本篇我们与各位读者分享一些关于Loock Touch智能门锁的研究内容，该门锁由云丁科技公司出品，云丁科技是一家专注于研发和生产智能家居安全产品的公司，旗下有两大品牌，分别是针对家用市场的“鹿客”和针对公寓市场的“云丁”。Loock Touch是鹿客品牌的主打产品之一，其架构与云丁品牌的D2、D3智能门锁很相似，最新的鹿客旗舰产品是Loock Touch 2 Pro，其硬件架构与此前所有产品均不同，变化较大。
由于胖猴实验室一直和云丁科技有良好的合作关系，所以接下来的几篇的分析和讨论中，我们只对分析方法和研究过程做讨论，而不涉及任何有关漏洞的细节，这与此前的关于海康萤石智能网关的文章类似。
2.1 开锁流程分析
在之前的文章中，我们分析了果加智能门锁，链接为https://bbs.pediy.com/thread-259530.htm，在本次分析中我们依旧以BLE开锁为分析切入点。云丁鹿客的Loock Touch门锁同样可以通过手机BLE直接开锁，那么我们就从app的开锁流程开始分析。
应用市场中下载到的云丁鹿客智能门锁的配套app加了梆梆企业版的壳，脱壳之后可以看到该app打印出来的日志（脱壳不在本系列文章的讨论范畴中，分析iOS版也是可以的）。我们操作手机开启门锁后，app的日志中有这样几条记录吸引到了我们。图2-1 app开锁时打印的日志
根据上图中3个红框中的记录内容，我们可以推测开锁过程是基于Challenge/Response模式进行认证的，具体过程如下：
（1）app与门锁建立BLE连接后，当使用app开启门锁时，app会先下发一条通知指令，告知门锁准备进入开锁流程；
（2）随后门锁会向手机发送一组数字，称之为Challenge；
（3）app对Challenge进行处理生成Response并发送给门锁，门锁验证Response正确时，就会开锁。
我们对比了多次开锁时的app日志，发现每次开锁时第（1）步发送的通知指令仅有一个字节内容不同，如下图所示：
图2-2 通知指令对比
上图中，我们对比了3条通知指令，发现仅有第7个字节不同，在app封装数据包的代码段中，可以确定这个字节的含义是seqID，即数据包的序列号。因此我们可以推测这一条通知指令的作用类似于TCP协议中的SYN数据包，仅起到握手的作用，而门锁对手机的认证过程，主要是第（2）和第（3）步，那么接下来我们就分析一下app是如何处理Challenge并生成Response的。
2.2 Challenge的处理
2.2.1 Challenge处理流程分析
通过在代码中搜索日志内容，我们可以确定，app收到Challenge数据后，会由下图中的方法进行处理。上图中， handleCommand方法用于处理BLE返回数据，门锁返回的Challenge就作为参数传给了方法sendUnlockCommandNewProtocol，从参数和方法名称来看，这就是处理Challenge数据、生成Response并发送回门锁的方法。进一步查看代码，我们发现在sendUnlockCommandNewProtocol方法中，最终调用了下图中的encryptBleKeyNewProtocol方法对Challenge数据进行处理，该方法返回后的数据，添加包头后会被直接发送给门锁。
图2-4 对Challenge数据进行加密
上图中，参数arg13即为Challenge数据，可以看到该方法中使用了AES EBC加密，密钥是参数arg9，加密完成后使用密文又异或了一组固定数据。经过以上分析我们可以推测，开锁流程中，门锁对手机的认证依赖于图2-3中的AES EBC算法，即双方使用相同的密钥对Challenge进行加密和解密处理，仅当手机拥有正确的AES密钥才能通过认证开启门锁。那么开锁流程的安全性，就取决于门锁与手机使用的密钥是否安全了。
2.2.2 Challenge加密密钥的获取
图2-3中，加密密钥是参数arg9，通过对arg9的回溯可以确定，对Challenge进行加密的密钥通过resetBleToken方法获取，如下图所示。
