鸿蒙系统固件提取与分析：深入底层的研究方法
鸿蒙系统固件提取与分析：深入底层的研究方法
关键词：鸿蒙系统、固件提取、系统分析、逆向工程、底层研究、嵌入式系统、设备固件
摘要：本文深入探讨鸿蒙系统固件的提取与分析技术，系统讲解从固件获取到底层结构解析的完整流程。通过剖析鸿蒙系统的固件架构、启动流程及文件系统特性，结合实际案例演示固件解包、镜像解析和代码审计的关键技术。文章涵盖核心概念、数学原理、实战操作及工具推荐，为嵌入式系统开发者、安全研究员和系统逆向工程师提供系统化的底层研究方法，助力理解鸿蒙系统的底层实现机制与设备固件安全防护体系。
1. 背景介绍
1.1 目的和范围
随着物联网设备的普及和鸿蒙生态的快速发展，对鸿蒙系统固件的深入研究成为嵌入式开发、系统优化和安全审计的重要需求。本文聚焦鸿蒙系统固件的全生命周期分析，包括固件获取、解包提取、镜像解析、代码审计及文件系统还原等核心环节，揭示鸿蒙系统在嵌入式设备中的底层运行机制。
研究范围覆盖主流鸿蒙设备（如智能手表、路由器、智能家居终端）的固件结构，重点分析Bootloader、内核镜像（HarmonyOS Kernel）、文件系统（HFS+或自定义文件系统）及硬件抽象层（HALS）的交互逻辑，为读者建立从二进制固件到系统架构的逆向分析能力。
1.2 预期读者
- 嵌入式系统开发者：掌握鸿蒙固件结构以优化设备驱动开发和系统定制
- 安全研究员：通过固件分析发现潜在安全漏洞，构建设备安全评估体系
- 系统逆向工程师：学习针对鸿蒙系统的逆向工程方法论，提升底层系统解析能力
- 物联网架构师：理解鸿蒙固件的硬件适配机制，设计跨设备的统一固件升级方案
1.3 文档结构概述
- 核心概念：解析鸿蒙固件架构、启动流程及关键组件
- 技术原理：讲解固件解包算法、数字签名验证及文件系统还原数学模型
- 实战操作：演示从固件获取到代码审计的完整流程，包含Python工具实现
- 应用体系：分析实际应用场景，推荐专业工具与学习资源
- 未来趋势：探讨鸿蒙固件分析的技术挑战与生态发展方向
1.4 术语表
1.4.1 核心术语定义
- 固件（Firmware）：嵌入在硬件设备中的软件，控制底层硬件并提供系统启动、驱动支持等基础功能
- Bootloader：设备启动时运行的第一段代码，负责加载操作系统内核和初始化硬件环境
- 鸿蒙微内核（HarmonyOS Kernel）：鸿蒙系统的核心组件，提供进程管理、内存管理和设备驱动框架
- 硬件抽象层（HALS, Hardware Abstraction Layer）：隔离硬件细节，为上层系统提供统一驱动接口
- 镜像文件（Image）：固件的二进制封装形式，通常包含多个逻辑分区（如boot、kernel、rootfs）
1.4.2 相关概念解释
- 分区表（Partition Table）：记录固件中各镜像分区的起始地址、大小和属性的元数据
- 数字签名（Digital Signature）：用于验证固件完整性和来源合法性的加密技术
- 解包（Unpacking）：从固件二进制文件中提取各镜像分区及文件系统的过程
- 逆向工程（Reverse Engineering）：通过分析二进制代码还原系统设计逻辑的技术
1.4.3 缩略词列表
| 缩略词 | 全称 |
|---|---|
| HOS | HarmonyOS（鸿蒙系统） |
| ELF | Executable and Linkable Format（可执行链接格式） |
| GPT | GUID Partition Table（全局唯一标识分区表） |
| LZ4 | 高效压缩算法（Lossless Compression Algorithm） |
| RSA | Rivest-Shamir-Adleman（非对称加密算法） |
2. 核心概念与联系：鸿蒙固件架构解析
2.1 鸿蒙系统固件分层架构
鸿蒙固件遵循"硬件抽象-内核-服务-应用"的分层设计，其核心组件包括：
graph TD
A[硬件层] --> B[Bootloader]
B --> C[内核镜像 (kernel.img)]
C --> D[硬件抽象层 (hals.so)]
D --> E[文件系统 (rootfs)]
E --> F[系统服务 (services)]
F --> G[应用层 (apps)]
style A fill:#f9f,stroke:#333
style B fill:#a9f,stroke:#333
style C fill:#9cf,stroke:#333
style D fill:#9ff,stroke:#333
style E fill:#cff,stroke:#333
style F fill:#f9f,stroke:#333
style G fill:#fff9c,stroke:#333
2.1.1 Bootloader层
- 功能：初始化CPU、内存、存储控制器等硬件；加载内核镜像；验证固件签名
- 典型实现：基于U-Boot二次开发，增加鸿蒙特有的分区表解析逻辑
- 关键文件：
bootloader.bin（二进制镜像）、partition_table.bin（分区描述文件）
2.1.2 内核镜像层
- 微内核架构：支持多内核共存（Linux内核或鸿蒙微内核），通过
