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CTF 문제로 알아보는 ESP32 리버싱

Posted Mar 31, 2025
By blackcon
14 min read

Codgate 2025에서 출제된 리버싱 문제 physical을 통해 ESP32 바이너리를 분석해보는 과정을 정리한 글이에요. 이번 분석에서는 flash 이미지(flash.bin)로부터 애플리케이션 코드(app0)와 크래시 상황을 담은 coredump를 추출하고, Ghidra와 다양한 분석 도구를 활용해 그 내용을 살펴봤어요.

codegate2025-physical

ESP32는 MCU 기반의 SoC(System-on-Chip)로, IoT 기기에서 자주 사용되며 내부 flash에 파티션 형태로 데이터를 저장하고 실행해요. CTF 문제로 출제되었을 경우, 일반적으로 다음과 같은 흐름으로 분석이 진행됩니다:

flash 영역 분석 → app 코드 추출 → coredump 추출 → 리버싱 및 Emulation

📦 flash.bin 파티션 구조 이해하기

주요 파티션 구성 및 설명

Label Offset Type Subtype 설명
nvs 0x9000 DATA WIFI 비휘발성 저장소 (Wi-Fi 설정, 키 등)
otadata 0xe000 DATA OTA OTA 관련 메타데이터
app0 0x10000 APP ota_0 메인 애플리케이션 영역
app1 0x150000 APP ota_1 OTA용 대체 앱 영역
spiffs 0x290000 DATA unknown SPIFFS 파일 시스템
coredump 0x3f0000 DATA unknown 시스템 크래시 덤프 저장 영역

이 구조는 esp_image_parser를 통해 간편하게 확인할 수 있어요:

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python3 esp32_image_parser.py show_partitions flash.bin
reading partition table...
entry 0:
  label      : nvs
  offset     : 0x9000
  length     : 20480
  type       : 1 [DATA]
  sub type   : 2 [WIFI]

entry 1:
  label      : otadata
  offset     : 0xe000
  length     : 8192
  type       : 1 [DATA]
  sub type   : 0 [OTA]

entry 2:
  label      : app0
  offset     : 0x10000
  length     : 1310720
  type       : 0 [APP]
  sub type   : 16 [ota_0]

entry 3:
  label      : app1
  offset     : 0x150000
  length     : 1310720
  type       : 0 [APP]
  sub type   : 17 [ota_1]

entry 4:
  label      : spiffs
  offset     : 0x290000
  length     : 1441792
  type       : 1 [DATA]
  sub type   : 130 [unknown]

entry 5:
  label      : coredump
  offset     : 0x3f0000
  length     : 65536
  type       : 1 [DATA]
  sub type   : 3 [unknown]

MD5sum:
972dae2ff872a0142d60bad124c0666b
Done

🔍 app0 영역 추출하기

애플리케이션 코드가 저장된 app0 영역은 아래 명령어로 추출할 수 있어요:

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(base) ➜ user@mac  ~/ctf/rev/physiaxl  dd if=flash.bin of=app0.bin bs=1 count=1310720 skip=0x10000
1310720+0 records in
1310720+0 records out
1310720 bytes transferred in 1.829849 secs (716300 bytes/sec)
(base) ➜ user@mac  ~/ctf/rev/physiaxl  file app0.bin
app0.bin: DOS executable (COM)
(base) ➜ user@mac  ~/ctf/rev/physiaxl  hexdump -C app0.bin | head
00000000  e9 05 02 2f 8c 27 08 40  ee 00 00 00 00 00 00 00  |.../.'.@........|
00000010  00 ff ff 00 00 00 00 01  20 00 40 3f 18 2b 01 00  |........ .@?.+..|
00000020  32 54 cd ab 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |2T..............|
00000030  33 37 64 36 39 63 61 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |37d69ca.........|
00000040  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
00000050  61 72 64 75 69 6e 6f 2d  6c 69 62 2d 62 75 69 6c  |arduino-lib-buil|
00000060  64 65 72 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |der.............|
00000070  31 32 3a 31 31 3a 35 36  00 00 00 00 00 00 00 00  |12:11:56........|
00000080  46 65 62 20 31 32 20 32  30 32 35 00 00 00 00 00  |Feb 12 2025.....|
00000090  76 35 2e 33 2e 32 2d 35  38 34 2d 67 34 38 39 64  |v5.3.2-584-g489d|

추출된 app0.bin은 ESP32용 바이너리 포맷으로, 첫 바이트가 0xE9인 걸 통해 확인할 수 있습니다. hexdump를 통해 컴파일 정보나 프로젝트 이름, 빌드 시간 등을 엿볼 수 있는데, 이는 이후 분석 과정에서 유용하게 쓰여요.