resetBleToken方法中发出了一个http请求，收到返回的BleToken并进行处理后，会对一些变量进行赋值。图中的mBleKey是BleKeyInfo类型的变量，其token成员变量，就是2.2.1章节中Challenge数据的加密密钥。下文中，我们将以BleKey来代称这个加密密钥。
由以上分析可以知道，BleKey是app从服务器上请求到的，这里就有两种可能：（1）每次app与门锁建立通信时，都会请求一个Key并下发给门锁；
（2）当app与门锁建立通信时，如果没有可用的BleKey，才会向服务器发送请求。
为了验证以上推测，我们使用手机多次重复开启门锁，这样使手机和门锁反复建立通信，这时我们在app日志和抓取到的数据包中，都没有发现这个请求以及相关内容，可以判断app应该是本地保存了BleKey，而不需要从服务器获得了。
我们可以通过清空app缓存的方式，删除本地存储的BleKey，删除后app开锁时的日志发生了一些变化，如下图所示：
图2-6 删除app的蓝牙钥匙后app开启门锁时的日志
对比图2-6和图2-1中的日志内容，可以看到删除BleKey后，在开启门锁时先执行了resetBleToken，这和我们的分析吻合。这里我们注意到，resetBleToken之后，还有另外一条日志sendBleKeyCommandNewProtocol，这里是向门锁发送BleKey的方法，下面我们先继续手机获取BleKey这一过程的分析，手机向门锁下发BleKey的过程将在2.2.4节中分析。
与此同时，我们在fiddler中也抓到的对应的http请求，如下图所示：app收到返回的BleToken后，会使用AES CBC算法，对上图中红框内的secret和token进行解密，相关代码如下图所示：此时可以确定，app从服务器获取到的BleKey同样被AES CBC加密算法保存。通过图2-8可以看到，其密钥由方法getCryptSecret返回，与方法名称对应，这个密钥我们就称之为CryptSecret，下一步我们就来分析CryptSecret的来源。2.2.3 CryptSecret的获取
BleKey解密时的密钥通过getCryptSecret方法获得。那么我们可以从这个方法入手，相关代码的搜索结果如下图所示。上图中，getCryptSecret方法返回的是this.mCryptSecret，而这个变量是通过setCryptSecret赋值的，setCryptSecret方法则是在getSecret方法中被调用。在getSecret方法中，可以看到CryptSecret是从云丁鹿客的服务器获取到的，其url为”api/v1/crypt_secret”。同样的，我们在fiddler里也可以抓到crypt_secret数据包，如下图：
图2-10 crypt_secret请求及其响应
2.2.4向门锁下发BleKey
2.2.2节中说到sendBleKeyCommandNewProtocol函数负责向门锁下发BleKey，该函数如下图所示：结合上图与图2-6的日志和图2-7中reset_token请求的返回数据包，可以发现，手机向门锁下发BleKey的流程非常简单，就是对reset_token返回数据包中的totalData进行base64解码，解码后的二进制数据直接通过BLE通信发送给了门锁，门锁对totalData的处理我们将在后续文章中分析。2.3 app开锁流程小结
经过第二章的分析，我们可以将Loock Touch门锁的开锁流程总结如下图所示。
图2-12 开锁流程图上图中，开锁流程可以分为两个部分：
（1）虚线部分表示，当app没有存储可用的BleKey时，会向服务器请求CryptKey和BleToken两组数据，以CryptSecret为密钥，对BleToken中的数据进行AES CBC解密后，就可以得到BleKey。
（2）实线部分则是当app中有可用的BleKey时，会以BleKey为密钥对Challenge进行AES EBC加密，密文异或一组固定数据后，作为Response的主要内容并发送给门锁，当Response校验成功后才会开启门锁。
上文中，我们着重关注的是手机端是如何处理和发送BLE消息的，那么接下来就看看门锁这边针对BLE消息的处理流程。3.1 调试接口与调试器
