作者： wzt
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內核pac key初始化
common_start
mrs x0, S3_4_C15_C0_4
and x1, x0, #0x2
cbz x1, 0xfffffff0081384d0
orr x0, x0, #0x1
orr x0, x0, #0x4
msr S3_4_C15_C0_4, x0
Isb首先探測下S3_4_C15_C0_4寄存器的第2個bit是否為0， 如果為0， 則一直等待下去，否則把其第1個和第3個比特位置1，結合后面對_ml_set_kernelkey_enabled的分析，可以推測出S3_4_C15_C0_4寄存器是蘋果公司為增強pac而加入的控制寄存器。
LDR X0, =0xFEEDFACEFEEDFACF
MSR #0, c2, c1, #2, X0 ; APIBKeyLo_EL1
ADD X0, X0, #1
MSR #0, c2, c1, #3, X0 ; APIBKeyHi_EL1
ADD X0, X0, #1
MSR #0, c2, c2, #2, X0 ; APDBKeyLo_EL1
ADD X0, X0, #1
MSR #0, c2, c2, #3, X0 ; APDBKeyHi_EL1
ADD X0, X0, #1
MSR #4, c15, c1, #0, X0; ???
ADD X0, X0, #1
MSR #4, c15, c1, #1, X0; ???
ADD X0, X0, #1
MSR #0, c2, c1, #0, X0 ; APIAKeyLo_EL1
ADD X0, X0, #1
MSR #0, c2, c1, #1, X0 ; APIAKeyHi_EL1
ADD X0, X0, #1
MSR #0, c2, c2, #0, X0 ; APDAKeyLo_EL1
ADD X0, X0, #1
MSR #0, c2, c2, #1, X0 ; APDAKeyHi_EL1
ADD X0, X0, #1
MSR #0, c2, c3, #0, X0 ; APGAKeyLo_EL1
ADD X0, X0, #1
MSR #0, c2, c3, #1, X0 ; APGAKeyHi_EL1Iphone12使用固定值0xFEEDFACEFEEDFACF依次初始化APIAKey_EL1、APIBKey_EL1、APDAKey_EL1、APDBKey_EL1、APGAKey_EL1寄存器。高版本的Iphone內核是否也使用固定值有待確認。
MOVK X0, #0,LSL#48
MOVK X0, #0,LSL#32
MOVK X0, #0x3454,LSL#16
MOVK X0, #0x593D ; 0x3454593d
ORR X0, X0, #0x40000000 ; 0x7454593d
MSR #0, c1, c0, #0, X0 ; SCTLR_EL1很奇怪這里sctlr_el1只設置了EnIB位（筆者翻遍了代碼，也沒發現對sctlr_el1其他pac比特位的使用）。
用戶進程pac key初始化
通過execve執行一個binary時，XNU內核會進行新進程pac key的初始化，XNU將每個進程的pac key保存在一個叫做shared region的進程內存區域，這個區域可以被其他進程共享代碼和數據，用來加快進程的啟動速度，通常情況下一個進程只有一個shared region區域，但是在支持pac的情況下，shared region根據不同的shared_region_id會有不同的shared region區域，通過一個隊列_shared_region_jop_key_queue鏈接起來，每個節點是一個struct shared_region_jop_key_map類型的結構體，xnu source code有如下定義：
typedef struct shared_region_jop_key_map {
queue_chain_t srk_queue;
char *srk_shared_region_id;
uint64_t srk_jop_key;
os_refcnt_t srk_ref_count; /* count of tasks active with this shared_region_id */
} *shared_region_jop_key_map_t;成員srk_jop_key保存的是這個region所使用的pac key。下面我們來看下pac key是如何被初始化的。
/*
void
shared_region_key_alloc(char *shared_region_id, bool inherit, uint64_t inherited_key)
*/
exec_mach_imgact->_shared_region_key_alloc
LDR X8, [X24] ; _shared_region_jop_key_queue
CMP X8, X24
B. EQ loc_FFFFFFF007B33338 ;遍歷_shared_region_jop_key_queue，如果隊列為空，跳轉到后面去申請一個新的shared_region節點。
MOV X9, X8
LDR X10, [X9,#0x10]
MOV X11, X22
LDRB W12, [X10]
LDRB W13, [X11]
CMP W12, W13
B.NE loc_FFFFFFF007B3332C
ADD X11, X11, #1
ADD X10, X10, #1
CBNZ W12, loc_FFFFFFF007B3330C
B loc_FFFFFFF007B33450 ; srk_ref_count
LDR X9, [X9]
CMP X9, X24
C. NE loc_FFFFFFF007B33304循環遍歷每個shared_region節點，如果節點名與第一個參數相同，證明存在一個要匹配的節點。
__TEXT_EXEC:__text:FFFFFFF007B33450
E ADD X0, X9, #0x20 ; ' ' ; srk_ref_count
MOV W8, #1__TEXT_EXEC:__text:FFFFFFF007B33458 LDADD W8, W8, [X0] ; srk_ref_count++將引用計數srk_ref_count加1.
