macOS Code Signing

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Basic Information

Mach O Entitlements And Ipsw Indexing

I binari Mach-o contengono un load command chiamato LC_CODE_SIGNATURE che indica l'offset e la size delle signature all'interno del binario. In particolare, usando lo strumento GUI MachOView, è possibile trovare, alla fine del binario, una sezione chiamata Code Signature con queste informazioni:

L'header magico della Code Signature è 0xFADE0CC0. Seguono informazioni come la lunghezza e il numero di blob dello superBlob che li contiene.
È possibile trovare queste informazioni nel 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)));

I blob comuni contenuti sono Code Directory, Requirements e Entitlements e una Cryptographic Message Syntax (CMS).
Nota inoltre che i dati codificati nei blob sono in Big Endian.

Inoltre, le firme possono essere separate dai binari e memorizzate in /var/db/DetachedSignatures (usato da iOS).

Code Directory Blob

È possibile trovare la dichiarazione del 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 esistono diverse versioni di questa struct; quelle più vecchie potrebbero contenere meno informazioni.

Firma delle pagine di codice

Calcolare l'hash dell'intero binario sarebbe inefficiente e persino inutile se viene caricato solo parzialmente in memoria. Pertanto, la firma del codice è in realtà un hash di hash in cui ogni pagina del binario viene hashata individualmente.
In realtà, 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 termina la 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.*

Blob degli entitlements

Nota che le applicazioni potrebbero anche contenere un entitlement blob dove tutti gli entitlements sono definiti. Inoltre, alcuni binari iOS potrebbero avere i loro entitlements specificati nello special slot -7 (invece che nello special slot -5 per gli entitlements).

Slot speciali

Le applicazioni MacOS non contengono tutto il necessario per l'esecuzione all'interno del binario, ma usano anche external resources (di solito all'interno del bundle dell'applicazione). Pertanto, ci sono alcuni slot nel binario che conterranno gli hash di alcune risorse esterne interessanti per verificare che non siano state modificate.

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

• Hash di info.plist (o di quello dentro __TEXT.__info__plist).
• Hash dei Requirements
• Hash della Resource Directory (hash del file _CodeSignature/CodeResources all'interno del bundle).
• Specifico dell'applicazione (non usato)
• Hash degli entitlements
• Solo per le code signatures dei DMG
• DER Entitlements

Flag di code signing

Ogni processo ha associata una bitmask nota come status che è impostata dal kernel e alcune di esse possono essere sovrascritte dalla code signature. Questi flag che possono essere inclusi nella code signing sono definiti 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 i flag CS_EXEC_* dinamicamente quando viene avviata l'esecuzione.

Requisiti della firma del codice

Ogni applicazione memorizza alcune requirements che deve soddisfare per poter essere eseguita. Se le requirements contenute nell'applicazione non sono soddisfatte, non verrà eseguita (poiché probabilmente è stata alterata).

Le requirements di un binario usano una grammatica speciale che è uno stream di expressions e sono codificate come blob usando 0xfade0c00 come magic il cui hash è memorizzato in uno special code slot.

Le requirements di un binario possono essere visualizzate 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

Inoltre, è possibile generare alcuni requisiti compilati usando 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 i requisiti con alcune API di Security.framework, ad esempio:

Verifica della validità

• Sec[Static]CodeCheckValidity: Check the validity of SecCodeRef per Requirement.
• SecRequirementEvaluate: Validate requirement in certificate context
• SecTaskValidateForRequirement: Validate a running SecTask against CFString requirement.

Creazione e gestione dei requirement di codice

• SecRequirementCreateWithData: Creates a SecRequirementRef from binary data representing the requirement.
• SecRequirementCreateWithString: Creates a SecRequirementRef from a string expression of the requirement.
• SecRequirementCopy[Data/String]: Retrieves the binary data representation of a SecRequirementRef.
• SecRequirementCreateGroup: Create a requirement for app-group membership

Accesso alle informazioni sulla firma del codice

• SecStaticCodeCreateWithPath: Initializes a SecStaticCodeRef object from a file system path for inspecting code signatures.
• SecCodeCopySigningInformation: Obtains signing information from a SecCodeRef or SecStaticCodeRef.

Modifica dei requirement di codice

• SecCodeSignerCreate: Creates a SecCodeSignerRef object for performing code signing operations.
• SecCodeSignerSetRequirement: Sets a new requirement for the code signer to apply during signing.
• SecCodeSignerAddSignature: Adds a signature to the code being signed with the specified signer.

Validazione del codice con i requirement

• SecStaticCodeCheckValidity: Validates a static code object against specified requirements.

Altre API utili

• SecCodeCopy[Internal/Designated]Requirement: Get SecRequirementRef from SecCodeRef
• SecCodeCopyGuestWithAttributes: Creates a SecCodeRef representing a code object based on specific attributes, useful for sandboxing.
• SecCodeCopyPath: Retrieves the file system path associated with a SecCodeRef.
• SecCodeCopySigningIdentifier: Obtains the signing identifier (e.g., Team ID) from a SecCodeRef.
• SecCodeGetTypeID: Returns the type identifier for SecCodeRef objects.
• SecRequirementGetTypeID: Gets a CFTypeID of a SecRequirementRef

Flag e costanti per la firma del codice

• kSecCSDefaultFlags: Default flags used in many Security.framework functions for code signing operations.
• kSecCSSigningInformation: Flag used to specify that signing information should be retrieved.

Applicazione della firma del codice

Il kernel è colui che verifica la firma del codice prima di permettere l'esecuzione del codice dell'app. Inoltre, un modo per poter scrivere ed eseguire in memoria nuovo codice è abusare del JIT se mprotect viene chiamato con il flag MAP_JIT. Nota che l'applicazione necessita di un entitlement speciale per poterlo fare.

cs_blobs & cs_blob

cs_blob struct contiene le informazioni sugli entitlement del processo in esecuzione. csb_platform_binary informa inoltre se l'applicazione è una platform binary (che viene verificato in momenti diversi dal sistema operativo per applicare meccanismi di sicurezza, ad esempio per proteggere i diritti SEND sulle task ports 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
};

Riferimenti

• *OS Internals Volume III