💥 coredump 추출 및 분석 준비

시스템 크래시 당시 메모리 상태를 담고 있는 coredump는 다음과 같이 추출해요:

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(base) ➜ user@mac  ~/ctf/rev/physical  dd if=flash.bin of=coredump bs=1 count=65536 skip=0x3f0000
65536+0 records in
65536+0 records out
65536 bytes transferred in 0.120672 secs (543092 bytes/sec)
(base) ➜ user@mac  ~/ctf/rev/physical  file coredump
coredump: data
(base) ➜ user@mac  ~/ctf/rev/physical  hexdump -C coredump| head
00000000  c4 29 00 00 02 01 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |.)..............|
00000010  00 00 00 00 2d 01 00 00  7f 45 4c 46 01 01 01 00  |....-....ELF....|
00000020  00 00 00 00 00 00 00 00  04 00 5e 00 01 00 00 00  |..........^.....|
00000030  00 00 00 00 34 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |....4...........|
00000040  34 00 20 00 10 00 28 00  00 00 00 00 04 00 00 00  |4. ...(.........|
00000050  34 02 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 a0 10 00 00  |4...............|
00000060  a0 10 00 00 06 00 00 00  00 00 00 00 01 00 00 00  |................|
00000070  d4 12 00 00 88 81 fb 3f  88 81 fb 3f 60 01 00 00  |.......?...?`...|
00000080  60 01 00 00 06 00 00 00  00 00 00 00 01 00 00 00  |`...............|
00000090  34 14 00 00 30 21 fb 3f  30 21 fb 3f e0 01 00 00  |4...0!.?0!.?....|

해당 파일은 ELF 형식이며, readelf를 통해 NOTE 섹션을 분석할 수 있어요:

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root@ubuntu:~/ctf/codegate/rev/physical# readelf -n coredump

Displaying notes found at file offset 0x00000234 with length 0x000010a0:
  Owner                Data size 	Description
  CORE                 0x0000024c	NT_PRSTATUS (prstatus structure)
  CORE                 0x0000024c	NT_PRSTATUS (prstatus structure)
  CORE                 0x0000024c	NT_PRSTATUS (prstatus structure)
  CORE                 0x0000024c	NT_PRSTATUS (prstatus structure)
  CORE                 0x0000024c	NT_PRSTATUS (prstatus structure)
  CORE                 0x0000024c	NT_PRSTATUS (prstatus structure)
  CORE                 0x0000024c	NT_PRSTATUS (prstatus structure)

Displaying notes found at file offset 0x00002874 with length 0x0000011c:
  Owner                Data size 	Description
  ESP_CORE_DUMP_INFO   0x00000048	Unknown note type: (0x0000204a)
   description data:
    02 01 00 00 32 66 39 63 39 66 63 35 66 00 00 00  
    00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00  
    00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00  
    00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00  
  ESP_EXTRA_INFOIN     0x00000098	Unknown note type: (0x000002a5)
   description data:
    88 81 fb 3f e8 00 00 00 1c 00 00 00 ee 00 00 00  
    00 00 00 00 c2 00 00 00 00 00 00 00 c3 00 00 00  
    00 00 00 00 c4 00 00 00 00 00 00 00 c5 00 00 00  
    20 0a 06 00 c6 00 00 00 00 00 00 00 b1 00 00 00  
    73 45 08 40 b2 00 00 00 00 00 00 00 b3 00 00 00  
    00 00 00 00 b4 00 00 00 00 00 00 00 b5 00 00 00  
    49 23 08 40 b6 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00  
    00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00  
    00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00

NOTE 섹션에서 확인 가능한 주요 항목:

  • NT_PRSTATUS: 각 코어의 레지스터 상태
  • ESP_CORE_DUMP_INFO: 코어 정보 요약
  • ESP_EXTRA_INFOIN: 예외 발생 시점의 백트레이스 및 기타 정보

이 정보를 활용하면 crash 당시 어떤 함수가 실행 중이었는지, 어떤 상황이었는지를 역추적할 수 있어요.

🔧 app0.bin 구조 확인하기 (esptool)

esptool의 image-info 명령어를 사용하면 바이너리 구조를 쉽게 파악할 수 있어요:

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(bk) ➜ user@mac  ~/tools/esptool git:(master) PYTHONPATH=`pwd` python3 -m esptool image-info ~/ctf/rev/physical/app0.bin
esptool.py v4.8.1
Image size: 1310720 bytes
Detected image type: ESP32

ESP32 Image Header
==================
Image version: 1
Entry point: 0x4008278c
Segments: 5
Flash size: 4MB
Flash freq: 80m
Flash mode: DIO

ESP32 Extended Image Header
===========================
WP pin: 0xee (disabled)
Flash pins drive settings: clk_drv: 0x0, q_drv: 0x0, d_drv: 0x0, cs0_drv: 0x0, hd_drv: 0x0, wp_drv: 0x0
Chip ID: 0 (ESP32)
Minimal chip revision: v0.0, (legacy min_rev = 0)
Maximal chip revision: v655.35

