How to Root your Android smartphone — quick and easy-to-follow steps

Постановка задачи

Итак, представим ситуацию, мы – злоумышленник, получивший на некоторое время в свои руки смартфон. Устройство – смартфон на базе android с разблокированным загрузчиком. Устройство имеет встроенное шифрование хранилища, его тип – аппаратный, т. ключи хранятся в TEE. Устройство заблокировано, для разблокировки необходимо ввести пин-код. Причём устройство находится в BFU (before-first-unlock) состоянии, это значит, что после включения устройства код разблокировки не вводился ни разу и файловая система зашифрована. На устройстве не включен режим отладки и подключиться по adb к нему невозможно. В нём содержатся данные, которые нам необходимо изъять. Устройство нужно будет вернуть владельцу, неповреждённое, в рабочем состоянии, причём владельцу не должно бросаться в глаза что его устройство было скомпрометировано.

Звучит как невыполнимая задача, и так бы оно и было, если бы нам любезно не открыл дверь сам владелец. Современные смартфоны очень хороши с точки зрения безопасности. Возможная поверхность атаки у них крайне мала. В последних версиях ОС android сделано очень многое для защиты данных пользователей. Защита системы выстроена в несколько уровней. Данные шифруются, подписи проверяются, ключи хранятся аппаратно. Везде используется подход «least privilege» – запрещено всё что не разрешено. Приложения работают в рамках серьёзных ограничений. Можно смело утверждать, что современные смартфоны являются одними из лучших примеров безопасных устройств, которые создавал человек.

Если пользователь не совершает явно странные действия вроде скачивания странных apk со странных ресурсов и не выдаёт им явно руками привилегий администратора устройства, то навредить пользователю или украсть его данные довольно затруднительно. И даже эти проблемы являются скорее не дырами в безопасности системы, а следствием свободы, которую android предоставляет пользователям, однако не все распоряжаются ей правильно. Прошли времена, когда безопасность android была поводом для шуток. На сайте известного брокера эксплоитов, компании Zerodium, FCP — full-chain with persistence или полная цепочка удалённой эксплуатации устройства с закреплением в системе в настоящий момент является самым дорогим эксплоитом, за который компания готова выложить до двух с половиной миллионов долларов.

Разблокированный загрузчик роняет уровень сложности этой задачи от невозможного до тривиального. Почему-то тема опасности открытых загрузчиков поднимается довольно редко, и, мне кажется, её значимость здорово недооценена, поэтому давайте разбираться.

Код с примером будет приведён довольно упрощённый и не в самом изощрённом варианте, но рабочий и явно демонстрирующий то, как именно это работает.

Все действия я проводил на устройствах на OnePlus 5T (он же dumpling по принятой в android device tree классификации) на стоковой OxygenOS и LineageOS с версиями соответствующими android 9 и 10, и XiaomiMI6 (он же sagit). Из-за этого некоторые нюансы структуры разделов, и выводы некоторых команд у вас могут отличаться, но общая суть происходящего не изменится.

Я буду часто ссылаться на ресурс source. android. com. Это примерно тоже самое что и developer. android. com но не для разработчиков приложений, а для разработчиков устройств. Там хорошо описана работа ОС, системных компонентов, и т. Очень рекомендую, вряд ли где-то можно найти более структурированную информацию по устройству системы.

Что же плохого происходит когда загрузчик разблокируется?

Загрузка системы начинается с загрузчика. Загрузчик – это небольшой бинарный компонент, который запускается непосредственно чипсетом и отвечает за загрузку и запуск ядра. Если в настольных дистрибутивах linux мы привыкли в основном к загрузчику grub, то на android смартфонах у нас загрузчиком является aboot. Процесс загрузки происходит следующим образом:

