eSIM / Java Card VM Exploitation

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개요

Embedded SIMs (eSIMs)는 보안 요소 위에서 Java Card Virtual Machine (JC VM)을 실행하는 Embedded UICC (eUICC) 스마트카드로 구현됩니다. 프로필과 애플릿이 Remote SIM Provisioning (RSP)을 통해 over-the-air (OTA)로 프로비저닝될 수 있기 때문에, JC VM 내부의 어떤 메모리 안전성 결함도 즉시 핸드셋에서 가장 권한이 높은 컴포넌트 내부에서의 remote code-execution primitive가 됩니다.

이 페이지는 getfield 및 putfield 바이트코드의 타입 안전성 검사가 누락되어 Kigen의 eUICC (Infineon SLC37 ESA1M2, ARM SC300)가 실제로 완전히 탈취된 사례를 설명합니다. 동일한 기법은 on-card byte-code verification을 생략하는 다른 벤더에도 재사용될 수 있습니다.

공격 표면

1. Remote Application Management (RAM)
   eSIM 프로필은 임의의 Java Card applets를 포함할 수 있습니다. 프로비저닝은 표준 APDUs로 수행되며, 이는 SMS-PP (Short Message Service Point-to-Point) 또는 HTTPS를 통해 터널링될 수 있습니다. 공격자가 프로필의 RAM keys를 보유(또는 탈취)하면 원격으로 악성 애플릿을 INSTALL/LOAD할 수 있습니다.
2. Java Card byte-code execution
   설치 후 애플릿은 VM 내부에서 실행됩니다. 런타임 검사 누락은 메모리 손상(memory corruption)을 허용합니다.

2024–2025 ecosystem changes

• GSMA TS.48 v7.0 (18 Jun 2025) removed public RAM keysets from the Generic Test Profile and blocks INSTALL unless randomized keys are provided; cached v≤6 profiles still expose static RAM keys and remain exploitable.
• GSMA AN‑2025‑07 (09 Jul 2025) recommends on-card bytecode verification; most eUICCs still skip full verification so VM memory bugs stay reachable after applet install.
• Kigen OTA hardening (Jul 2025) blocks applet loading when legacy TS.48 test profiles are active and adds runtime checks, but unpatched devices stay vulnerable.

The Type-Confusion Primitive

getfield / putfield are supposed to operate only on object references. Kigen eUICC에서는 해당 명령들이 스택 상의 오퍼랜드가 object인지 array인지 검증하지 않습니다. array.length 워드는 일반 객체의 첫 번째 인스턴스 필드와 정확히 같은 오프셋에 있기 때문에, 공격자는 다음을 할 수 있습니다:

1. 바이트 배열 생성: byte[] buf = new byte[0x100];
2. 캐스트: Object o = (Object)buf;
3. putfield를 사용해 인접 객체 내부의 어떤 16비트 값이든 덮어씁니다(여기에는 VTABLE / ptr translation entries 포함).
4. 내부 포인터가 탈취되면 getfield를 사용하여 임의의 메모리를 읽습니다.

// Pseudo-bytecode sequence executed by the malicious applet
// buf = newarray byte 0x100
// o   = (Object) buf            // illegal but not verified
// putfield <victimObject+offset>, 0xCAFE // arbitrary write
// ... set up read-what-where gadgets ...

The primitive provides arbitrary read / write in the eUICC address space – enough to dump the device-unique ECC private key that authenticates the card to the GSMA ecosystem.