在此前的文章中，我们已经介绍了通过gdbserver调试海康萤石固件程序的方法，链接为https://bbs.pediy.com/thread-261679.htm，通常情况下，gdbserver是运行于Linux系统环境中的调试器程序，通过使用Linux系统提供的调试接口以完成调试工作，并不需要太多硬件上的辅助。而在某些场景中，例如，没有Linux操作系统时，gdbserver等工具就无法满足我们的调试需求了，此时需要直接使用MCU提供的硬件调试接口和功能，以完成调试工作。通过阅读MCU的芯片手册，可以找到MCU提供的调试方式、调试引脚等详细信息。
为了使用MCU的调试接口，我们还需要与之对应的硬件调试器。与IDA、GDB等调试器软件类似，通过硬件调试器，我们也可以完全掌握被调试程序的执行状况。一般情况下，硬件调试器是通过USB接口连接到PC主机的，而硬件调试器与MCU之间的通信接口则有许多种。不同的MCU，支持的接口也不尽相同，具体信息需要查阅各芯片的手册。
本篇文章要研究的Loock Touch门锁使用的MCU型号为EFM32GG280F512，通过翻阅芯片手册，可以找到其调试接口信息如下图：
上图中的调试接口名称为SWD接口，常见的使用SWD接口的硬件调试器有JLink、STLink等。
我们目前使用的调试器SEGGER JLink（下文简称为JLink）提供了对JTAG和SWD两种调试接口的支持，具体使用时，只需要连接到对应的引脚即可，JLink中两种接口的引脚如下图所示：
图3-2 SEGGER JLink的引脚定义
3.2 通过调试接口提取固件
JLink调试器可以通过调试接口读写芯片内置的Flash，从而获取完整的固件。并不是所有芯片都可以通过调试接口提取固件，很多设备在发行版中启用了读保护（Readout Protection）机制，使得我们无法通过调试接口读到Flash内容，所幸本文中的设备并没有启用该机制。
接下来，我们就寻找并尝试用JLink连接芯片的调试接口。3.2.1 连接调试接口
在门锁的电路板上，主控MCU一旁有一排过孔，我们已经在将排针焊接到这排过孔上了，如下图所示：图中，左侧红框内就是我们焊上的排针，电路板上标注了排针对应的MCU引脚名称。经过万用表测量，可以确定红框中的IO和CLK引脚就是芯片的SWDIO和SWCLK两个引脚，我们在图2-1中提到这两个引脚是SWD调试接口的一部分，那么我们将这几个引脚按照如下图的方式连接到JLink调试器。上图左侧是图3-1中的排针，右侧是SEGGER JLink的引脚。连接完成后，将JLink连接到电脑的USB口，并打开JLink Commander命令行工具（JLink的相关工具和使用手册等都可以在SEGGER的官网下载到：https://www.segger.com/downloads/jlink/），执行下图中的命令：下面逐一解释上图中6个红框的内容：
（1）命令行工具开启时，会首先对JLink的状态进行检测（SEGGER官网的JLink，无论价格还是到货时间都不理想，所以我们选择了某宝，从这里打印的JLink固件信息来看，某宝的似乎是盗版产品）；
（2）输入connect指令，控制JLink开始通过调试接口连接MCU；
（3）输入？指令选择要调试的芯片型号，在弹出的对话框中，我们按照芯片的厂商和型号，选择如下图的选项；
图3-6 芯片型号选择
（5）选择接口的通信速率，一般保持默认即可；
（6）当出现第6个红框中的内容时，说明JLink已经通过SWD接口连接到了MCU，接下来我们就可以读取固件或者进行调试了。
3.2.2 提取固件
上文提到，调试器可以读写芯片的内置Flash，而固件代码就存储在芯片内置Flash中，所以我们只需要将Flash中代码区域的数据读出并保存下来，就相当于拿到了固件。按照我们分析果加门锁时的思路，翻阅芯片手册，可以确定代码存储在内存地址为0x0~0x100000的区域。我们通过JLink Commander命令行工具的savebin命令（该命令的使用方法可以去JLink的手册中查阅）将这一区域中的二进制数据保存下来。上图中，我们拿到了固件代码，并将其命名为LoockEfm32Fw.bin。3.2.3 解析固件