• На плату устройства подаётся питание
• Выполняется первичный загрузчик (primary bootloader, PBL). Он хранится в ПЗУ чипа. Он производит инициализацию памяти некоторого минимального набора для работы с железом, например с физическими кнопками устройства и партициями.
• Далее исполняется aboot. Он собирает информацию для того, чтобы понять что и как именно нужно запустить. На этом этапе он смотрит на флаги записанные в специальной памяти, на зажатые физические кнопки, и принимает решение в каком режиме продолжить загрузку системы: в штатном режиме, в режиме восстановления (recovery), в режиме прошивки (fastboot). Загрузчик может также загружать другие специальные режимы, которые зависят от конкретного чипа или устройства, например EDL на чипах Qualcomm который используется для экстренного восстановления устройства путём загрузки прошивки образа подписанного ключами Qualcomm публичная часть которых зашита внутрь чипа. Мы будем рассматривать штатный процесс загрузки.
• Некоторые устройства используют механизм seamless updates, его также называют A/B partitions. В этом случае загрузчик обязан выбрать правильный текущий слот для загрузки. Суть этого механизма в том что некоторые разделы представлены в двух экземплярах, например вместо обычного /system на устройстве будут /system_a и /system_b, вместо /vendor — /vendor_a и vendor_b. Цель этого — более быстрые и защищённые от окирпичивания устройства обновления системы, т.е. например вы загружены в систему используя слот A, вы собираетесь обновить устройство, выбираете соответсвующий пункт в настройках и продолжаете спокойно работать с системой. Пакет обновления скачивается, но вместо перезагрузки в специальный режим обновления и ожидания прошивки, оно сразу шьётся, но не на запущенную систему (это и не получится сделать) а в разделы второго слота B: /system_b, /vendor_b и, если необходимо, в другие. После прошивки система отмечает флаги что следующая загрузка системы должна быть штатной и должна использовать слот B и предлагает перезагрузиться. Вы перезагружаете устройство, загрузчик выбирает слот B и продолжает загрузку, всего через несколько секунд ожидания ваша новая ОС загружена, отмечаются флаги что загрузка прошла успешно, текущий образ системы работает, с ним всё хорошо, а значит можно продублировать текущую систему во второй слот. В случае если загрузка не закончится успехом, то система не поставит флаги об успехе и загрузчик поймёт что новая система не работает, нужно загрузиться в старый слот, повреждённое обновление на него не накачено и вы продолжите работать с устройством как ни в чём не бывало.
• Продолжается штатная загрузка. Загрузчик ищет в подключённых устройствах раздел /boot. Этот раздел содержит две необходимые для запуска системы составляющие: ядро ОС — kernel, и начальный образ файловой системы — initramfs (в android он практически везде называется ramdisk и я далее буду называть его именно так). Вот здесь начинают работать механизмы защиты ОС от модификации или наоборот, их работа отключается в том случае если наш загрузчик был разблокирован. При загрузке считается хэш сумма данных содержащихся в /boot разделе и сравнивается с эталонным хэшом который рассчитан и подписан приватным ключом производителя устройства в момент сборки системы, эта подпись должна быть успешно верифицирована AVB ключом хранящимся в TEE. В случае разблокированного загрузчика этой проверки не производится, т.е. система будет запускать любые ядро и ramdisk, даже если они не подписаны производителем устройства.
• Механизмы защиты продолжают работу. Далее проверяется что целостность загружаемого раздела с системой также не нарушена. Ramdisk хранит публичный ключ verity_key, приватной частью которого подписан корневой хэш в таблице dm-verity хешей для системного раздела. Осуществляется проверка подписи после чего происходит переход к загрузке системы. Если загрузчик нашего устройства разблокирован, то эта проверка также пропускается.

Таблица хэшей dm-verity

Весь этот процесс называется boot flow и отлично проиллюстрирован здесь:

У загрузки с avb может быть 4 конечных состояния, условно обозначаемых цветами:

• green state — загрузчик заблокирован, используется embedded root of trust, т.е. публичный ключ avb поставляется в аппаратном TEE. Целостность ядра и системы не нарушена. Никаких сообщений пользователю не показывается. Система загружается. Так происходит всегда когда мы пользуемся обычным, не модифицированным устройством.
• orange state — загрузчик разблокирован, root of trust игнорируется. Целостность ядра и системы не проверяется. Пользователю на 10 секунд показывается большой оранжевый предупреждающий знак и сообщается что целостность разделов устройства не проверяется, и система может быть модифицирована. После этого система загружается. Так происходит на устройствах с установленными root-правами или альтернативной сборкой ОС, именно этот случай нас интересует.
• red state — загрузчик заблокирован, используется любой root of trust, целостность системы нарушена при заблокированном загрузчике, либо система повреждена (что для dm-verity в общем-то одно и тоже, как описано в документации). Пользователю показывается сообщение о том, что система повреждена. Система не загружается.

Задача механизмов avb и dm-verity убедиться в том, что загружаемые ядро и система не были изменены и дошли до устройства пользователя в таком виде в каком их выпустил производитель устройства. Если пользователь решил установить root-права или альтернативную сборку ОС, то он неминуемо нарушит хэши партиций и чтобы система могла продолжить работу а не уходила сразу в «красное состояние» в котором откажется загружаться, ему придётся разблокировать загрузчик и с точки зрения avb перевести устройство в «оранжевое состояние» где android будет закрывать глаза на модификации системы. Этим пользуются и инструменты для получения root, и сторонние сборки, этим могут воспользоваться и злоумышленники, этим воспользуемся и мы.

Логическим следствием перехода в «оранжевое состояние» и отключения avb является возможность загружать образы с ядром не подписанные производителем устройства. Среди любителей модифицировать android самым популярным проектом такого рода является «Team Win Recovery Project» или просто TWRP. TWRP позволяет делать с устройством практически всё, в частности монтировать и модифицировать любые разделы не загружаясь в саму систему непосредственно. Именно эта возможность нам будет нужна для нашей задачи, но для начала надо разобраться с тем, как именно данные пользователя хранятся на устройстве.

