Titan M安全芯片漏洞分析与利用技术详解

1. Titan M安全芯片概述

Titan M是谷歌自Pixel 3起在其智能手机中引入的安全芯片，主要特性包括：

• 独立的片上系统(SoC)，通过SPI总线与应用处理器通信
• 基于嵌入式控制器(EC)的轻量级开源操作系统
• 静态内存布局，无动态内存分配(无堆)
• 内存保护单元(MPU)防止同一内存区域同时具有写和执行权限
• 安全启动机制，加载固件前执行签名检查
• 仅使用堆栈canary作为基本防护，缺乏现代漏洞缓解技术

2. 漏洞发现方法

2.1 黑盒模糊测试

• 使用自定义客户端nosclient直接与芯片通信
• 通过返回码推断芯片状态
• 使用libprotobuf-mutator变异Protobuf消息
• 对非Protobuf消息使用Radamsa生成测试用例
• 优点：设置简单，真实环境测试
• 缺点：只能检测导致崩溃的漏洞，测试覆盖有限

2.2 基于仿真的模糊测试

• 使用Unicorn仿真器引擎和AFL++框架
• 模拟执行固件指令，提供覆盖率反馈
• 自定义变异器和钩子函数
• 针对Keymaster、Identity和Weaver任务进行测试
• 挑战：
  • 硬件相关函数难以模拟
  • 只能检测导致仿真错误的漏洞
  • 缺乏完整系统仿真

3. CVE-2022-20233漏洞分析

3.1 漏洞细节

• 影响Keymaster任务的ImportKey功能
• 类型：单字节越界写
• 触发条件：处理带有DIGEST标签(0x20005)的KeyParameter时
• 漏洞代码特征：

  if (((nugget_app_keymaster_KeyParameter *)(offset + -1))->tag == 0x20005) {
      masked = *offset & 0xff;
      if ((4 < masked) || ((1 << masked & 0x15U) == 0)) {
          return 0x26;
      }
      *(undefined *)(buffer + *offset) = 1;  // 越界写漏洞
      *param_3 = *param_3 + 1;
      *param_4 = offset;
  }
  

• 写入限制：只能写入0x01，偏移量最低有效字节限制为0x0、0x2或0x4

3.2 漏洞利用条件

• 需要能够向芯片发送任意命令(root设备或物理访问SPI总线)
• 需要访问Android文件系统上的密钥块(root或绕过文件加密)

4. 漏洞利用开发

4.1 初始利用

• 通过特定偏移(0xa204)覆盖KEYMASTER_SPI_DATA结构中的指针
• 将默认指针0x192c8改为0x101c8，导致后续请求写入错误位置

4.2 UART控制台访问

• 方法1：使用SuzyQable调试电缆
• 方法2：焊接主板上的UART引脚
• 用途：获取调试日志，验证利用进展

4.3 执行流劫持

• 发送556字节载荷后放置有效地址可跳转到任意函数
• 推测覆盖了idle任务的返回地址

4.4 ROP利用

• 内存保护机制阻止直接执行shellcode
• 利用gadget链实现堆栈转移：

  sub sp, #0x20; 
  mov r4, r0; 
  ldr r3, [r0]; 
  add.w r5, r4, #0x70; 
  ldr r3, [r3, #8]; 
  blx r3;
  

• 多阶段ROP链：
  1. 多次抬升堆栈指针
  2. 替换Keymaster DestroyAttestationIds处理程序
  3. 在Keymaster堆栈上布置跳板gadget
  4. 最终ROP链实现内存读取

4.5 内存泄露原语

• 通过memcpy将目标内存复制到SPI响应缓冲区
• 绕过memcpy的0x0地址检查：直接跳转到复制操作的基本块

5. 攻击影响

5.1 可获取的敏感信息

• 芯片存储的所有秘密数据
• Boot ROM内容
• StrongBox保护的加密密钥

5.2 密钥泄露过程

1. 从Android系统读取密钥块
2. 发送包含密钥块的BeginOperation请求
3. 芯片解密密钥并存储到特定内存
4. 利用漏洞泄露内存中的明文密钥

5.3 实际攻击演示

• 创建StrongBox保护的AES密钥
• 使用密钥加密字符串
• 通过漏洞获取密钥并离线解密

6. 缓解措施

6.1 官方修复

• 谷歌在2022年6月Pixel安全更新中发布补丁

6.2 增强防护建议

• 使用身份验证绑定的密钥(KeyGenParameterSpec.setUserAuthenticationRequired(true))
• 密钥块使用用户密码派生的密钥进行二次加密

7. 研究总结

• 逆向工程Android与芯片通信协议
• 开发开源工具nosclient
• 通过黑盒和仿真模糊测试发现漏洞
• 利用静态内存布局等特性实现代码执行
• 突破StrongBox最高级别保护