佳能打印机DryOS操作系统代码分析与ShellCode利用技术文档

1. 概述

本文档详细分析佳能打印机DryOS操作系统的代码结构，并深入探讨如何利用其中的漏洞进行ShellCode攻击。文档基于对佳能Image CLASS MF644Cdw打印机的逆向工程研究，涵盖了从固件提取、漏洞分析到实际利用的全过程。

2. 启动加载器分析

2.1 固件提取方法

1. 硬件识别：通过观察印刷电路板识别W25Q16JV(16Mbit串行NOR Flash)芯片
2. 提取工具：使用SOP8夹和CH341A配合flashrom工具进行Flash内容提取
3. 二进制特征：提取的二进制不包含标准文件系统或可执行文件格式，但包含编译后的二进制代码

2.2 引导加载程序分析

1. 加载地址：二进制文件加载地址为0x10000000
2. 固件位置：实际固件存储在eMMC上的地址为0x1500000，映射到地址0x40b00000
3. 固件格式：以4字节标志头开始，可能进行混淆操作

2.3 固件反混淆算法

_BYTE *__fastcall NCFW_deobfuscate(_BYTE *data, unsigned int size, char offset)
{
  unsigned int i; // r3
  unsigned int tmp; // r4

  for ( i = 0; i < size; ++i )
  {
    tmp = (unsigned __int8)(data[i] - (offset + i) - 1);
    data[i] = ~((2 * tmp) | (tmp >> 7));
  }
  return data;
}

3. 固件分析

3.1 固件获取方法

1. HTTP代理捕获：通过打印机管理面板Web接口检查更新时捕获
2. 官方工具提取：从佳能支持网站的"MF643Cdw/MF641Cw固件更新工具"中提取
   • Windows: win-mf643-641-fw-v1005.exe
   • macOS: mac-mf643-641-fw-v1005-64.dmg

3.2 固件包结构

1. NCFW包：包含固件本身(134MB)、语言包(12MB)和DCON包(506KB)
2. NCA包：写入eMMC的数据块，包含目标地址、大小和版本信息
3. SIG包：包含加密签名数据
4. Mm包：包含其他NCA包的eMMC地址信息

3.3 DryOS操作系统特性

• 版本: DRYOS version 2.3, release #0059
• 基于日本µITRON实时操作系统规范
• 提供DryShell调试shell接口

4. 漏洞分析

4.1 攻击面识别

通过nmap扫描识别开放服务端口及相关DryOs任务：

4.2 CADM协议漏洞

4.2.1 漏洞位置

• 操作代码: 0x83 (密码检查)
• 函数: pjcc_act_checkUserPassword2 (0x4198ecf0)

4.2.2 漏洞数据结构

struct pjcc_checkpassword_payload {
    unsigned uint8_t type;
    unsigned uint8_t field_4;
    unsigned uint8_t buffer_len;
    unsigned uint8_t buffer[256];
    unsigned uint8_t salt[32];
    unsigned uint8_t salt_len;
    unsigned uint8_t hash[128];
    unsigned uint8_t hash_len;
};

4.2.3 漏洞代码分析

uint32_t pjcc_dec_ope_checkUserPassword2(int *a1, int a2, int *a3) {
    alloc = (pjcc_checkpassword_payload *)pjcc_zeroAlloc(428);
    // 未检查大小直接将数据复制到内联缓冲区
    v14 = pjcc_dec_ubyte(a1, &pjcc_checkpass_obj->buffer_len);
    v17 = pjcc_dec_buffer(a1, pjcc_checkpass_obj->buffer_len, 
                         (char *)pjcc_checkpass_obj->buffer, v15);
    // 其他类似的不安全复制操作...
}

5. 漏洞利用方法

5.1 DryOS分配器机制

1. 分配策略：最佳适合(best-fit)分配器
2. 数据结构：维护空闲块的单向链表，存储在0x45f17540
3. 分配过程：
   • 遍历freelist返回满足请求大小的第一个块
   • 如果剩余空间足够，分割当前块并创建新块
   • 从freelist中删除分配的块
4. 释放过程：
   • 按地址排序插入freelist
   • 与相邻空闲块合并

5.2 利用步骤

1. 堆分片：通过HTTPS请求创建特定的堆状态
2. 触发溢出：破坏已释放块的"next"字段(设置为0x44557b14)
3. 伪造块：利用大尺寸值和空指针构造伪造块
4. 强制分配：发送大的CADM回显数据包获取伪造块
5. 重写处理程序：将pjcc_act_echo处理程序指向shellcode

5.3 ShellCode实现

1. 帧缓冲区：映射到0x40900000，800x480分辨率，3字节/像素(RGB)
2. 网络函数：
   • netSocket (0x424bbfb4)
   • netConnect (0x424bc298)
   • netRecv (0x424bc554)
3. 注意事项：sockaddr_in结构中sin_family字段必须设置为0x100

6. 后期利用技术

1. 屏幕控制：通过修改帧缓冲区显示自定义图像
2. 任务处理：在无限循环中调用netRecv，允许DryOS执行任务上下文切换
3. 替代方案：创建适当的DryOs任务并恢复劫持的函数上下文

7. 防御建议

1. 输入验证：对所有输入数据进行严格的大小检查
2. 堆保护：实现堆元数据完整性检查
3. 地址随机化：启用ASLR等内存布局随机化技术
4. 代码签名：实施严格的代码签名验证机制
5. 协议加固：在关键协议中添加完整性校验

8. 工具与资源

1. IDA加载器：Synacktiv的Github仓库提供专用IDA加载器
2. 漏洞利用代码：可在Synacktiv的Github找到
3. 调试工具：Saleae逻辑分析仪、pyserial等

9. 总结

本文详细分析了佳能打印机DryOS操作系统中的安全漏洞，从固件提取、逆向工程到实际的堆溢出利用。通过深入研究DryOS的内存管理机制和网络协议实现，展示了如何利用CADM协议中的漏洞实现任意代码执行。此研究不仅揭示了嵌入式设备中常见的安全问题，也为类似设备的漏洞分析和防御提供了重要参考。