Как устроено хранилище

Если мы посмотрим на структуру разделов на хранилище смартфона, то увидим что их на устройстве довольно много.

Большинство из них небольшие, и содержат, например, логотип производителя девайса, который отображается сразу после подачи питания на плату устройства. Есть раздел содержащий прошивку, работающую на baseband процессоре и отвечающую за мобильную связь, звонки и интернет по стандартам 2G, 3G, LTE и т. Есть разделы содержащие BLOBы необходимые для работы с некоторыми устройствами. Нас будет интересовать всего несколько разделов, содержание которых монтируется в файловую систему и напрямую используется во время работы ОС:

• Раздел boot содержит ядро операционной системы.
• Раздел system содержит саму операционную систему, все её исполняемые файлы, неизменяемые конфиги, системные библиотеки, android-фреймворк и другие jar файлы необходимые для работы виртуальной машины, в которой исполняются android приложения. Начиная с android 10 на многих устройствах вместо обычного system раздела используется раздел system-as-root, он отличается точкой монтирования, но его суть та же – он содержит файлы ОС.
• Раздел vendor содержит проприетарные компоненты ОС от производителя устройства. Например, драйвера Qualcomm и т д

Данные приложений, «internal storage», находятся по пути /data/data. В этой директории сложены директории-песочницы отдельных приложений, соответствующие их полным именам пакетов. Например:

drwx—— 8 u0_a69 u0_a69 4096 2021-01-29 13:31 com. google. android. youtube

Общее хранилище, «external storage», находится по пути /data/media/0, внешние SD-карты соответственно будут называться /data/media/1. Во время работы оно линкуется в /storage.

Как устроено шифрование хранилища

Для начала разберёмся как устроено шифрование хранилища, потому что это самое труднопреодолимое препятствие для изъятия данных. Шифрование применяется на уровне файловой системы. Существует два основных подхода к организации шифрования:

• FDE – full-device-encryption – полнодисковое шифрование. Это значит что всё устройство хранения зашифровано, и даже загрузка операционной системы невозможна до его расшифровки. Поэтому в этом случае владельцу устройства для работы с ним сначала, ещё до загрузки операционной системы, необходимо ввести ключ с помощью которого хранилище будет расшифровано и только потом произойдёт загрузка системы. Такой подход требовал «двойной» загрузки системы, сначала в минимальном варианте для показа формы ввода пароля, а потом в полноценном, после расшифровки хранилища. Он применялся на некоторых устройствах с версиями android 5-7, однако на современной версии ОС и современных устройствах не используется
• FBE – file-based-encryption – шифрование отдельных частей файловой системы. Применительно к android зашифрованы только те части системы, где хранятся данные пользователя. Незашифрованным остаются ядро, системный раздел, и т.д. Строго говоря, проще перечислить то, что зашифровано, а зашифрованы только /data/data и /data/media. Все остальные части системы остаются незашифрованными. Это позволяет операционной системе успешно загружаться до экрана авторизации пользователя, стартовать системные сервисы и accessibility сервисы, принимать SMS. Начиная с android 7 и переходом на FBE появилось Directboot API, которое даёт приложениям возможность запускаться и в ограниченном режиме работать до ввода кода разблокировки и расшифровки файловой системы. FBE позволяет сочетать высокие стандарты защиты данных в хранилище и отличный пользовательский опыт. Пользователь не отвлекается на ввод дополнительного пароля до запуска системы, система не тратит ресурсы на шифрование и расшифровку частей файловой системы где не содержится личных данных владельца. Это современный подход, который используется на современных устройствах и является обязательным для всех новых устройств, начиная с android 9.

• BFU (before first unlock) – до первого ввода кода разблокировки
• AFU (after first unlock) – после первого ввода кода разблокировки

До первого ввода кода разблокировки данные пользователя всегда зашифрованы, после первого ввода – всегда расшифрованы. Даже когда пользователь в дальнейшем нажимает кнопку питания или система сама уходит в сон, то данные, с точки зрения ОС, больше не переходят в зашифрованное состояние, теперь их защищает только экран блокировки. В android пока не предусмотрен механизм очищения ключей для расшифровки файловой системы из памяти после определённого периода неактивности.

Это значит, что если после того, как устройство было разблокировано хотя бы однажды подключиться к нему, например по adb, то пользовательские данные будут доступны и можно получить к ним доступ даже если экран заблокирован.