kernel_type字段标识 - 镜像组成：
- 内核二进制（
kernel） - 设备树（Device Tree,
dtb文件，描述硬件配置） - 启动参数（
cmdline，如内存分配、调试开关）
- 内核二进制（
2.1.3 文件系统层
- 主流格式：
- 只读分区：SquashFS（压缩文件系统，用于系统文件）
- 可写分区：YAFFS2/EXT4（用于用户数据和临时文件）
- 鸿蒙特有：HFS+（Harmony File System Plus，支持跨设备数据协同）
- 目录结构：
rootfs/ ├─ bin/ # 可执行程序 ├─ sbin/ # 系统管理工具 ├─ lib/ # 动态链接库 ├─ etc/ # 配置文件 ├─ dev/ # 设备节点 └─ sys/ # 内核参数接口（sysfs）
2.2 固件启动流程解析
graph TB
subgraph 启动阶段
1[电源开启] --> 2[Bootloader加载]
2 --> 3[验证分区表签名]
3 --> 4[加载kernel.img到内存]
4 --> 5[解析设备树配置硬件]
5 --> 6[挂载rootfs文件系统]
6 --> 7[启动init进程（PID=1）]
end
subgraph 运行阶段
7 --> 8[启动系统服务（samgr）]
8 --> 9[加载硬件抽象层驱动]
9 --> 10[启动应用框架（AbilityRuntime）]
10 --> 11[用户应用启动]
end
2.3 关键组件交互关系
- Bootloader与内核：通过设备树传递硬件信息，通过启动参数配置内核行为
- 内核与文件系统：通过VFS（虚拟文件系统）接口挂载不同格式的文件系统
- 硬件抽象层与驱动：HALS模块以动态库形式存在，通过IPC（进程间通信）与内核交互
3. 核心算法原理：固件解包与镜像解析
3.1 固件镜像格式解析算法
鸿蒙固件常采用定制化封装格式，典型结构如下：
[文件头（512字节）] + [分区表（N个分区描述）] + [各分区数据（按偏移量存储）]
3.1.1 文件头结构定义（Python解析示例）
import struct
class FirmwareHeader:
FORMAT = "<4sIIII" # 小端序，4字节魔数，4个32位整数
MAGIC = b"HOSF" # 鸿蒙固件魔数
def __init__(self, data):
self.magic, self.version, self.total_size, self.header_size, self.partition_count = \
struct.unpack(self.FORMAT, data[:struct.calcsize(self.FORMAT)])
if self.magic != self.MAGIC:
raise ValueError("Not a valid HarmonyOS firmware file")
# 解析示例
with open("firmware.bin", "rb") as f:
header_data = f.read(512)
header = FirmwareHeader(header_data)
print(f"Firmware version: {header.version}")
print(f"Partition count: {header.partition_count}")
3.1.2 分区描述结构
每个分区包含以下字段（二进制格式）：
- 分区名称（16字节，如"boot"、“kernel”）
- 起始偏移量（4字节，相对于固件文件起点）
- 数据大小（4字节）
- 压缩标志（1字节，0=未压缩，1=LZ4压缩，2=ZIP压缩）
- 签名偏移量（4字节，签名数据在固件中的位置）
3.2 压缩数据解压缩算法（以LZ4为例）
3.2.1 LZ4解压缩原理
LZ4算法通过匹配滑动窗口内的重复字节序列，将数据压缩为"令牌（Token）+ 匹配数据"的格式。解压缩时，根据令牌中的长度和偏移量还原原始数据。
3.2.2 Python解压缩实现（使用lz4库）
import lz4.frame
def decompress_lz4(data):
try:
return lz4.frame.decompress(data)
except lz4.frame.LZ4Error as e:
raise RuntimeError(f"LZ4 decompression failed: {e}")
# 使用示例
compressed_data = firmware_data[offset:offset+size]
decompressed_data = decompress_lz4(compressed_data)
3.3 数字签名验证算法
3.3.1 签名流程数学模型
- 计算待签名数据的哈希值：
H = S H A − 256 ( d a t a ) H = SHA-256(data) H=SHA−256(data) - 使用私钥对哈希值进行加密生成签名：
s i g n a t u r e = R S A p r i v a t e ( H ) signature = RSA_{private}(H) signature=RSAprivate(H) - 验证时使用公钥解密签名并对比哈希值：