Segments Information
====================
Segment   Length   Load addr   File offs  Memory types
-------  -------  ----------  ----------  ------------
      0  0x12b18  0x3f400020  0x00000018  DROM
      1  0x03fd8  0x3ffbdb60  0x00012b38  BYTE_ACCESSIBLE, DRAM
      2  0x094f8  0x40080000  0x00016b18  IRAM
      3  0x2bcdc  0x400d0020  0x00020018  IROM
      4  0x062fc  0x400894f8  0x0004bcfc  IRAM

ESP32 Image Footer
==================
Checksum: 0xbf (valid)
Validation hash: 4280fcb5073d4f6cd1b51aeae5268bbb9b5f39e1223e59670ed4db68eb20fbff (valid)

Application Information
=======================
Project name: arduino-lib-builder
App version: 37d69ca
Compile time: Feb 12 2025 12:11:56
ELF file SHA256: 00d64733c51c91d7a571d650044532435cf2aea1a77ac0d1279e7fce2389d181
ESP-IDF: v5.3.2-584-g489d7a2b3a-dirty
Minimal eFuse block revision: 0.0
Maximal eFuse block revision: 0.99
Secure version: 0

출력 요약

  • Entry Point: 0x4008278c
  • Segment 수: 5개
Segment Load Addr File Offset Length Type
0 0x3F400020 0x00000018 0x12b18 DROM
1 0x3FFBDB60 0x00012B38 0x03fd8 DRAM
2 0x40080000 0x00016B18 0x094f8 IRAM
3 0x400D0020 0x00020018 0x2bcdc IROM (.text)
4 0x400894F8 0x0004BCFC 0x062fc IRAM

추가로 확인 가능한 정보:

  • 프로젝트 이름: arduino-lib-builder
  • ESP-IDF 버전: v5.3.2
  • 빌드 시간: 2025-02-12 12:11:56

🧠 Ghidra로 본격 분석 시작하기

📍 메모리 매핑 설정

import_binary

app0.bin은 ELF 포맷이 아니기 때문에 Ghidra에 Raw Binary로 불러온 후 수동으로 메모리 매핑을 지정해줘야 해요.

설정 방법

memory_mapping

  • Language: Xtensa:LE:32:default
  • Segment 매핑 예시:
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0x00000018 → 0x3F400020 (DROM)
0x00012B38 → 0x3FFBDB60 (DRAM)
0x00016B18 → 0x40080000 (IRAM)
0x00020018 → 0x400D0020 (IROM - .text)
0x0004BCFC → 0x400894F8 (IRAM)

이 과정을 정확히 진행하지 않으면 Entry Point 분석이 흐트러지거나, 함수 위치가 엉뚱하게 잡힐 수 있으니 주의가 필요해요.

🏁 Entry Point에서 main 추적하기

app0.bin의 image info를 통해 Entry Point를 획득하였는데요. 그 주소인 0x4008278c를 보게되면 함수 끝자락 어딘가의 주소인 것을 알 수 있어요. 이게 왜 Entry point인지 파악은 못했어요. (memory mapping이 잘 못 된건가..?)

entrypoint_0x4008278c

무튼 0x4008278c 이 주소가 실행되는 함수는 FUN_400826b0 인데요. 아 함수의 xref를 쫓아가보면 0x400827d1 코드에 도착하게 되고, 이 코드가 있는 함수인 FUN_40082794가 등장하게 됩니다.

0x400827d1

이 함수가 뭔지 봤더니, 프로그램의 초기화 루틴이 실행되는 찐(?) Entry point로 보여 집니다. (wsr(in_VECBASE,PTR_LOOP_40080578)로 인터럽트 벡터 베이스를 설정)

FUN_40082794

정리를 해보면 FUN_400826b0는 IO 설정, GPIO 초기화 등을 진행하는 코드로 보이며, 전체적인 흐름을 보면 FUN_40082794가 사실상 main 함수 역할을 한다고 판단할 수 있어요.

분석 흐름 요약:

  1. 코어 리셋 여부 및 초기 상태 점검
  2. 주변 장치 초기화
  3. 백트레이스 설정 및 예외 핸들링 초기화
  4. 사용자 로직 진입을 위한 준비

📌 분석 포인트 및 팁

다음과 같은 전략을 참고하면 보다 효율적으로 분석할 수 있어요:

  • xref, call graph, string reference 기능 적극 활용
  • ESP_EXTRA_INFOIN 내 백트레이스 주소와 코드상의 함수 매칭
  • app0.bin과 coredump의 메모리 매핑을 기반으로 실행 지점 재현
  • espcoredump.py + xtensa-esp32-elf-gdb를 통해 실시간 디버깅 구현

🔜 끝으로

이 문제의 직접적인 풀이는 해당 포스팅에 없습니다. 왜냐구요? 못 풀었어요 ㅎ… 혹시라도 푼다면 추가 write-up을 올려보도록 할게요. 하지만 안 올릴 확률이 더 높아요. 이만 여기까지 글을 쓰도록 하겠습니다! 👋

Hacking, Reversing
reversing esp32 hardware
This post is licensed under CC BY 4.0 by the author.
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ROP (Return Oriented Programming) 란?

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