CBZ W8, loc_FFFFFFF007B33554
MOV W10, #0xFFFFFFF
CMP W8, W10
B. CS loc_FFFFFFF007B33558判斷引用計數是否溢出
MOV X22, X21 ; x21 == 0
MOV X21, X9
CBZ W20, loc_FFFFFFF007B33488 ; inherit == 0
LDR X8, [X21,#0x18] ; inherit == 1 -> srk_jop_key
LDR X9, [SP,#0x70+var_60]
CMP X8, X9 ; arg3: inherited_key
C. NE loc_FFFFFFF007B3356C如果第二個參數inherit為1，并且此shared_region保存的pac key與第三個參數不相同，則panic，否則直接返回，不需要更新pac key。
下面看下隊列如果為空，或者沒有找到要匹配到的shared_region_id的后續處理流程。
ADRL X0, _KHEAP_DEFAULT
MOV W1, #0x28 ; '('
MOV W2, #0
ADRL X3, _shared_region_key_alloc.site
BL _kalloc_ext分配一個新的struct shared_region_jop_key_map結構體
MOV X21, X0 ; new struct shared_region_jop_key_map
MOV X0, X22 ; __s
BL _strlen ; shared_region_id計算參數1shared_region_id的長度
ADD W28, W0, #1
ADRL X0, _KHEAP_DATA_BUFFERS
MOV X1, X28
MOV W2, #0
ADRL X3, _shared_region_key_alloc.site.3
BL _kalloc_ext ; alloc shared_region_id buffer分配shared_region_id內存
STR X0, [X21,#0x10] ; set srk_shared_region_id保存shared_region_id到struct shared_region_jop_key_map對應成員。
MOV X1, X22 ; __source
MOV X2, X28 ; __size
LDR X23, [SP,#0x70+var_60]
BL _strlcpy ; strlcpy(srk_shared_region_id, shared_region_id, size);拷貝shared_region_id。
MOV W8, #1
STR W8, [X21,#0x20] ; srk_ref_count = 1引用計數srk_ref_count初始化為1。
ADRP X8, #_diversify_user_jop@PAGE
LDR W9, [X8,#_diversify_user_jop@PAGEOFF]
CMP W9, #0
CSET W8, NE
TST W8, W20 ; arg2: inherit
MOV X8, #0xFEEDFACEFEEDFAD5
CSEL X8, X23, X8, NE ; x23: arg3 inherit如果diversify_user_jop為1并且第2個參數inherit也為1，x8被設置為第三個參數inherit，否則設置為0xFEEDFACEFEEDFAD5。
ADRL X24, _shared_region_jop_key_queue
CBZ W9, loc_FFFFFFF007B33444
TBNZ W20, #0, loc_FFFFFFF007B33444
MOV X0, X22 ; __s
BL _strlen
CBZ X0, loc_FFFFFFF007B33434 ; strlen(shared_region_id) == 0如果shared_region_id長度為0， x8設置為0xFEEDFACEFEEDFAD5。我們看到用戶進程的pac key居然和內核的pac key0xFEEDFACEFEEDFACF值很接近！
__TEXT_EXEC:__text:FFFFFFF007B333FC
LDR X8, [X19]
LDR X0, [X26,#_prng_ctx@PAGEOFF]
BLRAA X8, X28
LDR X8, [X19,#(qword_FFFFFFF0076E7760 - 0xFFFFFFF0076E7758)]
LDR X0, [X26,#_prng_ctx@PAGEOFF]
MRS X9, #0, c13, c0, #4 ; TPIDR_EL1