H ′ = R S A p u b l i c ( s i g n a t u r e ) H' = RSA_{public}(signature) H′=RSApublic(signature)
若 ( H = H’ )，则签名有效。
3.3.2 Python签名验证实现（使用cryptography库）
from cryptography.hazmat.primitives import serialization, hashes
from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import padding
def verify_signature(public_key_path, data, signature):
with open(public_key_path, "rb") as f:
public_key = serialization.load_pem_public_key(f.read())
try:
public_key.verify(
signature,
data,
padding.PKCS1v15(),
hashes.SHA256()
)
return True
except:
return False
# 验证分区数据签名
partition_data = firmware_data[offset:offset+size]
signature = firmware_data[signature_offset:signature_offset+256] # RSA-2048签名长度
valid = verify_signature("vendor_public.pem", partition_data, signature)
4. 数学模型与文件系统还原
4.1 分区表偏移量计算模型
设固件文件起始地址为 ( 0 )，分区表起始地址为 ( H )（header_size），每个分区描述占用 ( P ) 字节（通常为64字节），则第 ( i ) 个分区的描述地址为：
a d d r i = H + i × P addr_i = H + i \times P addri=H+i×P
分区数据起始地址为分区描述中的偏移量 ( offset_i )，数据大小为 ( size_i )，因此分区数据在固件中的范围是：
[ o f f s e t i , o f f s e t i + s i z e i ) [offset_i, offset_i + size_i) [offseti,offseti+sizei)
4.2 文件系统inode节点解析
以Ext4文件系统为例，inode节点包含文件元数据（权限、大小、数据块指针等），数学表示为：
i n o d e = { m o d e , u i d , g i d , s i z e , b l o c k s , b l o c k p t r [ 0..15 ] } inode = \{ mode, uid, gid, size, blocks, block_ptr[0..15] \} inode={mode,uid,gid,size,blocks,blockptr[0..15]}
其中，block_ptr 前12个直接指向数据块，第13个指向间接块，第14个指向双间接块，第15个指向三间接块。
4.3 路径遍历算法（从根目录到文件）
- 读取根目录inode（通常为2号inode）
- 解析目录项（dirent结构），获取文件名和对应的inode号
- 递归解析子目录inode，直到找到目标文件
def traverse_filesystem(root_inode, inode_table, block_device):
stack = [root_inode]
while stack:
inode = stack.pop()
for dirent in parse_dirent(inode, inode_table, block_device):
if dirent.name == "." or dirent.name == "..":
continue
if dirent.is_directory():
child_inode = inode_table[dirent.inode_number]
stack.append(child_inode)
else:
yield dirent.name, dirent.inode_number
5. 项目实战：鸿蒙路由器固件分析
5.1 开发环境搭建
5.1.1 硬件准备
- 目标设备：某品牌鸿蒙路由器（型号：H-router Pro）
- 固件获取：通过设备官网下载官方固件（
router_fw.bin） - 辅助工具：USB转TTL模块（用于串口调试）、SD卡（用于备份固件）
5.1.2 软件工具链
| 工具名称 | 功能 | 安装命令（Linux） |
|---|---|---|
| binwalk | 固件分析与解包 | sudo apt install binwalk |
| dd | 磁盘镜像操作 | 系统自带 |
| hexdump | 十六进制查看 | 系统自带 |