Вот так выглядит общее хранилище до первого ввода кода разблокировки:

# ls -la /data/media/0/
total 100
drwxrwx— 13 media_rw media_rw 4096 2021-01-29 10:45. drwxrwx— 4 media_rw media_rw 4096 2021-01-29 10:43. drwxrwxr-x 2 media_rw media_rw 4096 2021-01-29 10:43 3aIg6706qnt+JRerXQc,9B
drwxrwxr-x 2 media_rw media_rw 4096 2021-01-29 10:43 5RxSnwRfzXH5JsgykyuneB
drwxrwxr-x 2 media_rw media_rw 4096 2021-01-29 10:43 9QCg2626EAEHNRc,IpjzjC
drwxrwxr-x 2 media_rw media_rw 4096 2021-01-29 10:43 XLrhnulSzxYVPwgkHhs8YC
drwxrwxr-x 2 media_rw media_rw 4096 2021-01-29 10:45 ZC6kM5uXi6,coHL+OYgLCB
drwxrwxr-x 2 media_rw media_rw 4096 2021-01-29 10:43 kJJ0DN8Tmhcs7hicwcEZ3A
drwxrwxr-x 2 media_rw media_rw 4096 2021-01-29 10:43 mPaCm6PJHF9,MyimVTRozC
drwxrwxr-x 3 media_rw media_rw 4096 2021-01-29 10:43 qIkgta78EOvsfnjupFXQ+C
drwxrwxr-x 2 media_rw media_rw 4096 2021-01-29 10:43 uAP,C13tjXpxdP8PWVeMRD
drwxrwxr-x 2 media_rw media_rw 4096 2021-01-29 10:43 v33cOjp,wu+hlgBIWnQdjB
drwxrwxr-x 2 media_rw media_rw 4096 2021-01-29 10:43 xxjD9tk7bDh9XZUzoDwMbB

А вот так после:

# ls -la /data/media/0/
total 100
drwxrwx— 13 media_rw media_rw 4096 2021-01-29 10:45. drwxrwx— 4 media_rw media_rw 4096 2021-01-29 10:43. drwxrwxr-x 2 media_rw media_rw 4096 2021-01-29 10:43 Alarms
drwxrwxr-x 3 media_rw media_rw 4096 2021-01-29 10:43 Android
drwxrwxr-x 2 media_rw media_rw 4096 2021-01-29 10:43 DCIM
drwxrwxr-x 2 media_rw media_rw 4096 2021-01-29 10:43 Download
drwxrwxr-x 2 media_rw media_rw 4096 2021-01-29 10:43 Movies
drwxrwxr-x 2 media_rw media_rw 4096 2021-01-29 10:43 Music
drwxrwxr-x 2 media_rw media_rw 4096 2021-01-29 10:43 Notifications
drwxrwxr-x 2 media_rw media_rw 4096 2021-01-29 10:43 Pictures
drwxrwxr-x 2 media_rw media_rw 4096 2021-01-29 10:43 Podcasts
drwxrwxr-x 2 media_rw media_rw 4096 2021-01-29 10:43 Ringtones
drwxrwxr-x 2 media_rw media_rw 4096 2021-01-29 10:45 bluetooth

На самом деле, шифрование хранилища – самая трудно преодолимая часть нашей задачи по извлечению данных. Обойти шифрование с ключами в аппаратном ТЕЕ никак не представляется возможным, но зато из этой информации следует несколько полезных выводов, а наша задача начинает формироваться в конкретные технические требования.

• Во-первых, получать доступ к личным файлам пользователя в любом случае придётся только после ввода кода разблокировки.
• Во-вторых, разблокированный загрузчик даёт возможность переписывать системный раздел, а он никогда не зашифрован, даже в BFU состоянии.

Это подводит нас к мысли о том, что можно воспользоваться возможностью модифицировать никогда не шифруемую часть системы, внедрить в неё агента, который никак не затронет и не испортит зашифрованные данные, а в последствие даст нам доступ к ней после того как устройство будет возвращено пользователю и он сам первый раз введёт код разблокировки. Поскольку пользователь явно не будет вводить код разблокировки подключив устройство к нашему usb кабелю или находясь в нашей локальной сети, то использование adb нам не подходит и необходимо организовать удалённый доступ в формате reverse-shell.

Получение удалённого доступа

Для android существует популярная полезная нагрузка в Metasploit фреймворке которая теоретически может дать нам удалённый доступ к устройству – android/meterpreter/reverse_tcp, однако с ней есть проблемы:

