为了破解Xbox 360，我黑进了硬盘固件

导语：做安全研究的人都知道，有时候最大的障碍不是你不懂技术，而是你不知道怎么绕过一个问题。一位安全研究人员在开发Xbox 360漏洞利用工具时，遇到了一个竞态条件（Race Condition）问题——需要让硬盘在读取特定扇区时人为延迟几百毫秒，才能让漏洞成功触发。他的解决方案是：直接动手破解硬盘固件。

一、背景：一切从Xbox 360漏洞说起

去年某个时候，我正在为Xbox 360游戏机开发一个漏洞利用工具（后来演变成了备受期待的软改工具）。为了成功利用一个竞态条件漏洞，我需要在硬盘发出读请求后、硬盘回复数据之前，人为制造一个特定的时间差。

当时我对整个漏洞利用流程中涉及的变量还没完全搞清楚，所以在硬盘响应的那点时间内，很难精准地触发漏洞。我最初的想法是：修改硬盘固件，让它在读取某个特定扇区时，故意延迟几百毫秒——这样就能给漏洞触发留出足够的时间窗口。

说起来容易做起来难。虽然我知道修改硬盘固件这个概念早就有人玩过，但从来没有一份完整的攻略能让我拿来直接用。更重要的是，嵌入式设备的内部结构通常极其复杂，反向工程的投入巨大。

你真的了解硬盘内部是怎么工作的吗？宏观上讲，磁盘高速旋转，磁头读取数据——这我当然知道。但在微控制器层面，你真的理解它的工作原理吗？

我以前也不懂。但我知道，如果搞定这个漏洞是我唯一的选择，那这块硬盘就必须被拿下。

二、测试对象：四块硬盘的”解剖实验”

我挑选了四块硬盘作为实验对象：

测试对象清单：

三星 HM020GI（机械硬盘）
日立 HTS545032B9A300（机械硬盘）
西数 WD3200BEVT（机械硬盘）
三星 PM871a（固态硬盘SSD）

选择这几块硬盘的原因：一方面，它们是Xbox 360常用的型号；另一方面，西数硬盘有”后门Vendor命令”可以用来获取底层访问权限；三星SSD则是我手上刚好有的。

动手之前，我先去网上搜了大量资料。主要泡在HDD Guru论坛，读了无数帖子，还找到了一篇MalwareTech写的硬盘固件破解系列文章。其中一句话特别扎心：

“开始之前我决定先读读别人的研究成果，做点功课。事实证明，大部分我找到的资料要么是错的，要么根本不适合我用的这款硬盘。”

这基本就是我的真实经历——找到的信息大部分是15年前的老帖子，要么不正确，要么不适合我的型号。但别慌，我搜集了大量”碎片信息”，拼起来就能看到全貌了。

三、获取固件：三条路

对于每块硬盘，我的计划是这样的：

获取固件镜像：要么网上找到现成的，要么自己从硬盘里dump出来
导入IDA分析：包括解压缩/解密固件（如果加密了的话）
找到刷回固件的方法：不能写回去的固件毫无意义
定位DMA READ EXT命令处理函数：这是硬盘响应读请求的代码，需要找到它
写补丁：在读取特定扇区时人为加入几百毫秒延迟
刷回固件

途径一：PC-3000专业设备

我在HDD Guru论坛上发现，有人专门用专业数据恢复工具PC-3000上传了各种硬盘的固件镜像。PC-3000是一套专业级数据恢复设备，通过厂商专有命令来诊断、修复硬盘并dump固件。

我在论坛上找到了西数硬盘的固件dump。后来发推之后，有人主动联系了我，用他的PC-3000设备帮我dump了三星HM020GI的固件。

途径二：OEM官网固件更新工具

三星PM871a的固件，是我从联想官网的固件更新程序里找到的。这个方法意外地好用——不仅拿到了固件镜像，还顺带从固件更新程序里逆向出了刷固件所需的命令。

这条经验很重要：去各大OEM厂商官网搜索固件更新工具，往往能一次拿到两样东西：固件镜像 + 可以直接用的刷写工具。

固件格式大不同

西数（WD）硬盘：固件格式是扁平的二进制文件，包含多个静态链接的代码/数据段，每个段都有8位校验和。除第一段是加载器stub外，其余段全部是压缩的。压缩算法是基于LZHUF，但有两个小改动——N常量从2048改成了4096，游程计算也做了修改。