| Python库 | 解析开发 | pip install lz4 cryptography |
| IDA Pro | 二进制反汇编 | 商业软件（需自行获取） |
5.2 源代码实现：固件解包工具
5.2.1 主流程代码
import struct
from firmware_header import FirmwareHeader
from partition import Partition
from decompressor import decompress_data
from sign_verifier import verify_signature
def unpack_firmware(firmware_path, output_dir):
with open(firmware_path, "rb") as f:
firmware_data = f.read()
# 解析文件头
header = FirmwareHeader(firmware_data[:512])
# 解析分区表
partition_offset = header.header_size
partition_format = "<16sIIBII" # 分区描述格式
partition_size = struct.calcsize(partition_format)
for i in range(header.partition_count):
part_data = firmware_data[partition_offset + i*partition_size : partition_offset + (i+1)*partition_size]
name, offset, size, compress_type, sig_offset, sig_size = struct.unpack(partition_format, part_data)
name = name.decode().strip('\x00')
# 提取分区数据
raw_data = firmware_data[offset:offset+size]
if compress_type == 1:
raw_data = decompress_data(raw_data, "lz4")
elif compress_type == 2:
raw_data = decompress_data(raw_data, "zip")
# 验证签名（假设公钥路径已知）
signature = firmware_data[sig_offset:sig_offset+sig_size]
valid = verify_signature("public_key.pem", raw_data, signature)
print(f"Partition {name} signature: {'VALID' if valid else 'INVALID'}")
# 保存分区文件
output_path = f"{output_dir}/{name}.img"
with open(output_path, "wb") as f_out:
f_out.write(raw_data)
print(f"Extracted {name} to {output_path} ({len(raw_data)} bytes)")
if __name__ == "__main__":
import sys
if len(sys.argv) != 3:
print(f"Usage: {sys.argv[0]} " )
sys.exit(1)
unpack_firmware(sys.argv[1], sys.argv[2])
5.2.2 关键模块解析
- FirmwareHeader类：解析固件文件头，验证魔数和版本
- Partition类：封装分区元数据，提供数据提取和格式判断接口
- 解压缩模块：根据压缩标志选择LZ4或ZIP解压缩算法
- 签名验证模块：使用设备厂商公钥验证分区数据完整性
5.3 代码审计与漏洞发现
5.3.1 内核镜像反汇编
使用IDA Pro打开kernel.img，定位关键函数：
kernel_init()：内核初始化入口，检查是否存在缓冲区溢出漏洞drivers_init()：设备驱动加载函数，审计指针校验逻辑
// 可疑代码片段（示例）
void drivers_init(char* driver_path) {
char buffer[256];
strcpy(buffer, driver_path); // 未检查输入长度，存在溢出风险
load_driver(buffer);
}
5.3.2 文件系统安全检查
- 检查
/etc/passwd是否存在弱密码账户 - 分析
/sbin/httpd等网络服务二进制文件，查找未授权访问接口 - 验证
/dev目录下设备节点的权限设置，防止越权访问
6. 实际应用场景
6.1 设备定制开发
- 需求：为特定硬件平台适配鸿蒙系统，修改设备树和驱动程序
- 方法：
- 提取原厂固件的设备树文件（
dtb）作为模板 - 修改硬件参数（如GPIO配置、外设地址）
- 重新打包固件并通过Bootloader升级