• Она поставляется в виде обычного приложения. Мы технически не можем установить в android приложение в зашифрованное хранилище, плюс даже если бы могли, это явный шанс скомпрометировать себя, т.к. приложение будет видно в лаунчере и в списке установленных приложений в настройках, а если на устройстве пользователя установлено одно из антивирусных решений, то оно может задетектить его как вирус по публично доступным признакам. Мы можем пересобрать его изменив сигнатуры или даже внедрить в какое-нибудь другое приложение, но сути это не поменяет.
• Она была рассчитана на более старые версии android и часть её функций может не работать на современных версиях системы. Некоторые её возможности требуют подтверждения руками системных диалогов с разрешениями, некоторые просто не заведутся.
• Она работает как обычное непривилегированное приложение, а значит ни к чему особо доступ иметь не может. Если на системе нет root-прав, то мы сможем получить только файлы из общего хранилища и только после подтверждения пользователем диалога с разрешением что автоматически выдаст нас. Если на системе есть root-права, то получить их мы сможем только после явного подтверждения диалога с разрешением. Мы могли бы руками отредактировать базу данных magisk для внесения себя в список приложений которым доступен root и отключить для себя логирование и уведомления о предоставлении root-доступа, но для этого нам нужно отредактировать файл из внутренней директории приложения, а она зашифрована.
• Будучи обычным приложением она будет попадать под управление жизненным циклом, система в лучшем случае будет отправлять её в сон в doze-mode, в худшем – просто убьёт и перезапустить её будет некому. Умер процесс приложения – умер и процесс агента, поскольку является дочерним процессом приложения.

Для того, чтобы агент мог без проблем поддерживать себя постоянно запущенным, не отсвечивать в операционной системе и не попадать под регулирования и ограничения для установленных приложений, необходимо оформить его в виде системного сервиса — демона.

Для того, чтобы понять как именно это сделать, нужно вернуться к процессу загрузки системы, однако теперь мы верхнеуровнево рассмотрим оставшуюся её часть происходящую сразу после рассмотренного в начале boot flow, т. когда загрузчик загрузил раздел boot, отработал механизм verified boot и система получила добро на запуск:

• Ядро и ramdisk распаковывается в оперативную память, и загрузчик запускает ядро.
• Ядро стартует, инициализирует устройства, драйверы и т.д. и монтирует ramdisk в корень файловой системы. Ramdisk содержит минимальный набор файлов необходимых для запуска пользовательской части системы. Бинарник init, минимальный скрипт init.rc для него, точки монтирования разделов: /system, /vendor и др. и информацию об устройствах которые необходимо в них смонтировать. Вот тут описаны примеры содержания ramdisk для разных версий android.
• Далее процесс может проходить по нескольким сценариям, но в целом, конечная цель работы ядра на этапе загрузки – запустить исполняемый файл init, который продолжит загрузку системы уже не в пространстве ядра, а в пространстве пользователя.
• Первое что делает процесс init сразу после запуска — загружает скомпилированные политики SELinux и применяет их. SELinux — это механизм ядра для принудительного контроля доступа, пришедший в android из RedHat-подобных дистрибутивов. Мы ещё вернёмся к нему и рассмотрим его более подробно.
• Далее процесс init парсит скрипт init.rc из ramdisk, который содержит список действий которые необходимо совершить для успешной загрузки системы, а также какие ещё .rc скрипты необходимо загрузить. Android использует свой формат скриптов для загрузки компонентов системы.
• После отработки всех скриптов мы получаем полностью запущенную систему.

Судя по всему, для внедрения в систему в качестве демона нам потребуется подготовить исполняемый файл с полезной нагрузкой и описать системный сервис, который будет его вызывать.

Исходный init. rc импортирует дополнительные скрипты из нескольких директорий, в том числе и основного источника этих скриптов из системного раздела: /system/etc/init/. rc, поэтому мы подготовим свой скрипт и поместим его туда.

Синтаксис. rc скриптов несложный, он хорошо описан здесь, а ещё можно подглядеть в то, как именно он устроен просто заглянув в файлы в вышеупомянутой директории.

Подготовим описание нашего сервиса:

service revshell /system/bin/revshell
disabled
shutdown critical

on property:sys. boot_completed=1
start revshell

Укажем название сервиса revshell.

Путь к исполняемому файлу будет лежать в стандартной директории для бинарников в android. Агента мы поместим именно туда.

disabled означает то, что его не нужно загружать непосредственно в процессе загрузки системы сразу после обработки скрипта. Мы будем стартовать сервис специальным триггером, который ориентруется на объявление проперти sys. boot_completed.

shutdown critical означает то, что сервис критический и не должен убиваться даже при подаче сигнала о выключении системы.

План таков: система запустит нашего агента при загрузке до попадания на экран ввода кода разблокировки. Агент ожидает расшифровки файловой системы. После того как владелец устройства введёт код разблокировки, агент запускает reverse-shell и предоставляет нам доступ в систему с возможностью достать любые файлы.

На системный сервис не распространяются правила OOM-киллера и правила энергосбережения, он не будет остановлен если в системе заканчивается память, или она уснёт. В случае завершения процесса сервиса по любой причине, система будет его рестартовать не позднее чем через 5 секунд. Даже в случае если сервис не может запуститься и его процесс падает, система никогда на бросит попыток его запустить и будет продолжать делать это пока продолжает работать.