LDR X9, [X9,#0x4F8]
LDRH W1, [X9]
ADD X3, SP, #0x70+var_58
MOV W2, #8
BLRAA X8, X25
LDR X8, [SP,#0x70+var_58]
CBZ X8, loc_FFFFFFF007B333FC獲取一個隨機數，賦值給x8。
STR X8, [X21,#0x18]X8為要保存的pac key值。
總結以下，一個進程可以繼承父進程的pac key，可以是個隨機值，還可以是固定值0xFEEDFACEFEEDFAD5。
這里還存在另一個安全問題，雖然把生成隨機數的兩個函數指針都使用pac簽名過，但是pac計算過程中使用的context值居然是個固定的4個字節值：0x2ABE和0x9BF6。這會弱化隨機數生成函數的安全性。
進程之間切換pac
由于每個進程的pac key可能不同，所以在進程切換的時候，也需要切換pac key。
_Switch_context
STR XZR, [X3,#0x78] ; SS64_KERNEL_PC
MOV W4, #0x100004 ; PSR64_KERNEL_POISON
STR W4, [X3,#0x80] ; SS64_KERNEL_CPSR
STP X0, X1, [SP,#var_10]!
STP X2, X3, [SP,#0x10+var_20]!
STP X4, X5, [SP,#0x20+var_30]!
MOV X0, X3
MOV X1, #0
MOV W2, W4
MOV X3, X30
MOV X4, X16
MOV X5, X17
BL _ml_sign_kernel_thread_state ; compute old thread pac code.在進程切換前，首先計算處當前進程的thread state pac值。linux內核也提供了pac服務，但是沒有對thread狀態做校驗。
__TEXT_EXEC:__text:FFFFFFF008139A8C _ml_sign_kernel_thread_state ; CODE PACGA X1, X1, X0
AND X2, X2, #0xFFFFFFFFDFFFFFFF
PACGA X1, X2, X1
PACGA X1, X3, X1
PACGA X1, X4, X1
PACGA X1, X5, X1
STR X1, [X0,#0x88] ; struct arm_kernel_saved_state->jophash
RETPacga指令用于計算大塊的內存區域，可以看到XNU使用pacga指令依次對x0: The ARM context pointer、x1: PC value to sign、x2: CPSR value to sign、x3: LR to sign、x16、x17做計算生成pac。
X0是一個struct arm_kernel_save_state的數據結構：
struct arm_kernel_saved_state {
uint64_t x[12]; /* General purpose registers x16-x28 */
uint64_t fp; /* Frame pointer x29 */
uint64_t lr; /* Link register x30 */
uint64_t sp; /* Stack pointer x31 */
uint64_t pc; /* Program counter */
uint32_t cpsr; /* Current program status register */
uint64_t jophash;
} __attribute__((aligned(16)));在生成當前進程的thread state pac后，開始校驗下要切換的進程thread state狀態，如果校驗不過，證明要切換的進程狀態被篡改過，系統直接panic。
LDR X3, [X2,#0x498] ; new TH_KSTACKPTR
MOV X20, X0
MOV X21, X1
MOV X22, X2
MOV X0, X3
LDR W2, [X0,#0x80] ; new SS64_KERNEL_CPSR
DMB LD
LDR X1, [X0,#0x78] ; new SS64_KERNEL_PC
LDP X16, X17, [X0]
MOV X25, X3
MOV X26, X4
MOV X27, X5
MOV X23, X1
MOV X24, X2
LDR X3, [X0,#0x68]
MOV X4, X16
MOV X5, X17
BL _ml_check_kernel_signed_state ; check new thread pac code.