엔드 투 엔드 익스플로잇 워크플로우

1. 펌웨어 열거 – 문서화되지 않은 GET DATA 항목 DF1F 사용:

80 CA DF 1F 00   // → "ECu10.13" (vulnerable)

2. 악성 applet OTA 설치 – TS.48 Generic Test Profile의 공개된 키를 악용하고 CAP 파일을 전송하는 SMS-PP 조각을 푸시한 후 INSTALL 수행:

// simplified APDU chain
80 E6 02 00 <data>   // LOAD (block n)
80 E6 0C 00 <data>   // INSTALL for load

3. type-confusion 유발 – applet이 선택되면 write-what-where를 수행하여 포인터 테이블을 하이재킹하고 정상 APDU 응답을 통해 메모리를 leak합니다.
4. GSMA certificate key 추출 – Private EC key는 applet의 RAM으로 복사되어 청크 단위로 반환됩니다.
5. eUICC 가장 – 탈취한 키 페어와 인증서를 사용하면 공격자는 정당한 카드로서 any RSP 서버에 인증할 수 있습니다(일부 통신사에서는 여전히 EID 바인딩이 필요할 수 있음).
6. 프로파일 다운로드 및 수정 – 평문 프로파일에는 OPc, AMF, OTA keys 및 추가 applet 등 매우 민감한 필드가 포함되어 있습니다. 공격자는 다음을 수행할 수 있습니다:

• 프로파일을 두 번째 eUICC로 복제(voice/SMS hijack);
• 재업로드하기 전에 Java Card 애플리케이션을 패치(예: STK spyware 삽입);
• 대규모 악용을 위해 운영자 비밀을 추출.

Cloning / Hijacking Demonstration

PHONE A와 PHONE B에 동일한 프로파일을 설치하면 Mobile Switching Centre가 가장 최근에 등록된 기기로 들어오는 트래픽을 라우팅합니다. Gmail 2FA SMS를 한 세션만 가로채도 피해자의 MFA를 우회하기에 충분합니다.

자동화된 테스트 및 익스플로잇 툴킷

연구자들은 bsc (Basic Security Check) 명령을 포함한 내부 도구를 공개했으며, 이 명령은 Java Card VM이 취약한지 여부를 즉시 보여줍니다:

scard> bsc
- castcheck        [arbitrary int/obj casts]
- ptrgranularity   [pointer granularity/tr table presence]
- locvaraccess     [local variable access]
- stkframeaccess   [stack frame access]
- instfieldaccess  [instance field access]
- objarrconfusion  [object/array size field confusion]

Modules shipped with the framework:

• introspector – full VM and memory explorer (~1.7 MB Java)
• security-test – generic verification bypass applet (~150 KB)
• exploit – 100 % reliable Kigen eUICC compromise (~72 KB)

완화 조치

1. 카드 내 byte-code verification – stack-top만이 아니라 전체 control-flow & data-flow type tracking을 적용하도록 강제.
2. 배열 헤더 숨기기 – 겹치는 객체 필드 밖에 length를 배치.
3. RAM 키 정책 강화 – 공개 키가 포함된 프로파일을 절대 출고하지 않음; 테스트 프로파일에서 INSTALL 비활성화( TS.48 v7은 RAM keysets 제거 ).
4. RSP 서버 측 heuristics – EID별 프로파일 다운로드 속도 제한, 지리적 이상 징후 모니터링, 인증서 최신성 검증.
5. 장치를 레거시 테스트 프로파일에서 분리 유지 – TS.48 v≤6으로 applet 로딩을 차단하는 2025년 7월 OTA를 적용하거나 공장 이미지에서 테스트 프로파일 제거.

Pentesters를 위한 빠른 체크리스트

• Query GET DATA DF1F – 취약한 펌웨어 문자열 ECu10.13은 Kigen을 나타냄.
• 로드된 프로파일 검사: static RAM keys가 있는 TS.48 테스트 프로파일(v≤6)은 직접적으로 악용 가능; RAM keys가 없는 v7은 새로운 key leak이 필요.
• RAM keys가 알려져 있는지 확인 ‑> OTA INSTALL/LOAD 시도.
• applet 설치 후, brute-force simple cast primitive (objarrconfusion).
• Security Domain 개인 키를 읽어 시도 – 성공 = full compromise.

References

• Security Explorations – eSIM security
• GSMA TS.48 Generic Test Profile v7.0
• GSMA AN-2025-07 Preventing misuse of an eUICC Profile
• The Hacker News – eSIM vulnerability in Kigen eUICC (July 2025)
• Java Card VM Specification 3.1

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