Выглядит как раз как то что нам нужно, однако тут нашим ожиданиям суждено встретиться с суровыми реальностями организации безопасности в android. Если мы попытаемся установить сервис подобным образом, то система его проигнорирует, а dmesg сообщит нам что-то похожее на это:

SELinux

Безопасность в android устроена сложнее чем хотелось бы злоумышленникам и представляет из себя многослойную систему. Unix DAC (discretionary access control), привычная нам система пользователей и назначения прав на файлы типа rwxrwxrwx является лишь частью мер по предотвращению злоупотребления операционной системой и устройством. Помимо неё есть ещё MAC (mandatory access control), в android это SELinux (Security Enhanced Linux). Суть MAC в возможности намного более гибко управлять доступом к различным ресурсам чем DAC, в том числе описывая для этого свои уникальные сущности и правила.

Уровни контроля доступа в android

Отсюда следует несколько неочевидный ранее вывод – на android root-права в привычном для других дистрибутивов linux понимании, т. когда uid пользователя в системе равен 0, вовсе не означают что мы можем делать всё что угодно. Несмотря на то, что процесс init запущен с uid=0, он не может запустить сторонний сервис. Дело в том что SELinux не оперирует понятиями системных пользователей и групп, и если какое-то действие не было явно разрешено, то он его запретит и ему безразлично пытается ли его совершить непривилегированный пользователь или root. Он работает «выше» DAC и может запретить любое действие, которое DAC разрешил.

Вот отличный пример в android с самим файлом, содержащим политики SELinux:

$ ls -laZ /sys/fs/selinux/policy
-r—r—r— 1 root root u:object_r:selinuxfs:s0 0 1970-01-01 03:00 /sys/fs/selinux/policy
$ cat /sys/fs/selinux/policy
cat: /sys/fs/selinux/policy: Permission denied

На нём стоит доступ для чтения для любых пользователей, но при попытке прочитать его мы получим Permission denied, потому что ни для процессов с контекстом u:r:shell:s0, ни для процессов с контекстом u:r:untrustedapp:s0 нет разрешения на чтение файлов u:objectr:selinuxfs:s0.

SELinux оперирует понятиями контекстов, которые присваиваются файлам и процессам, и правил взаимодействия между объектами принадлежащим разным контекстам. Наборы этих правил объединяются в политики. Они описываются в файлах *. te  в исходниках android, можно посмотреть примеры вот тут. Политики собираются на этапе сборки системы и, теоретически, не могут изменяться во время её работы, они компилируются в специальный бинарный формат, который уже использует система.

Контекст SELinux на процессах и файлах можно посмотреть, добавив к выполняемой команде флаг -Z. Например, для просмотра контекстов на файлах в текущей папке можно вызвать команду ls -laZ, а на процессах, соответсвенно, ps -efZ.

Как было упомянуто выше в секции про процесс загрузки системы, первое действие которое совершает процесс init – загружает и применяет политики SELinux, а одна из первых применяемых политик заключается в том что процессу с контекстом u:r:init:s0 запрещается делать transition в другой контекст. Политики SELinux специально строятся по принципу «запрещено всё что не разрешено», и создатели операционной системы, разумеется, позаботились о том, чтобы злоумышленник получивший возможность прописать запуск какого-то сервиса в автозапуск не смог это сделать. Контекст процесса init организован таким образом что он может запустить только те системные сервисы, для которых явно прописано разрешение на запуск во время загрузки системы, и после сборки системы это изменить нельзя.

SELinux может работает в трёх режимах:

• enforcing – все действия описываемые политиками логируются и принудительно следуют правилам, т.е. если действие явно не разрешено, то оно не будет выполнено
• permissive – все действия описываемые политиками логируются но не следуют правилам принудительно, т.е. даже если действие явно не разрешено, оно будет выполнено, несмотря на ругань в логах
• disabled – никакие действия не логируются и не ограничиваются

В нормально работающей системе android версии от 5. 0 SELinux всегда будет в режиме enforcing. Если по каким-то причинам он будет переведён в режим permissive, то пользователю ещё до ввода кода разблокировки покажут большое страшное уведомление об этом и о том что его система небезопасна. Мы точно не имеем права переводить SELinux в permissive режим, потому что это выдаст пользователю факт модификации его устройства, и он может предпочесть уничтожить данные.

В каждой версии android, начиная с 5 политики SELinux сильно ужесточаются и всё меньше и меньше всего остаётся разрешённым. Иронично, но начиная с android 8 даже если прошить в системный раздел исполняемый файл su и сделать его системным и принадлежащим root:root, он не сможет работать без специально назначенных ему политик.

Тем не менее инструменты для получения root-прав существуют, и они умеют обходить ограничения MAC, работать на самых свежих версиях android и даже на устройствах, которые помимо них дополнительно имеют отдельные механизмы контроля целостности системы (например устройства Samsung). Так как же тогда работает root в современных реалиях?