__TEXT_EXEC:__text:FFFFFFF008139AEC _ml_check_kernel_signed_state ; CODE PACGA X1, X1, X0
AND X2, X2, #0xFFFFFFFFDFFFFFFF
PACGA X1, X2, X1
PACGA X1, X3, X1
PACGA X1, X4, X1
PACGA X1, X5, X1
LDR X2, [X0,#0x88]從struct arm_kernel_saved_state結構體提取pac code。
CMP X1, X2
B.NE loc_FFFFFFF008139B14
RET相同返回上層函數。
__TEXT_EXEC:__text:FFFFFFF008139B14 ;
PACIBSP
STP X29, X30, [SP,#var_10]!
MOV X29, SP
BL _panic不相同則panic系統。
LDR X5, [X2,#0x4F8]
MOV W6, #0
LDR X3, [X2,#0x508]
LDR X4, [X5,#0x200]
CMP X3, X4
B.EQ loc_FFFFFFF008138B48
STR X3, [X5,#0x200]
MSR #0, c2, c1, #2, X3 ; APIBKeyLo_EL1
ADD X3, X3, #1
MSR #0, c2, c1, #3, X3 ; APIBKeyHi_EL1
ADD X3, X3, #1
MSR #0, c2, c2, #2, X3 ; APDBKeyLo_EL1
ADD X3, X3, #1
MSR #0, c2, c2, #3, X3 ; APDBKeyHi_EL1加載新進程的pac key到對應的系統寄存器。
內核pac與用戶進程pac切換
進入內核
進程每次通過系統調用進入內核或者發生錯誤進入內核異常處理流程時，需要把進程的pac key切換為內核的pac key。
__TEXT_EXEC:__text:FFFFFFF008131410 fleh_dispatch64
MOVK X2, #0xFEED,LSL#48
MOVK X2, #0xFACE,LSL#32
MOVK X2, #0xFEED,LSL#16
MOVK X2, #0xFAD5 ; 0xFEEDFACEFEEDFAD5
MRS X3, #0, c13, c0, #4 ; TPIDR_EL1
LDR X3, [X3,#0x4F8]
LDR X4, [X3,#0x208]
CMP X2, X4
B.EQ loc_FFFFFFF0081314F0
MSR #0, c2, c1, #0, X2 ; APIAKeyLo_EL1
ADD X4, X2, #1
MSR #0, c2, c1, #1, X4 ; APIAKeyHi_EL1
ADD X4, X4, #1
MSR #0, c2, c2, #0, X4 ; APDAKeyLo_EL1
ADD X4, X4, #1
MSR #0, c2, c2, #1, X4 ; APDAKeyHi_EL1
STR X2, [X3,#0x208]在進入內核時，首先要更新APIAKey_EL1和APDAKey_EL1為固定值0xFEEDFACEFEEDFAD5極其增值。
MOV X21, X1
MOV X20, X30
MOV X1, X22
MOV W2, W23
MOV X3, X20
MOV X4, X16
MOV X5, X17
BL _ml_sign_thread_state更新完pac key值，馬上對當前進程的thread state進行簽名。
退出內核
__TEXT_EXEC:__text:FFFFFFF00813197C exception_return_unint_tpidr_x3_dont_trash_x18
MOV X0, SP
LDR W2, [X0,#arg_110]
LDR X1, [X0,#arg_108]
LDP X16, X17, [X0,#arg_88]
MOV X22, X3
MOV X23, X4
MOV X24, X5
MOV X20, X1
MOV X21, X2
LDR X3, [X0,#arg_F8]
MOV X4, X16
MOV X5, X17
BL _ml_check_signed_state在退出內核到用戶態前，需要再次校驗下當前進程的thread state，如果發生錯誤，則panic系統。
LDR X1, [X2,#0x510]
LDR X2, [X2,#0x4F8]
LDR X3, [X2,#0x208]
CMP X1, X3
B.EQ loc_FFFFFFF008131A3C
MSR #0, c2, c1, #0, X1 ; APIAKeyLo_EL1
ADD X3, X1, #1
MSR #0, c2, c1, #1, X3 ; APIAKeyHi_EL1
