a un SecCodeRef.
SecCodeCopySigningIdentifier: Ottiene l'identificatore di firma (ad es., Team ID) da un SecCodeRef.
SecCodeGetTypeID: Restituisce l'identificatore di tipo per oggetti SecCodeRef.
SecRequirementGetTypeID: Ottiene un CFTypeID di un SecRequirementRef.

Flag e Costanti di Firma del Codice

kSecCSDefaultFlags: Flag predefiniti utilizzati in molte funzioni del Security.framework per operazioni di firma del codice.
kSecCSSigningInformation: Flag utilizzato per specificare che le informazioni di firma devono essere recuperate.

Applicazione della Firma del Codice

Il kernel è quello che controlla la firma del codice prima di consentire l'esecuzione del codice dell'app. Inoltre, un modo per poter scrivere ed eseguire nuovo codice in memoria è abusare di JIT se mprotect viene chiamato con il flag MAP_JIT. Nota che l'applicazione ha bisogno di un diritto speciale per poterlo fare.

`cs_blobs` & `cs_blob`

cs_blob la struct contiene le informazioni sui diritti dell'entitlement del processo in esecuzione su di esso. csb_platform_binary informa anche se l'applicazione è un binario di piattaforma (che viene controllato in momenti diversi dal sistema operativo per applicare meccanismi di sicurezza come proteggere i diritti SEND alle porte di task di questi processi).

struct cs_blob {
struct cs_blob  *csb_next;
vnode_t         csb_vnode;
void            *csb_ro_addr;
__xnu_struct_group(cs_cpu_info, csb_cpu_info, {
cpu_type_t      csb_cpu_type;
cpu_subtype_t   csb_cpu_subtype;
});
__xnu_struct_group(cs_signer_info, csb_signer_info, {
unsigned int    csb_flags;
unsigned int    csb_signer_type;
});
off_t           csb_base_offset;        /* Offset of Mach-O binary in fat binary */
off_t           csb_start_offset;       /* Blob coverage area start, from csb_base_offset */
off_t           csb_end_offset;         /* Blob coverage area end, from csb_base_offset */
vm_size_t       csb_mem_size;
vm_offset_t     csb_mem_offset;
void            *csb_mem_kaddr;
unsigned char   csb_cdhash[CS_CDHASH_LEN];
const struct cs_hash  *csb_hashtype;
#if CONFIG_SUPPLEMENTAL_SIGNATURES
unsigned char   csb_linkage[CS_CDHASH_LEN];
const struct cs_hash  *csb_linkage_hashtype;
#endif
int             csb_hash_pageshift;
int             csb_hash_firstlevel_pageshift;   /* First hash this many bytes, then hash the hashes together */
const CS_CodeDirectory *csb_cd;
const char      *csb_teamid;
#if CONFIG_SUPPLEMENTAL_SIGNATURES
char            *csb_supplement_teamid;
#endif
const CS_GenericBlob *csb_entitlements_blob;    /* raw blob, subrange of csb_mem_kaddr */
const CS_GenericBlob *csb_der_entitlements_blob;    /* raw blob, subrange of csb_mem_kaddr */

/*
* OSEntitlements pointer setup by AMFI. This is PAC signed in addition to the
* cs_blob being within RO-memory to prevent modifications on the temporary stack
* variable used to setup the blob.
*/
void *XNU_PTRAUTH_SIGNED_PTR("cs_blob.csb_entitlements") csb_entitlements;

unsigned int    csb_reconstituted;      /* signature has potentially been modified after validation */
__xnu_struct_group(cs_blob_platform_flags, csb_platform_flags, {
/* The following two will be replaced by the csb_signer_type. */
unsigned int    csb_platform_binary:1;
unsigned int    csb_platform_path:1;
});

/* Validation category used for TLE */
unsigned int    csb_validation_category;

#if CODE_SIGNING_MONITOR
void *XNU_PTRAUTH_SIGNED_PTR("cs_blob.csb_csm_obj") csb_csm_obj;
bool csb_csm_managed;
#endif
};