Как работают root-права?

Когда то, для установки root-прав достаточно было перемонтировать раздел system в режим чтения-записи и скопировать туда исполняемый файл su. Затем появилась необходимость думать также и о политиках SELinux, и об AVB. Сегодня для получения root-прав можно выделить два основных подхода, которые можно условно назвать «легальным» и «нелегальным».

Легальные root-права и LineageOS

На отладочных типах сборок отсутствует исполняемый файл su, а получение легального root-доступа на них осуществляется с помощью перезапуска демона adbd с помощью команды adb root. Технически это реализовано в виде простого условия в коде adb. При запуске демон adb всегда стартует от root, но в определённый момент дропает свои привилегии до shell. На нерелизных сборках получив команду adb root он не понижает свои привилегии до shell, а пользователь получает возможность полноценно работать от пользователя root. Специально для того, чтобы adb мог таким образом предоставить полноценный доступ к системе существует специальный контекст u:r:su:s0, который собирается и включается в политики если сборка не является релизной. Он до конца разрешает процессу adb всё что в обычном случае было бы запрещено SELinux.

Похожим образом «легально» root-права получает addonsu, который поставлялся вместе с LineageOS до версии 16 включительно (сейчас он deprecated). Он использует подход с записью исполняемого файла su в директорию /system/bin в разделе system, а также с демоном, который обладает заготовленным контекстом SELinux и может запускаться и останавливаться в зависимости от настроек системы и предоставлять доступ к оболочке с правами root если это разрешит делать пользователь. Тем не менее, с технической точки зрения, подход используется тот же самый. Разработчики LineageOS специально закладывают в исходный код правила для addonsu, они не знают, будет ли владелец пользоваться им или нет, но если всё-таки будет, то файлу su будут нужны эти политики, поэтому их вносят в *. te файлы в исходный код.

$ adb shell
$ su
# id
uid=0(root) gid=0(root) groups=0(root) context=u:r:sudaemon:s0

$ adb root
adbd cannot run as root in production builds

Мы не можем полагаться на то, что телефон с разблокированным загрузчиком будет и содержать LineageOS, и иметь включённый режим adb, к тому же контексту u:r:init:s0 запрещён transition в контекст u:r:su:s0, поэтому закрепиться в качестве системного демона подобным образом всё равно не получится, а значит для извлечения данных нам необходимо воспользоваться другим подходом.

Нелегальные root-права и magisk

Я назвал предыдущий подход к получению root-прав «легальным», потому что всё необходимое для этого было намеренно заложено в систему на этапе сборки. Совершенно иной подход использует инструмент для получения root-прав magisk, ставший, де-факто, стандартным инструментом для этих целей в сообществе любителей android. Magisk устанавливается на любые устройства, на любые сборки, на любые версии android, и не только на отладочные варианты сборки, но и на релизные, и даже на те устройства, на которых применяются дополнительные защиты от несанкционированного получения root-прав. Magisk по полной эксплуатирует разблокированный загрузчик и, по сути, совершает настоящий изощрённый взлом за что и будем его называть его «нелегальным». Для нас наиболее важно то, что magisk, по сути, делает всё тоже что хотим сейчас сделать мы. Он закрепляется в системе также, как хотим закрепиться мы, а значит, похоже, что нам с ним по пути.

Для начала постараемся выяснить как magisk получает root-права в рантайме. На устройстве выполняем:

Я сократил вывод команды ps только до тех значений, которые нас интересуют.

Во-первых, мы видим что magisk имеет специальный контекст для своих процессов — u:r:magisk:s0. Наша оболочка с root-правами имеет терминал pts/1 и запущена с этим контекстом. Это явно не встроенный в систему контекст, а значит magisk смог его отредактировать и внедрить дополнительные правила перед запуском процесса init. Поскольку, наши root-права работают, и мы действительно можем делать в системе всё что угодно, контекст u:r:magisk:s0 должен иметь как минимум все те же разрешения, которые прописаны для u:r:su:s0, а может и больше.

Во-вторых, magisk имеет свой демон запущенный в системе – magiskd, он породил наш процесс с рутовым шеллом, а значит именно через него magisk и даёт другим процессам доступ с оболочке с root-правами, этот демон (PID 658) порождён процессом init (PPID 1), т. запущен как системный сервис. Демон также работает в контексте u:r:magisk:s0.

Мы подключились по adb и получили шелл на устройстве, терминал pts/0. Видно что процесс sh имеет контекст u:r:shell:s0, PID 5473 и PPID 956 который равен значению PID adbd, а сам adbd уже был порождён процессом init.