ADD X3, X3, #1
MSR #0, c2, c2, #0, X3 ; APDAKeyLo_EL1
ADD X3, X3, #1
MSR #0, c2, c2, #1, X3 ; APDAKeyHi_EL1
STR X1, [X2,#0x208]恢復進程使用的pac key。
進程thread state pac的初始化
前面提到在進程切換時，需要驗證進程的thread state pac，那么它是在何時初始化的呢？
答案在進程初始化stack時進行thread state的pac計算。
_machine_stack_attach
STR X1, [X0,#0x78] ; struct arm_kernel_saved_state->pc
MOV X2, #0x100004
STR W2, [X0,#0x80] ; struct arm_kernel_saved_state->cpsr
ADRL X3, _thread_continue
STR X3, [X0,#0x68] ; struct arm_kernel_saved_state->lr
MOV X4, XZR
MOV X5, XZR
STP X4, X5, [X0]
MOV X6, X30
BL _ml_sign_kernel_thread_state ; sign thread state.Ppl相關
Ppl提供了兩個服務用來給用戶進程數據進行簽名與驗簽。
_pmap_sign_user_ptr
__TEXT_EXEC:__text:FFFFFFF007B609A0 _pmap_sign_user_ptr
ADD X29, SP, #0x30
MOV X19, X0
MRS X23, #3, c4, c2, #1 ; DAIFSet
TBNZ W23, #7, loc_FFFFFFF007B609D0 ; TPIDR_EL1
MSR #6, #7關閉DAIF中斷
MRS X8, #0, c13, c0, #4 ; TPIDR_EL1
LDR X8, [X8,#0x4F8]
LDR X20, [X8,#0x208]
MOV W0, #0
MOV X1, X3
BL _ml_set_kernelkey_enabled將0作為參數傳遞給_ml_set_kernelkey_enabled。
__TEXT_EXEC:__text:FFFFFFF008139374 _ml_set_kernelkey_enabled
MRS X2, #0, c13, c0, #4 ; TPIDR_EL1
LDR X2, [X2,#0x4F8]
LDR X3, [X2,#0x208]
CMP X1, X3
B. EQ loc_FFFFFFF0081393A8 ; S3_4_C15_C0_4如果當前進程的pac key和用戶傳遞進來的pac key相等，則直接跳轉到后面。
MSR #0, c2, c1, #0, X1 ; APIAKeyLo_EL1
ADD X3, X1, #1
MSR #0, c2, c1, #1, X3 ; APIAKeyHi_EL1
ADD X3, X3, #1
MSR #0, c2, c2, #0, X3 ; APDAKeyLo_EL1
ADD X3, X3, #1
MSR #0, c2, c2, #1, X3 ; APDAKeyHi_EL1
STR X1, [X2,#0x208]依次切換系統寄存器APIAKey_EL1、APDAKey_EL1，可以看到ppl只用key A來簽名用戶代碼或數據。
MRS X1, #4, c15, c0, #4 ; S3_4_C15_C0_4
ORR X3, X1, #4
AND X2, X1, #0xFFFFFFFFFFFFFFFB
CMP W0, #0
CSEL X1, X2, X3, EQ
MSR #4, c15, c0, #4, X1 ; S3_4_C15_C0_4
ISB
RET如果傳遞給_ml_set_kernelkey_enabled函數的第一個參數為0，那么將S3_4_C15_C0_4的第3個bit置0，否則置1。
回到_pmap_sign_user_ptr
CMP W22, #2
B.EQ loc_FFFFFFF007B609FC
CBNZ W22, loc_FFFFFFF007B60A34
PACIA X19, X21
B loc_FFFFFFF007B60A00
PACDA X19, X21如果第2個參數為2，則使用pacda對第1個參數簽名，如果為0，使用pacia進行簽名，如果不是0，也不是2， 則panic系統。
MOV W0, #1
MOV X1, X20
BL _ml_set_kernelkey_enabled將1作為參數傳遞給_ml_set_kernelkey_enabled。
_ml_set_kernelkey_enabled(0, pac_key)
...