三星PM871a SSD：固件经过混淆处理，用了一种位操作算法，我把更新工具逆向出来之后才搞清楚了逻辑——对每个字节的高低半字节做位运算就能还原。更有意思的是，这个固件大概率没有用RSA或ECDSA强签名，因为对比两个不同型号的固件，除了开头28字节的差异外，其他部分几乎相同。28字节这个长度可能是SHA-224或截断的SHA-256。

三星HM020GI机械硬盘：最诡异的一块。固件镜像里全是明文字符串和机器码，但用任何已知架构都无法反汇编。最诡异的是，整个文件的数据是”字节翻转”的——这可能意味着用的是某种极其冷门的指令集架构（ISA），甚至可能是跑在MCU内部虚拟机上的自定义字节码。

四、刷固件：三条路可以走

想把修改后的固件写回硬盘，有三种主流方法：

方法一：DOWNLOAD MICROCODE命令

这是最通用的方式，ATA规范里的标准命令，所有现代硬盘都支持。固件更新工具本质上就是用这个命令把新固件流传输到硬盘里。不过，一旦刷固件失败，你就可能收获一块”镇纸”。普通用户基本上无法恢复。

方法二：后门Vendor命令

西数硬盘有个很有趣的特性：它们大量使用”服务区覆盖模块”来更新固件——而不是直接覆盖主固件区。这些覆盖模块存储在硬盘盘片的特殊”服务区”里，正常情况下完全不可访问。

这些模块可以通过SMART READ/WRITE LOG命令来访问。SMART命令本身是用来读写SMART状态数据的，但其中有个”厂商自定义”的范围（log address 0xBE），西数就用它来实现后门访问。

方法三：物理串行接口

很多硬盘在电路板上都有一个暴露的4针串口（就在SATA接口旁边），这是RS232串口，可以直接向硬盘发送修复/诊断命令。各厂商各型号支持的命令各有不同，有些能在网上找到文档，有些则需要自己逆向固件来摸索。

五、调试固件：Live JTAG调试硬盘

现在到了最硬核的部分——找到硬盘处理读请求的代码。

西数硬盘有一个很棒的特性：电路板上有个38针的MICTOR连接器（通常是空焊的），暴露了JTAG接口。这意味着我可以直接焊几根线，获得对硬盘MCU的硬件级调试访问权。

没错——我们要实时调试一块正在运行的硬盘。

用OpenOCD加上FT232适配器，我成功连上了JTAG并中断执行。

但有几个坑需要注意：

硬盘必须直连主板SATA，不能通过USB转接（USB适配器不支持ATA透传）
如果硬盘超时没响应，Windows会认为它”失联”，之后所有通信都会失败（某些Windows版本甚至会蓝屏）
调试时硬盘比较”娇气”，有时候会进入一种需要重新上电才能恢复的状态

用Vendor Specific Commands定位代码

西数的后门Vendor Specific Commands（VSC）里，最有趣的是”读取RAM”命令。我的计划是：

在内存地址0x41414141上设置一个访问断点
发送VSC读RAM命令，指定读取这个地址
断点触发后，查看调用栈，找到处理读请求的函数

具体怎么发VSC？通过ATA透传结构，配置ATA端口寄存器，执行SMART WRITE LOG命令（log page设为0xBE），然后在额外数据区里放入VSC命令ID和参数。

断点触发后，我在调试器里dump寄存器，发现读取0x41414141的指令地址是0xFFE1D780，这段代码就在固件里。

然后顺着调用栈往上追，我找到了VSC命令的函数处理表——共67个条目，比我预想的多不少。

但当我用读扇区测试来触发断点时，却没有命中。我意识到：DMA READ EXT命令（读扇区用的命令）和SMART LOG命令走的是完全不同的代码路径。

真正的代码在覆盖模块里

折腾了半天之后，我终于发现：DMA READ EXT命令的处理器代码，不在主固件镜像里，而是藏在服务区的覆盖模块（Overlay Module）里。

这些覆盖模块可以通过VSC dump出来，但更简单的方法是：等硬盘完全启动后，直接把包含代码的那段RAM区域导出到文件。最终我确认了这个代码存在于模块编号0x11中。

现在，终于可以写补丁了。

六、写补丁：给硬盘注入200毫秒延迟

有了读请求处理函数的代码，我开始规划hook点。最终我选了一个合适的位置插入跳转指令，跳转到一段空闲RAM空间里执行我自己的代码：

Hook_SataDmaRead:
    ldr r3, =(MS_DELAY * F_CPU / 1000)  # 10MHz * 200ms / 1000
Hook_SataDmaRead_loop:
    sub r3, r3, #1
    bne Hook_SataDmaRead_loop
    bx lr

这段代码会在每次读操作时，让硬盘CPU原地空转约200毫秒。