Мы вызываем исполняемый файл su и видим что его контекст – u:r:magisk_client:s0, следовательно magisk использует отдельный контекст для того, чтобы знать какие именно исполняемые файлы могут запрашивать доступ к root-правам. Исполняемый файл провоцирует открытие окна подтверждения доступа к root-правам для обычного shell, оно находится в пакете приложения MagiskManager — com. topjohnwu. magisk, получив результатат magiskd (PID 658) породил нам нашу оболочку sh с новым терминалом pts/1 (PID 5708, PPID 658), от которой мы отнаследовали и пользователя root (uid=0), и всемогущий контекст u:r:magisk:s0.

Для нас интересно вот что: если init запускается со своим ограниченным со всех сторон контекстом u:r:init:s0 из которого разрешены transition’ы только в прописанные в *. te файлах контексты для системных служб, а демон маджиска имеет контекст u:r:magisk:s0, значит magisk смог внедрить правило разрешающее прямой transition из u:r:init:s0 в u:r:magisk:s0. Это значит что и мы можем использовать контекст u:r:magisk:s0 в своём сервисе!

Внедряемся в систему с установленными root-правами

Внесём небольшое изменение, добавим в описание нашего демона seclabel который определяет какой SELinux контекст должен назначить init для запущенного системного сервиса:

service revshell /system/bin/revshell
disabled
seclabel u:r:magisk:s0
shutdown critical

on property:sys. boot_completed=1
start revshell

Подготовим исполняемый файл для демона и соберём его под arm64.

Я использую именно такой подход для демонстрации работы, потому что так легко понять что сервис работает просто подключившись к logcat и почитав логи. Наш исполняемый файл работает следующим образом: запускается, скидывает в логи приветственное сообщение, далее он ожидает расшифровки хранилища, для этого он полагается на то что внутри директории с приватными хранилищами приложений появится запись содержащая строку «android», которая присутствует в имени пакета многих системных приложений, после этого он сбрасывает в логи запись о том что хранилище расшифровано и запускается reverse-shell, а дальше просто раз в пять секунд сбрасывает в логи сообщение о том что он запущен и работает.

Перезагрузимся в TWRP, смонтируем system и скопируем получившийся исполняемый файл в /system/bin/revshell, а скрипт демона в /system/etc/init/revshell

Перезагружаем устройство и начинаем слушать логи:

Когда система загрузилась, и показался экран ввода кода разблокировки видим в логах следующее:

01-31 23:42:07. 587 3589 3589 D revshell: Start successfull!
01-31 23:42:07. 588 3589 3589 D revshell: Signals are set to ignore
01-31 23:42:07. 588 3589 3589 D revshell: Hey I’m a revshell process!
01-31 23:42:07. 588 3589 3589 D revshell: My PID — 3589
01-31 23:42:07. 588 3589 3589 D revshell: My parent PID — 1
01-31 23:42:07. 588 3589 3589 D revshell: My UID — 0
01-31 23:42:07. 588 3589 3589 D revshell: Awaiting encrypted FS decryption now.

Отлично, хранилище ещё не расшифровано, но демон успешно запустился и работает, трюк с seclabel u:r:magisk:s0 сработал!

Вводим код разблокировки и видим в логах:

01-31 23:42:27. 597 3589 3589 D revshell: FS has been decrypted!
01-31 23:42:27. 597 3589 3589 D revshell: Starting reverse shell now
01-31 23:42:32. 597 3589 3589 D revshell: tick ! 25 seconds since process started
01-31 23:42:37. 598 3589 3589 D revshell: tick ! 30 seconds since process started
01-31 23:42:42. 599 3589 3589 D revshell: tick ! 35 seconds since process started
01-31 23:42:47. 600 3589 3589 D revshell: tick ! 40 seconds since process started

Посмотрим, через adb запущенные процессы и увидим там наш демон:

Он запущен процессом init, как системный сервис, убить его без root-прав мы не можем:

$ kill -9 3589
/system/bin/sh: kill: 3589: Operation not permitted

А убив его c root-правами, увидим что он тут же был перезапущен системой, потому что именно так система поступает с критическими системными сервисами:

Отлично. Это уже похоже на успех. У нас получилось внедрить исполняемый файл, который может открыть нам удалённый доступ к устройству прямо в смартфон с зашифрованным хранилищем. Мы смогли его запустить и нам не пришлось разблокировать смартфон, не пришлось ничего расшифровывать. Достаточно было знать об особенностях шифрования хранилища в смартфонах и о возможностях которые дал нам разблокированный загрузчик.

Однако пока что мы полагаемся на права, которые нам предоставил SELinux контекст маджиска, а для извлечения данных нам необходимо уметь запустить такой же демон, но на любом устройстве, в том числе на устройстве без root-прав.

How do I root my Android phone without an app?

You can root an Android device without using a computer through apps like KingRoot, FramaRoot, One Click Root, or Root Master. I have rooted my Android phone before to gain more control over it by using KingoRoot. It was surprisingly easy compared to the usual long drawn out rooting process