Die Erforschung und Entschlüsselung proprietärer Kompressionsverfahren stellt eine Herausforderung dar, die oftmals Geduld, technische Expertise und das richtige Vorgehen erfordert. Die Fujitsu M7MU RELC Hardware-Kompression ist ein solches Verfahren, das in der Firmware mehrerer Samsung Kameramodelle wie der NX mini, NX3000/NX3300 und Galaxy K Zoom Verwendung findet. Der Reverse-Engineering-Prozess erlaubt uns nicht nur, mehr über die Technologie hinter der Kompression zu erfahren, sondern ist auch essentiell, um Firmware zu extrahieren, Updates vorzunehmen oder alternative Werkzeuge zur Analyse zu entwickeln. Die Fujitsu RELC Kompression ist dabei eine speziell auf eingebettete Systeme zugeschnittene Variante der LZSS (Lempel-Ziv-Storer-Szymanski) Kompression, welche durch Hardwareunterstützung wesentlich effizienter gestaltet ist. Sie gehört zu einem IP-Core, der in den ARM SoCs von Fujitsu integriert ist und die schnelle, verlustfreie Dekompression von Firmware-Daten ermöglicht.
Das zugrundeliegende Prinzip der RELC-Kompression verbindet die Effizienz moderner Kompressionsverfahren mit speziell optimierter Hardwarearchitektur und erzeugt dabei Kompressionsdaten, die sich nicht leicht mit Standardalgorithmen analysieren lassen. Auf den ersten Blick präsentieren sich die Firmwaredateien der Samsung Kameramodelle als binäre Container, die mehrere sektionale Dateien enthalten. Diese sog. chunk-Dateien zeigen unterschiedliche Kompressionsraten und sind unterschiedlich groß – von wenigen Bytes bis zu mehreren Megabyte. In den größeren Dateien finden sich oft kryptische Zeichenreihen, welche auf eine Kompression hinweisen.
Die Herausforderung liegt darin, die innere Struktur der komprimierten Daten zu verstehen, um die Originaldaten verlustfrei zu rekonstruieren. Der Einstieg in die Analyse begann mit der Feststellung, dass innerhalb der Firmware Texte mit bekannten Strings wie Lizenzhinweisen von wpa_supplicant oder anderen Open-Source-Komponenten sichtbar sind, die jedoch komprimiert und an gewissen Stellen durch nicht lesbare Sequenzen unterbrochen werden. Die Existenz bekannter, halbwegs verständlicher Textabschnitte ermöglichte eine Korrelation zwischen komprimierten Daten und unkomprimierten Referenzdaten. Dies ist ein klassischer Ansatz beim Reverse Engineering von Kompressionsalgorithmen – bekannte Klartextbits helfen, die Abschnitte im komprimierten Datenstrom zu identifizieren und das Format der Token zu entschlüsseln. Die detaillierte Analyse führte zur Erkenntnis, dass ein bitmaskenbasiertes Verfahren mit festen 16-Bit-Bitmasks zur Unterscheidung von Literalen (tatsächlicher Bytes im Klartext) und Tokens (Backreferences auf vorherige Datenblöcke) zum Einsatz kommt.
Die verwendeten Tokens weisen eine Länge von zwei Bytes auf, wobei die Bits darin sinnvoll auf Offset und Länge aufgeteilt sind. Über weitere Beispiele konnte bestätigt werden, dass sich 13 Bits zur Angabe des Offsets auf den Rückwärts-Suchpuffer beziehen, der somit eine Fenstergröße von 8 Kilobyte nutzt. Die verbleibenden Bits kodieren die Länge der zu kopierenden Daten, beginnend ab einer Mindestlänge von drei Bytes. Ein besonders interessantes Detail war die variable Länge der Token-Länge, die über mehrere Bytes (Variable-Length-Encoding) dargestellt werden kann. Dies erhöht die Effizienz der Kompression bei besonders langen Wiederholungssequenzen, die sonst mit festen Bits nicht hinreichend kodierbar wären.