在拿到固件之后，我们需要解析固件并对其进行逆向分析。通过查阅手册可以知道，EFM32GG280的核心是ARM Cortex-M3，和果加门锁用到的STM32L0同属Cortex-M系列，所以我们可以按照果加门锁相关篇章中的方法配置IDA并载入固件。载入之后，继续沿用果加门锁分析时的思路，寻找Reset中断的中断服务程序，即偏移0x4地址处的数据，跳转之后按“c”键，IDA就会自动开始解析代码，如下图所示：上文提到，代码存储在内存地址为0x0~0x100000的区域，所以图3-6中固件的基址为0x0。此前，我们在分析果加门锁时，将固件载入IDA时基址是0x08000000，因为在果加的案例中，代码存储区域的起始地址是0x08000000。至此，我们成功提取并解析了Loock Touch门锁的固件。3.3 通过调试接口调试固件
3.3.1 SEGGER JLink的调试功能
在进行调试之前，先简单介绍一下如何使用SEGGER JLink（下文以JLink代称）的调试功能。上一篇文章中，我们在提取固件时使用了JLink的命令行工具，这个命令行工具也包含了诸如设置断点、暂停CPU核心、读取/写入寄存器或指定位置的内存、单步调试等动态调试所需要的指令。具体可以查阅SEGGER的Wiki（https://wiki.segger.com/J-Link_Commander）。可以选择openOCD配合JLink进行调试，但我们在本篇中暂不介绍openOCD，而是选择另一款调试工具。
在实际调试过程中，命令行工具通常需要搭配IDA使用，用起来非常繁琐，且信息展示不够直观。SEGGER提供了一个图形界面工具——Ozone，可以在一定程度上解决以上问题，关于Ozone的介绍可以参考SEGGER的官方网站（https://www.segger.com/products/development-tools/ozone-j-link-debugger/），软件以及使用手册的下载页面也可以在这里找到。下载后的安装一路next就可以了，想必大家都很熟练。
安装完成后，可以通过“File->New->New Project Wizard”选项来创建新的项目，创建时需要选择待调试芯片的型号、调试接口类型、通信速率等信息。继续，点击“Debug->Start Debug Session->Attach to Running Program”连接到待调试设备，注意整个调试过程中需要保持电脑、调试器和设备的接通状态，如下图所示。连接到待调试设备后，Ozone可以像IDA一样展示多个subview，这样就可以同步观察很多信息了，下图是笔者某次调试的界面。
图3-10 Ozone调试界面
如上图所示，我们在调试时可以一次性看到寄存器的数据、多个内存区域的数据以及反汇编后的代码，下方的控制台区域可以执行一些指令或预先编写好的脚本。除此之外，左上角的断点设置区域，可以看到断点除了Location以外，还有Type和Extra两个属性，通过阅读用户手册可以确定这两个属性是用于设置断点类型的，如执行断点，读写断点、TRACE断点等，如下图所示：Ozone还提供了很多强大的功能，在后文中，我们用到的时候就会逐一介绍这些功能。3.3.2 通过SWD接口对门锁进行调试
翻阅门锁MCU的芯片手册可以看到，芯片提供了AES处理模块，该模块的内存映射如下图所示：显然，我们假设鹿客门锁使用芯片的AES模块进行加解密操作，而不是自写AES算法，那么必然需要访问0x400E0000~0x400E0400这片区域中的内存地址，那么我们只要在设置适当的读写断点，然后等待手机与门锁进行通信时触发断点就可以了。
在断点设置区域右键，选择Set Data Breakpoint，会弹出如下图所示的窗口:上图中的设置，表示当CPU向0x400E00XX地址写入数据时触发断点。
