固件仿真（QEMU）

何时使用 / 何时不用

• 用：需要运行固件内程序观察行为/验证假设（固件 web 界面、服务端逻辑）
• 用：rootfs 已解出、需要整体启动（全系统仿真）
• 不用：只需静态分析（[[re-fw-rootfs]] 已覆盖）
• 不用：有实物板子且必须真实硬件交互（走 [[re-hardware-io]]，硬件提取/接口调试）
• 不用：目标只是解包看内容（走 [[re-fw-extract]]）

工具准备

所有工具先验证再使用。仿真 = 动态执行，默认沙箱 + 网络隔离（[[re-analyze/platform-tips]] 最高原则）；用户态仿真优先（最轻可行方案）。

qemu-user —— 用户态仿真（最轻）

• Linux: apt install qemu-user / dnf install qemu-user / pacman -S qemu-user
• macOS: brew install qemu（含用户态与系统态）
• Windows/WSL: WSL 内 Linux 版
• 验证: qemu-arm --version、qemu-mips --version（大端）、qemu-mipsel --version（小端）

qemu-system —— 全系统仿真

• Linux: apt install qemu-system-arm qemu-system-mips / dnf install qemu-system-arm qemu-system-mips / pacman -S qemu-system-arm qemu-system-mips
• macOS: brew install qemu
• Windows/WSL: WSL 内 Linux 版
• 验证: qemu-system-arm --version

binfmt_misc —— 直接执行交叉程序

• Linux: apt install binfmt-support qemu-user-static（Debian/Ubuntu 装 qemu-user-static 即自动注册各架构 binfmt 条目；Fedora 用 systemd binfmt 配置）；手动注册: update-binfmts --enable qemu-arm（或 /etc/binfmt.d/ 配置文件）
• macOS/Windows: 不支持，用 qemu-<arch> 显式调用
• 验证: ls /proc/sys/fs/binfmt_misc/ 可见 qemu-arm 条目；之后可直接执行 ./rootfs_out/usr/sbin/httpd

gdb-multiarch + gdbserver —— 交叉调试

• Linux: apt install gdb-multiarch / dnf install gdb-multiarch / pacman -S gdb-multiarch；gdbserver: apt install gdbserver（或随 gdb 包提供）
• macOS: brew install gdb（需 Developer Tools 授权，见 [[re-analyze/platform-tips]] macOS 分支）或 WSL 内 Linux 版
• Windows/WSL: WSL 内 Linux 版
• 验证: gdb-multiarch --version

firmadyne —— 全系统自动仿真框架（思路参考，可选装）

• 安装: git clone https://github.com/firmadyne/firmadyne，依赖 qemu-system-* 与预编译内核（scripts/ 下下载），首次搭建较重
• 验证: ls sources/ 有 getArch.py 等脚本；which qemu-system-mips
• 多数单程序分析不需要它——用户态优先（[[re-analyze/platform-tips]] 先给最轻可行方案）

操作步骤

按顺序执行，每步记下结果。

1. 用户态仿真（最轻，优先）：

   file rootfs_out/usr/sbin/httpd                    # 确认架构：ARM 32/64、MIPS(BE/EL)、RISC-V
   qemu-arm -L rootfs_out rootfs_out/usr/sbin/httpd  # -L 把 rootfs 当 sysroot（动态库/链接器从 rootfs 加载）
   # 大端 MIPS: qemu-mips -L rootfs_out ...
   # 小端 MIPS: qemu-mipsel -L rootfs_out ...
   

   缺库报错 → 交叉 ldd / readelf -d 看依赖，从 rootfs 补库；Web 服务类程序可加 -E 传环境变量。

   • -strace 记录客户程序系统调用（等效仿真内 strace——排查 mmap/ioctl 崩溃点直接用它）
   • -0 <argv0> 伪造 argv[0]（程序按调用名分支时用）；-cpu <型号> 指定 CPU（如 qemu-arm -cpu cortex-a9）
   • 跑不起来但静态可分析 → 回 [[re-fw-rootfs]] / [[re-binary-core]]，不在仿真上死磕。

2. 全系统仿真：

   # ARM（vexpress 平台）+ 内核与 initramfs：
   qemu-system-arm -M vexpress-a9 -kernel vmlinuz -initrd initramfs.img -nographic \
     -append "console=ttyAMA0 root=/dev/ram rdinit=/sbin/init"
   # MIPS（malta 平台，大端示例）：
   qemu-system-mips -M malta -kernel vmlinuz -initrd initramfs.img -nographic \
     -append "console=ttyS0 rdinit=/sbin/init"
   

