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macOS Code Signing

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Informações Básicas

Os binários Mach-o contêm um comando de carregamento chamado LC_CODE_SIGNATURE que indica o offset e o tamanho das assinaturas dentro do binário. Na verdade, usando a ferramenta GUI MachOView, é possível encontrar no final do binário uma seção chamada Code Signature com essas informações:

O cabeçalho mágico da Assinatura de Código é 0xFADE0CC0. Então você tem informações como o comprimento e o número de blobs do superBlob que os contém. É possível encontrar essas informações no código-fonte aqui:

/*
* 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)));

Blobs comuns contidos são Diretório de Código, Requisitos e Direitos e uma Sintaxe de Mensagem Criptográfica (CMS). Além disso, note como os dados codificados nos blobs estão codificados em Big Endian.

Além disso, assinaturas podem ser destacadas dos binários e armazenadas em /var/db/DetachedSignatures (usado pelo iOS).

Blob do Diretório de Código

É possível encontrar a declaração do Blob do Diretório de Código no código:

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)));

Note que existem diferentes versões desta struct onde as antigas podem conter menos informações.

Páginas de Assinatura de Código

Hashing o binário completo seria ineficiente e até inútil se ele for carregado na memória apenas parcialmente. Portanto, a assinatura do código é na verdade um hash de hashes onde cada página binária é hashada individualmente. Na verdade, no código anterior do Diretório de Código, você pode ver que o tamanho da página é especificado em um de seus campos. Além disso, se o tamanho do binário não for um múltiplo do tamanho de uma página, o campo CodeLimit especifica onde está o final da assinatura.

# 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

Note que as aplicações podem também conter um entitlement blob onde todos os direitos são definidos. Além disso, alguns binários do iOS podem ter seus direitos específicos no slot especial -7 (em vez de no slot especial -5).

Special Slots

As aplicações do MacOS não têm tudo o que precisam para executar dentro do binário, mas também usam recursos externos (geralmente dentro do bundle das aplicações). Portanto, existem alguns slots dentro do binário que conterão os hashes de alguns recursos externos interessantes para verificar se não foram modificados.

Na verdade, é possível ver nas estruturas do Code Directory um parâmetro chamado nSpecialSlots que indica o número dos slots especiais. Não existe um slot especial 0 e os mais comuns (de -1 a -6) são:

  • Hash de info.plist (ou o que está dentro de __TEXT.__info__plist).

  • Hash dos Requisitos

  • Hash do Diretório de Recursos (hash do arquivo _CodeSignature/CodeResources dentro do bundle).

  • Específico da aplicação (não utilizado)

  • Hash dos direitos

  • Assinaturas de código DMG apenas

  • Direitos DER

Code Signing Flags

Cada processo tem um bitmask relacionado conhecido como status, que é iniciado pelo kernel e alguns deles podem ser substituídos pela assinatura de código. Essas flags que podem ser incluídas na assinatura de código são definidas no código:

/* 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)

Note que a função exec_mach_imgact também pode adicionar os flags CS_EXEC_* dinamicamente ao iniciar a execução.

Requisitos de Assinatura de Código

Cada aplicativo armazena alguns requisitos que deve satisfazer para poder ser executado. Se os requisitos do aplicativo não forem satisfeitos, ele não será executado (pois provavelmente foi alterado).

Os requisitos de um binário usam uma gramática especial que é um fluxo de expressões e são codificados como blobs usando 0xfade0c00 como o mágico cujo hash é armazenado em um slot de código especial.

Os requisitos de um binário podem ser vistos executando:

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

Observe como essas assinaturas podem verificar informações como certificação, TeamID, IDs, direitos e muitos outros dados.

Além disso, é possível gerar alguns requisitos compilados usando a ferramenta 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
[...]

É possível acessar essas informações e criar ou modificar requisitos com algumas APIs do Security.framework, como:

Verificando a Validade

  • Sec[Static]CodeCheckValidity: Verifica a validade do SecCodeRef por Requisito.

  • SecRequirementEvaluate: Valida o requisito no contexto do certificado.

  • SecTaskValidateForRequirement: Valida um SecTask em execução contra o requisito CFString.

Criando e Gerenciando Requisitos de Código

  • SecRequirementCreateWithData: Cria um SecRequirementRef a partir de dados binários representando o requisito.

  • SecRequirementCreateWithString: Cria um SecRequirementRef a partir de uma expressão de string do requisito.

  • SecRequirementCopy[Data/String]: Recupera a representação de dados binários de um SecRequirementRef.

  • SecRequirementCreateGroup: Cria um requisito para a associação de grupo de aplicativos.

Acessando Informações de Assinatura de Código

  • SecStaticCodeCreateWithPath: Inicializa um objeto SecStaticCodeRef a partir de um caminho do sistema de arquivos para inspecionar assinaturas de código.

  • SecCodeCopySigningInformation: Obtém informações de assinatura de um SecCodeRef ou SecStaticCodeRef.

Modificando Requisitos de Código

  • SecCodeSignerCreate: Cria um objeto SecCodeSignerRef para realizar operações de assinatura de código.

  • SecCodeSignerSetRequirement: Define um novo requisito para o signatário de código aplicar durante a assinatura.

  • SecCodeSignerAddSignature: Adiciona uma assinatura ao código que está sendo assinado com o signatário especificado.

Validando Código com Requisitos

  • SecStaticCodeCheckValidity: Valida um objeto de código estático contra requisitos especificados.

APIs Úteis Adicionais

  • SecCodeCopy[Internal/Designated]Requirement: Obter SecRequirementRef de SecCodeRef

  • SecCodeCopyGuestWithAttributes: Cria um SecCodeRef representando um objeto de código com base em atributos específicos, útil para sandboxing.

  • SecCodeCopyPath: Recupera o caminho do sistema de arquivos associado a um SecCodeRef.

  • SecCodeCopySigningIdentifier: Obtém o identificador de assinatura (por exemplo, Team ID) de um SecCodeRef.

  • SecCodeGetTypeID: Retorna o identificador de tipo para objetos SecCodeRef.

  • SecRequirementGetTypeID: Obtém um CFTypeID de um SecRequirementRef.

Flags e Constantes de Assinatura de Código

  • kSecCSDefaultFlags: Flags padrão usadas em muitas funções do Security.framework para operações de assinatura de código.

  • kSecCSSigningInformation: Flag usada para especificar que as informações de assinatura devem ser recuperadas.

Aplicação de Assinatura de Código

O kernel é quem verifica a assinatura de código antes de permitir que o código do aplicativo seja executado. Além disso, uma maneira de conseguir escrever e executar novo código na memória é abusar do JIT se mprotect for chamado com a flag MAP_JIT. Note que a aplicação precisa de um direito especial para poder fazer isso.

cs_blobs & cs_blob

cs_blob a struct contém as informações sobre o direito do processo em execução sobre ele. csb_platform_binary também informa se a aplicação é um binário de plataforma (o que é verificado em diferentes momentos pelo OS para aplicar mecanismos de segurança, como proteger os direitos de SEND para as portas de tarefa desses processos).

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
};

Referências

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