断点设置完成之后，在手机上点击开锁，由于我们设置的数据断点是监控一片内存区域，所以开锁过程中会多次被触发，后可以看到如下图左侧的一小段代码，右侧是执行到0xED0C地址时的寄存器数据。上图中，0x400E001C地址（R0 + 28）是AES_DATA寄存器，这一小段代码所处的函数向AES_DATA寄存器写数据，应该就是AES的处理函数（下文以AESFunc代称）。回溯调用栈，可以找到调用AESFunc的外层函数，以及AESFunc函数的起始地址，进而使用IDA的F5功能对AESFunc函数进行分析，如下图：结合芯片手册，由伪代码很容易能判断出AESFunc各个参数的作用，在本系列第一篇文章中，我们已经知道了开锁时的解密密钥就是BleKey，而门锁BleKey的获取过程，是由服务器下发一组数据totalData至手机app，app没有进行任何处理，直接通过BLE通信转发给了门锁。那么，接下来看一看门锁是如何处理totalData的。
首先我们需要看一下，totalData的内容是什么，如下图所示：
图3-16 totalData字段及其base64解码数据
可以看到totalData是一串二进制数据经过base64编码后的结果，红框之前的部分可以视作数据的header，包含消息头、数据包序号、校验等内容， header之后的body部分，即红、蓝、黑框中的数据，这三组数据的结构是相同的，如下图所示：
图3-17 totalData中payload用到的数据结构红框中data_type为0x03的数据，其data_content=0x5FFFECAE，该部分与AES根密钥密文有关。totalData的body部分还有两组数据，其具体作用不再详细说明，说太多有些不妥。
接着，我们在AESFunc的入口下一个断点，可以看到BleKey的值如下图所示：从图3-16和图3-18中看不到BleKey和totalData之间的联系，想必totalData和BleKey之间还是经过了某些解密或解码转换，我们需要继续寻找门锁对totalData的处理过程。保持AESFunc函数的断点，在调试过程中可以发现totalData也是经过 AESFunc函数进行解密的。此时，回溯调用栈即可找到如下图所示的关键代码。
图3-19 totalData数据的处理
上图中的AESEntry函数为AESFunc的封装，这部分就是由totalData生成BleKey的核心代码，该流程可以整理为下图。在这个流程中，如果没有根密钥就无法解密BleKey，通过调试可以找到根密钥在Flash中的存储地址是0x7E09C。在第三章中，我们直接用SWD调试器定位到了关键代码，这种分析方法固然好，但却跳过了很多有价值的地方。在第四章中，我们回过头来从另一个角度分析这个设备，即从设备上电开始的第一条代码开始分析，一点一点理解整个固件的内容。4.1 bootloader分析
bootloader是设备上电之后首先运行的一段程序，它会完成必要的初始化操作，并引导操作系统的加载。在我们拿到设备固件，并顺利通过IDA载入固件之后，可以看到解析出的内容仅是完整固件的一小部分，而更多的固件内容还是未解析状态。这被解析出来的一小部分，其实就是设备的bootloader部分代码。
为帮助我们分析这个云丁鹿客的智能门锁，我们可以尝试接通设备的串口。串口的位置就在SWD接口的旁边，可以参考云丁鹿客智能门锁系列第二篇中的图3-1。此时，给设备上电，是可以看到串口有字符串输出的，如下图所示：
上图中，前几条字符串是可以直接在IDA中搜索到引用的，而剩下的字符串则未找到引用地址，如下图：
图4-2 字符串引用
造成上图中现象的原因是，IDA仅仅解析了bootloader部分代码，这些字符串的引用代码刚好是bootloader部分输出的。其余字符串是由主程序输出的，IDA未能解析出主程序而导致这些字符串在代码中未被引用。上图中，程序最终进入sub_C44函数，如下图：
图4-4 sub_C44函数
上图函数的功能很简单，即将0x4100存储到向量表偏移寄存器（0xE000ED08地址），也就是将0x4100地址的数据设置为新的中断向量表，随后调用sub_F0函数。结合图4-3和图4-4，bootloader最后会把0x2001B860（0x4100地址处的值）设置为新的栈指针，并跳转到0x49ED（0x4104地址处的值）。从这之后bootloader就将MCU的控制权交给了主程序。
综上，设备上电后会首先执行bootloader，bootloader会在Flash中搜索、校验固件，校验完成后，会设置新的中断向量表并跳转至主程序的入口地址。4.2 FreeRTOS分析