Pacia/pacib
...
_ml_set_kernelkey_enabled(1, pac_key)因此我們可以推測出S3_4_C15_C0_4的第2個bit為上鎖功能， 0代表上鎖，1代表解鎖。
_pmap_auth_user_ptr
AUTIA X19, X21
B loc_FFFFFFF007B60AD4
AUTDA X19, X21
B loc_FFFFFFF007B60AD4
AUTDB X19, X21
B loc_FFFFFFF007B60AD4
AUTIB X19, X21這里我們看到_pmap_auth_user_ptr在驗簽的時候還使用了key b，而_ml_set_kernelkey_enabled只設置了key a， 說明了key a是進程相關的，而key b是進程不相關的， XNU源碼里定義了以下幾種類型的pac key：
EXTERNAL_HEADERS/ptrauth.h
typedef enum {
ptrauth_key_asia = 0,
ptrauth_key_asib = 1,
ptrauth_key_asda = 2,
ptrauth_key_asdb = 3,
/* A process-independent key which can be used to sign code pointers.
Signing and authenticating with this key is a no-op in processes
which disable ABI pointer authentication. */
ptrauth_key_process_independent_code = ptrauth_key_asia,
/* A process-specific key which can be used to sign code pointers.
Signing and authenticating with this key is enforced even in processes
which disable ABI pointer authentication. */
ptrauth_key_process_dependent_code = ptrauth_key_asib,
/* A process-independent key which can be used to sign data pointers.
Signing and authenticating with this key is a no-op in processes
which disable ABI pointer authentication. */
ptrauth_key_process_independent_data = ptrauth_key_asda,
/* A process-specific key which can be used to sign data pointers.
Signing and authenticating with this key is a no-op in processes
which disable ABI pointer authentication. */
ptrauth_key_process_dependent_data = ptrauth_key_asdb,
/* The key used to sign C function pointers.
The extra data is always 0. */
ptrauth_key_function_pointer = ptrauth_key_process_independent_code,
/* The key used to sign return addresses on the stack.
The extra data is based on the storage address of the return address.
On ARM64, that is always the storage address of the return address plus 8
(or, in other words, the value of the stack pointer on function entry) */
ptrauth_key_return_address = ptrauth_key_process_dependent_code,
/* The key used to sign frame pointers on the stack.
The extra data is based on the storage address of the frame pointer.
On ARM64, that is always the storage address of the frame pointer plus 16
(or, in other words, the value of the stack pointer on function entry) */
ptrauth_key_frame_pointer = ptrauth_key_process_dependent_data,
/* The key used to sign block function pointers, including:
invocation functions,
block object copy functions,
block object destroy functions,
__block variable copy functions, and
__block variable destroy functions.
The extra data is always the address at which the function pointer
is stored.
Note that block object pointers themselves (i.e. the direct
representations of values of block-pointer type) are not signed. */
ptrauth_key_block_function = ptrauth_key_asia,
/* The key used to sign C++ v-table pointers.
The extra data is always 0. */
ptrauth_key_cxx_vtable_pointer = ptrauth_key_asda,
/* Other pointers signed under the ABI use private ABI rules. */
} ptrauth_key;
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