macOS Code Signing

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Informations de base

Mach O Entitlements And Ipsw Indexing

Les binaires Mach-o contiennent une commande de chargement appelée LC_CODE_SIGNATURE qui indique le décalage et la taille des signatures à l'intérieur du binaire. En fait, en utilisant l'outil GUI MachOView, il est possible de trouver, à la fin du binaire, une section appelée Code Signature avec ces informations :

L'en-tête magique de la Code Signature est 0xFADE0CC0. Ensuite vous avez des informations telles que la longueur et le nombre de blobs du superBlob qui les contient.
Il est possible de trouver ces informations dans le source code here:

/*
* 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)));

Les blobs couramment présents sont Code Directory, Requirements et Entitlements ainsi qu'une Cryptographic Message Syntax (CMS).
De plus, notez que les données encodées dans les blobs le sont en Big Endian.

De plus, les signatures peuvent être détachées des binaires et stockées dans /var/db/DetachedSignatures (utilisé par iOS).

Code Directory Blob

Il est possible de trouver la déclaration du Code Directory Blob dans le 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)));

Notez qu'il existe différentes versions de cette struct, les anciennes pouvant contenir moins d'informations.

Signature des pages de code

Le hachage du binaire complet serait inefficace et même inutile s'il n'est chargé en mémoire que partiellement. Par conséquent, la signature du code est en réalité un hachage de hachages où chaque page binaire est hachée individuellement.
En fait, dans le précédent Code Directory, vous pouvez voir que la taille de page est spécifiée dans l'un de ses champs. De plus, si la taille du binaire n'est pas un multiple de la taille d'une page, le champ CodeLimit précise où se termine la signature.

# 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

Notez que les applications peuvent aussi contenir un entitlement blob où tous les entitlements sont définis. De plus, certains binaires iOS peuvent avoir leurs entitlements spécifiés dans le slot spécial -7 (au lieu du slot spécial -5 pour les entitlements).

Slots spéciaux

Les applications MacOS n'ont pas tout ce dont elles ont besoin pour s'exécuter uniquement à l'intérieur du binaire ; elles utilisent aussi des external resources (généralement à l'intérieur du bundle de l'application). Par conséquent, il existe des slots dans le binaire qui contiendront les hashes de certaines ressources externes intéressantes pour vérifier qu'elles n'ont pas été modifiées.

En pratique, il est possible de voir dans les Code Directory structs un paramètre appelé nSpecialSlots indiquant le nombre de slots spéciaux. Il n'existe pas de slot spécial 0 et les plus courants (de -1 à -6) sont :

• Hachage de info.plist (ou celui dans __TEXT.__info__plist).
• Hachage des Requirements
• Hachage du Resource Directory (hachage du fichier _CodeSignature/CodeResources à l'intérieur du bundle).
• Spécifique à l'application (non utilisé)
• Hachage des entitlements
• Uniquement pour les signatures de code DMG
• Entitlements DER

Flags de signature de code

Chaque processus a associé un bitmask connu sous le nom de status qui est initialisé par le kernel et dont certains bits peuvent être remplacés par la code signature. Ces flags qui peuvent être inclus dans la code signing sont définis dans le code:

/* 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)

Notez que la fonction exec_mach_imgact peut également ajouter dynamiquement les flags CS_EXEC_* lors du démarrage de l'exécution.

Exigences de signature de code

Chaque application contient certaines exigences qu'elle doit satisfaire pour pouvoir être exécutée. Si les exigences contenues par l'application ne sont pas satisfaites, elle ne sera pas exécutée (car elle a probablement été altérée).

Les exigences d'un binaire utilisent une grammaire spéciale qui est un flux d'expressions et sont encodées en blobs en utilisant 0xfade0c00 comme valeur magique dont le hachage est stocké dans un emplacement de code spécial.

Les exigences d'un binaire peuvent être affichées en exécutant :

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

De plus, il est possible de générer certaines exigences compilées en utilisant l'outil 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
[...]

Il est possible d'accéder à ces informations et de créer ou modifier des Requirements via certaines APIs de Security.framework, par exemple :

Checking Validity

• Sec[Static]CodeCheckValidity: Vérifie la validité d'un SecCodeRef par rapport à un Requirement.
• SecRequirementEvaluate: Valide un Requirement dans le contexte d'un certificat.
• SecTaskValidateForRequirement: Valide une SecTask en cours d'exécution contre un Requirement de type CFString.

Creating and Managing Code Requirements

• SecRequirementCreateWithData: Crée un SecRequirementRef à partir de données binaires représentant le Requirement.
• SecRequirementCreateWithString: Crée un SecRequirementRef à partir d'une expression string du Requirement.
• SecRequirementCopy[Data/String]: Récupère la représentation binaire d'un SecRequirementRef.
• SecRequirementCreateGroup: Crée un Requirement pour l'appartenance à un app-group.

Accessing Code Signing Information

• SecStaticCodeCreateWithPath: Initialise un objet SecStaticCodeRef à partir d'un chemin de système de fichiers pour inspecter les signatures de code.
• SecCodeCopySigningInformation: Obtient les informations de signature depuis un SecCodeRef ou un SecStaticCodeRef.

Modifying Code Requirements

• SecCodeSignerCreate: Crée un objet SecCodeSignerRef pour effectuer des opérations de code signing.
• SecCodeSignerSetRequirement: Définit un nouveau Requirement que le signataire appliquera lors du signing.
• SecCodeSignerAddSignature: Ajoute une signature au code en cours de signature avec le signataire spécifié.

Validating Code with Requirements

• SecStaticCodeCheckValidity: Valide un objet de code statique contre des Requirements spécifiés.

Additional Useful APIs

• SecCodeCopy[Internal/Designated]Requirement: Get SecRequirementRef from SecCodeRef
• SecCodeCopyGuestWithAttributes: Crée un SecCodeRef représentant un objet de code basé sur des attributs spécifiques, utile pour le sandboxing.
• SecCodeCopyPath: Récupère le chemin du système de fichiers associé à un SecCodeRef.
• SecCodeCopySigningIdentifier: Obtient l'identifiant de signature (par ex. Team ID) depuis un SecCodeRef.
• SecCodeGetTypeID: Renvoie l'identifiant de type pour les objets SecCodeRef.
• SecRequirementGetTypeID: Obtient un CFTypeID d'un SecRequirementRef.

Code Signing Flags and Constants

• kSecCSDefaultFlags: Flags par défaut utilisés dans de nombreuses fonctions de Security.framework pour les opérations de code signing.
• kSecCSSigningInformation: Flag utilisé pour spécifier que les informations de signature doivent être récupérées.

Application de la vérification des signatures de code

Le noyau est celui qui vérifie la signature du code avant d'autoriser l'exécution du code de l'application. De plus, une manière de pouvoir écrire et exécuter en mémoire du nouveau code est d'abuser du JIT si mprotect est appelé avec le flag MAP_JIT. Notez que l'application a besoin d'un entitlement spécial pour pouvoir le faire.

cs_blobs & cs_blob

cs_blob struct contient les informations sur l'entitlement du processus en cours. csb_platform_binary informe également si l'application est un platform binary (ce qui est vérifié à différents moments par l'OS pour appliquer des mécanismes de sécurité, par exemple pour protéger les SEND rights vers les task ports de ces processus).

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
};

Références

• *OS Internals Volume III