通过固件中的字符串可以推测出设备使用了FreeRTOS操作系统，该系统是一种很常见的开源实时操作系统，其官方主页是：https://www.freertos.org。在使用FreeRTOS系统的设备中，固件主程序是FreeRTOS系统内核代码和应用逻辑代码相互杂糅在一起的一个二进制文件，所以我们需要先设法将二者区分开来，否则就容易出现山总分析MFC42一样的错误。
FreeRTOS操作系统提供了任务管理的功能，而设备的逻辑功能就是由其中一个或多个任务（task）来实现的，所以应用逻辑代码必然在这些task的实现代码中。FreeRTOS系统创建任务的API如下图所示：
图4-6 FreeRTOS任务创建API
上图中，函数的第一个参数是该任务对应的函数指针，第二个参数是任务的名称，只要找到这个API的调用处，通过它的第一个参数就可以定位任务函数了。
由于FreeRTOS是开源的操作，我们可以使用源码编译生成一个带符号表的程序，进而利用IDA的bindiff插件对比识别固件中的FreeRTOS操作系统API。此处的bindiff插件是一款IDA插件，用于比较两个idb (IDA database)文件中的相似函数，常见于漏洞的补丁分析，其官方网址是https://www.zynamics.com/bindiff.html。按照官网的安装说明，下载相应版本的bindiff安装程序，完成安装即可使用。
为了提高bindiff插件对比的准确率，我们需要尽量选择与云丁鹿客近似的FreeRTOS版本，编译环境和配置也尽量靠近云丁鹿客的智能门锁。有趣的是，在我们搜索可用的源码过程中，意外地发现github上有一份代码与我们正在逆向分析的固件极其相似。链接是https://github.com/RunningChild/efm32_freertos_app，后发现该仓库的拥有者就是云丁鹿客的工作人员，这份代码是把关键应用逻辑代码全部删掉之后剩下的FreeRTOS框架。
顺利编译该项目之后即可使用bindiff插件做比较，具体编译方法和过程会在以后的文章中专门做整理和介绍，本篇番外中暂不做过多介绍，部分对比结果如下图所示：
图4-7 bdiff部分结果
上图中我们编译的固件中xTaskGenericCreate函数和原版固件中sub_34A50函数相似度非常高，可以判断sub_34A50函数就是FreeRTOS中创建任务的API接口，那么我们在IDA中查找sub_34A50函数的引用，某一处引用如下图：
上图中，sub_34A50函数的参数和图4-6中xTaskCreate的参数是吻合的。还可以判断出位于0x1B0A9地址处的函数负责的应该是BLE消息的接收和处理。在0x1B0A8地址处下一个断点开始调试，当手机app里点击开门按钮后就会触发断点，可以沿此线索继续往后分析。
由此我们可以确定sub_34A50函数就是固件用来创建任务的API，接下来只需要写一个简单的IDApython脚本，即可将固件中的所有任务都整理出来，并使IDA以这些任务的函数地址创建函数，脚本如图：注意，脚本功能依靠sub_34A50函数的交叉引用来实现，存在一些未被IDA识别的引用点，因此可能会漏掉一些task。至此，我们就可以随意分析云丁鹿客智能门锁中我们感兴趣的功能点了。到这里，关于云丁鹿客智能门锁的分析也结束了。在这篇文章中，我们通过逆向手机apk了解门锁蓝牙功能的通信数据中的AES加密保护。然后分享了如何使用SWD接口提取固件并进一步通过对门锁固件的调试，来分析门锁获取BleKey的过程；最后，又着重分析了设备启动后的bootloader代码以及FreeRTOS操作系统。作为一款开源的实时操作系统，FreeRTOS着实拥有不少的用户量，虽然分析起来要比嵌入式Linux操作系统的程序要麻烦一些，但仍然建议各位读者对其有一点简单的认识。希望本篇文章能给各位读者带来一些收获，如若有什么想商量或者讨论的，可以随时联系我们胖猴微信：PwnMonkey。在后续文章中，我们还会继续分享其他的研究案例，敬请期待。
看雪ID：胡一米
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