Die Strategie ist dabei, wenn ein Grenzwert erreicht wird, weitere Bytes für die Verlängerung des Zählers einzufügen. Diese Erkenntnis entstand durch das präzise Abgleichen der decompressierten Daten mit dem erwarteten Klartext und das Ausloten unterschiedlicher fehlerbehafteter Bereiche, die durch falsche Annahmen über die Länge erklärbar waren. Solch eine variable Token-Länge erinnert an Verfahren wie MIDI-Events oder einfache Fortsetzungsbits in Binärformaten, die zur effizienten Übertragung von Zahlenwerten mit unbestimmter Länge dienen. Die praktische Implementierung der Dekompression zieht derart mehrere Zählbytes in Folge ein, bis kein weiteres 0xFF als Fortführungsbyte vorliegt. Dadurch lassen sich sogar massiv lange Sequenzen von repetitiven Zeichen wirtschaftlich kodieren.
Das beschriebene Verfahren erreichte beeindruckende Kompressionsraten, teilweise jenseits einer 250-fachen Verringerung der Datenmenge. Als ein weiterer Meilenstein zeigte sich die Strukturierung der Dateien in sogenannte Subsections (Teilschnitte). Jede dieser Subsections beginnt mit einem 16-Bit-Header, dessen höchstwertiges Bit angibt, ob die folgende Sequenz komprimiert (Bit = 0) oder unkomprimiert (Bit = 1) vorliegt. Die restlichen Bits geben die Länge des (un)komprimierten Abschnitts an. Die Behandlung unkomprimierter Bereiche sorgte dafür, dass das Inputfenster für die weiteren Backreferenzen ordnungsgemäß aktualisiert wird und somit Folgeabschnitte fehlerfrei dekomprimiert werden können.
Interessanterweise wurde in manchen Fällen festgestellt, dass am Ende einer Subsection ein 0x0000-Wert als Marker auftaucht, der das Ende der jeweiligen Sektion signalisiert. Dadurch wird klar, dass Firmware-Dateien eine Art Containerformat besitzen, das mehrere komprimierte oder unkomprimierte Subsections logisch zusammenfasst. Die historische Einordnung der RELC Kompression führt zu Quellen aus dem japanischen Softwaremarkt, die bereits 2004 bis 2014 über RELC und eine verwandte Kompression namens ESLC (Embedded Super Lossless Compression) berichten. Fujitsu bot für ARM-basierte Embedded Systeme spezielle Hardwareunterstützungen für diese verlustfreie Kompression an, um die Ressourcenbegrenzungen bei eingebetteten Geräten wie Digitalkameras zu überwinden. Die Hardware beschleunigte dieses Prozedere, indem sie direkt auf dem AHB-Bus (Advanced High-performance Bus) des Prozessors arbeitete und so Zeit und Energie sparte.
Die Reverse-Engineering-Arbeit an der Samsung NX mini Firmware hat es zuletzt möglich gemacht, eine Open-Source-Implementierung des RELC-Kompressionsalgorithmus zu erstellen. Die praktische Folge ist, dass nun Firmwaredateien vollständig dekomprimiert, analysiert und damit neue Software-Tools gebaut sowie Anpassungen vorgenommen werden können, ohne auf proprietäre Werkzeuge angewiesen zu sein. Dies erlaubt zudem tiefere Einblicke in die Softwarearchitektur der Kamera und eröffnet Möglichkeiten für Entwickler und Forscher, alternative Firmware-Modifikationen zu verfolgen oder Sicherheitsanalysen durchzuführen. Zusammenfassend stellt der Entwicklungsprozess vom Verständnis binärer Firmware-Container über die Identifikation des LZSS-ähnlichen RELC-Verfahrens bis hin zur vollständigen Implementation einer Dekompression ein Lehrstück im Bereich Embedded Systems Reverse Engineering dar. Die Herausforderung, variable Bitmuster zu interpretieren, variable Tokenlängen zu erkennen und mit Hardware-bedingten Besonderheiten umzugehen, zeigt, wie komplex und raffiniert moderne Kompressionslösungen in spezialisierten Geräten sein können.
Die Erkenntnisse rund um die Fujitsu M7MU RELC Kompression tragen dazu bei, die Firmwareplattformen der Samsung Kameras besser zugänglich zu machen und ebnen den Weg für zukünftige Open-Source-Projekte rund um Embedded Firmware und Kompressionstechnologien. Softwareentwickler und Technikbegeisterte erhalten somit wertvolle Werkzeuge zur weiteren Erforschung und eigenen Entwicklung von Firmware-Kompressionsalgorithmen – ein wichtiger Schritt in Richtung Transparenz und innovativer Weiterentwicklung in der Embedded-Branche.