   把 rootfs 制作成磁盘镜像（ext2 挂 root）或 initramfs（cpio 打包 rootfs_out）；firmadyne 的脚本就是自动化这套流程。 rootfs 已是磁盘镜像时直接挂盘：

   qemu-system-arm -M vexpress-a9 -kernel vmlinuz -drive file=rootfs.ext2,format=raw \
     -nographic -append "console=ttyAMA0 root=/dev/mmcblk0 rdinit=/sbin/init"
   

   root 设备名按平台磁盘控制器定（vexpress=mmcblk0、malta 的 IDE=/dev/sda 等，以 -M 平台文档为准）。

3. 外设缺失用 stub/回环：

   • 用户态：程序 mmap 固定地址（GPIO/UART 寄存器）崩溃 → strace 定位访问点，LD_PRELOAD 提供 stub 库返回假寄存器值
   • 全系统：-device 挂虚拟外设（e1000 / virtio 等）；真实芯片外设（wifi/基带）QEMU 无法模拟 → 打补丁跳过初始化或 stub 该 ioctl
   • 先确定程序初始化到哪一步崩（串口输出/日志），再决定 stub 哪部分

4. 交叉调试（qemu -g + gdb-multiarch）：

   qemu-arm -g 1234 -L rootfs_out rootfs_out/usr/sbin/httpd &   # -g 起 gdbstub
   gdb-multiarch rootfs_out/usr/sbin/httpd
   (gdb) target remote :1234
   

   全系统内：把 gdbserver 放进 rootfs，gdbserver :1234 /usr/sbin/httpd，宿主 target remote <qemu_ip>:1234；调试手法按 [[re-gdb]]。

5. 网络隔离下仿真：

   • 用户态：默认无网络；需要时用全系统方案
   • 全系统：先 -net none，确认行为后再加 -netdev user,id=n0（用户态 NAT，仅模拟出站，隔离宿主机）
   • 分析回连/协议前先隔离（[[re-analyze/platform-tips]] 最高原则），流量抓包与协议重建转 [[re-protocol]]；firmadyne 默认带网卡也需按此原则先行隔离

跨域联合

• [[re-firmware]]：工作流第 4 步固定调用本技能
• 架构识别与指令级深挖：ARM（向量表/Thumb/MMIO 外设交叉）→ [[re-arm]]；RISC-V（RV32/RV64/ecall）→ [[re-riscv]]（选对 qemu- 前先对照）
• 仿真内动态行为观察 → [[re-tracing]] + [[re-gdb]]（默认沙箱内，[[re-analyze/platform-tips]] 最高原则）
• 固件运行产生通信 → [[re-protocol]]；仿真内 ELF 深挖 → [[re-binary-core]]
• 仿真不成的程序回退静态 → [[re-fw-rootfs]]

常见坑与陷阱

• 外设寄存器访问崩溃：现象——程序 mmap 固定地址后读 GPIO/UART 寄存器段错误；原因——QEMU 用户态不模拟外设，地址无映射；对策——strace 定位访问点，LD_PRELOAD stub 返回模拟值（步骤 3）
• 架构选错直接 segfault：现象——qemu-arm 跑 MIPS 程序秒崩；原因——没先 file/readelf 确认架构与字节序（大端 mips ≠ mipsel）；对策——步骤 1 先确认，选对 qemu-
• 无网络设备 → 初始化卡死：现象——程序在网卡初始化处挂起不退出；原因——全系统仿真没配网卡，ioctl 无返回；对策——启动加 -device e1000 等虚拟网卡，或先 -net none 观察是否跳过（步骤 5）
• 时间戳/时钟函数陷阱：现象——程序读时间怪异（1970/倒退），行为与真实设备不同；原因——QEMU 虚拟时钟与墙钟不同步；对策——-rtc base=utc 固定，或 stub 掉 clock_gettime 相关调用
• 网络未隔离就仿真：现象——固件真实回连外网（C2/升级服务器）；原因——跳过网络隔离；对策——全系统仿真默认 -net none / 用户态 NAT（步骤 5），回连分析前按 [[re-analyze/platform-tips]] 隔离
• 命令族速查与操作序列见 [[commands]]；工具特有坑与版本差异见 [[gotchas]]