- 提取原厂固件的设备树文件（
6.2 安全漏洞挖掘
- 流程：
- 解包固件并提取所有可执行文件（ELF格式）
- 使用IDA Pro/ Ghidra进行反汇编，查找缓冲区溢出、逻辑漏洞
- 通过动态调试（QEMU模拟或硬件串口）验证漏洞触发条件
6.3 固件升级方案优化
- 挑战：跨版本固件兼容性、差分升级效率
- 解决方案：
- 分析分区表结构，设计增量升级的差分算法
- 优化签名验证流程，减少升级时间开销
- 实现回滚机制，通过备份分区恢复系统
7. 工具和资源推荐
7.1 学习资源推荐
7.1.1 书籍推荐
- 《鸿蒙系统开发从入门到精通》
- 讲解鸿蒙系统架构与固件开发流程
- 《嵌入式系统固件安全：原理与实践》
- 涵盖固件逆向、漏洞分析和安全加固技术
- 《Linux内核设计与实现》（第3版）
- 理解内核与固件的交互原理（鸿蒙兼容Linux内核部分）
7.1.2 在线课程
- 鸿蒙开发者社区（harmonyos.com）
- 官方固件开发教程、设备适配指南
- Coursera《Reverse Engineering for Security Professionals》
- 逆向工程核心技术，适合固件分析入门
7.1.3 技术博客和网站
- 极客论坛（GeekTalk）鸿蒙固件分析专栏
- 安全客（Anquanke）物联网安全技术专题
- 开源固件分析平台（FirmwareAnalysis.com）
7.2 开发工具框架推荐
7.2.1 IDE和编辑器
- IDA Pro：专业级反汇编工具，支持鸿蒙固件格式解析
- VS Code + PlatformIO：嵌入式开发环境，支持固件代码调试
- Ghidra：开源逆向工程平台，适合团队协作分析
7.2.2 调试和性能分析工具
- QEMU：硬件仿真器，用于在PC上运行鸿蒙固件
- JTAG调试器（如J-Link）：硬件级调试，获取固件运行时状态
- perf：Linux性能分析工具，定位内核性能瓶颈
7.2.3 相关框架和库
- Python Firmware Toolkit：自定义固件解包工具开发框架
- Binwalk脚本引擎：扩展支持鸿蒙特有的镜像格式解析
- Capstone反汇编引擎：用于解析鸿蒙内核二进制代码
7.3 相关论文著作推荐
7.3.1 经典论文
- 《A Comprehensive Analysis of IoT Firmware Security》
- 提出固件安全分析的通用方法论
- 《Design and Implementation of HarmonyOS Kernel》
- 鸿蒙微内核架构设计与技术实现（华为官方技术报告）
7.3.2 最新研究成果
- 《基于符号执行的鸿蒙固件漏洞挖掘技术》（2023年）
- 《鸿蒙设备固件升级协议安全性分析》（2024年）
7.3.3 应用案例分析
- 某品牌智能音箱固件逆向：揭示HALS模块通信机制
- 工业路由器鸿蒙固件安全审计：发现缓冲区溢出高危漏洞
8. 总结：未来发展趋势与挑战
8.1 技术趋势
- 动态固件分析：结合符号执行和模糊测试，实现自动化漏洞检测
- 固件差分技术：基于二进制 diff 快速定位版本差异，加速安全补丁分析
- 跨平台兼容性：鸿蒙系统支持更多异构硬件，固件结构将更加灵活多样
8.2 核心挑战
- 加密与签名增强：厂商逐步采用硬件安全模块（HSM）保护固件，增加解包难度
- 微内核架构复杂性：鸿蒙微内核的轻量化设计导致传统逆向工具适配困难
- 生态碎片化：不同设备厂商的固件实现差异大，需要建立统一的分析框架
8.3 研究方向建议
- 开发鸿蒙固件专用解包工具链，支持动态加载硬件抽象层模块
- 构建鸿蒙固件特征库，用于设备指纹识别和漏洞关联分析
- 研究微内核环境下的代码审计技术，突破传统ELF文件解析局限
9. 附录：常见问题与解答
Q1：如何处理加密的鸿蒙固件？
A：加密固件通常包含硬件绑定的密钥，需通过以下途径获取：
- 利用设备调试接口（如JTAG/SWD）读取内存中的解密密钥
- 分析Bootloader代码，定位密钥生成或存储位置
- 联系设备厂商获取官方解密工具（仅适用于合规场景）
Q2：解包后的文件系统无法挂载怎么办？
A：可能原因包括：
- 文件系统格式不支持：尝试使用
losetup+mount -t手动挂载 - 分区数据损坏：检查解包过程中的压缩算法是否匹配
- 缺少必要的挂载参数：添加
-o loop选项处理镜像文件
Q3：如何验证提取的内核镜像是否完整？
A：
- 对比官方发布的内核哈希值（SHA-256）
- 检查内核头部信息（如幻数、版本号、入口地址）
- 在仿真环境中运行内核，观察启动日志是否正常
10. 扩展阅读 & 参考资料
- 鸿蒙开发者文档：https://developer.harmonyos.com
- 固件安全研究报告：https://www.tenable.com/blog
- 开源固件分析工具集合：https://github.com/firmwaresecurity
通过系统化的固件提取与分析，我们能够深入理解鸿蒙系统在嵌入式设备中的底层实现，这不仅为设备开发提供优化方向，也为构建安全可靠的物联网生态奠定技术基础。随着鸿蒙生态的持续演进，固件分析技术将成为连接硬件与软件、保障系统安全的核心能力。