Android Native Hook技术

Posted 2021-01-15 gm-201705

原理分析

ADBI是一个著名的安卓平台hook框架，基于 动态库注入 与 inline hook 技术实现。该框架主要由2个模块构成：1）hijack负责将so注入到目标进程空间，2）libbase是注入的so本身，提供了inline hook能力。

源码目录中的example则是一个使用ADBI进行hook epoll_wait的示例。

hijack

hijack实现动态库注入功能，通过在目标进程插入dlopen()调用序列，加载指定so文件。要实现这个功能，主要做两件事情：

• 获得目标进程中dlopen()地址
• 在目标进程的栈空间上构造一处dlopen()调用

下面分别解决这两个问题

1. 获得目标进程中dlopen()地址

在ADBI中，通过下面代码来获得目标进程中dlopen()函数地址：

void *ldl = dlopen("libdl.so", RTLD_LAZY);
if (ldl) {
    dlopenaddr = (unsigned long)dlsym(ldl, "dlopen");
    dlclose(ldl);
}
unsigned long int lkaddr;
unsigned long int lkaddr2;

find_linker(getpid(), &lkaddr);
find_linker(pid, &lkaddr2);

dlopenaddr = lkaddr2 + (dlopenaddr - lkaddr);

其中find_linker()函数功能是获取指定进程中linker的地址。

linker是android提供的动态链接器，每个进程都会映射一份到自己的进程空间，而dlopen()函数就是在linker里面定义，其相对于linker头部偏移是固定的。

因此要计算某进程中dlopen()函数地址，只需分别取当前进程linker地址lkaddr和dlopen()地址dlopenaddr，并通过 /proc/pid_xxx/maps 读取被注入进程linker地址lkaddr2。

dlopenaddr = lkaddr2 + (dlopenaddr - lkaddr) 即为目标进程中dlopen()地址。

2. 在目标进程的栈空间上构造dlopen()调用

要修改目标进程寄存器等信息，需使用到ptrace()函数，gdb等程序拥有查看、修改调试进程寄存器等的能力就是因为使用了ptrace()。

先将hijack attach到目标进程上去：

if (0 > ptrace(PTRACE_ATTACH, pid, 0, 0)) {
    printf("cannot attach to %d, error!
", pid);
    exit(1);
}
waitpid(pid, NULL, 0);

这时目标进程暂停，就可以通过ptrace对其进行修改了，以下代码获取寄存器值保存在regs中：

ptrace(PTRACE_GETREGS, pid, 0, &regs);

接下来要做的就是修改寄存器的值，在目标进程的栈空间上构造一处dlopen()调用，关键在sc数组：

unsigned int sc[] = {
    0xe59f0040, //0         ldr     r0, [pc, #64]
    0xe3a01000, //1         mov     r1, #0
    0xe1a0e00f, //2         mov     lr, pc
    0xe59ff038, //3         ldr     pc, [pc, #56]
    0xe59fd02c, //4         ldr     sp, [pc, #44]
    0xe59f0010, //5         ldr     r0, [pc, #16]
    0xe59f1010, //6         ldr     r1, [pc, #16]
    0xe59f2010, //7         ldr     r2, [pc, #16]
    0xe59f3010, //8         ldr     r3, [pc, #16]
    0xe59fe010, //9         ldr     lr, [pc, #16]
    0xe59ff010, //10        ldr     pc, [pc, #16]
    0xe1a00000, //11        nop                  r0
    0xe1a00000, //12        nop                  r1
    0xe1a00000, //13        nop                  r2
    0xe1a00000, //14        nop                  r3
    0xe1a00000, //15        nop                  lr
    0xe1a00000, //16        nop                  pc
    0xe1a00000, //17        nop                  sp
    0xe1a00000, //18        nop                  addr of libname
    0xe1a00000, //19        nop                  dlopenaddr
};

 

接下来使用上文取到的寄存器值对sc数组进行初始化：

sc[11] = regs.ARM_r0;
sc[12] = regs.ARM_r1;
sc[13] = regs.ARM_r2;
sc[14] = regs.ARM_r3;
sc[15] = regs.ARM_lr;
sc[16] = regs.ARM_pc;
sc[17] = regs.ARM_sp;
sc[19] = dlopenaddr;
    libaddr = regs.ARM_sp - n*4 - sizeof(sc);
sc[18] = libaddr;

 

上面代码数组内容就是我们要写入到目标进程当前栈空间的指令，即一份shellcode，接下来看一下这段shellcode实现了什么样的功能：

ldr r0,[pc,#64]

将so路径字符串地址存入r0

ARM指令集中PC寄存器总 指向当前指令的下两条指令 地址处，这是为了加快指令执行速度，如下图第一条指令执行时，第三条指令已经在读取：

指令一 > 读取    解析    执行
指令二 >         读取    解析    执行
指令三 >                 读取    解析    执行

因此PC+64实际指向sc[18]的位置，取其内容即为so路径字符串的地址

mov r1,#0

将0赋值给r1寄存器。

ldr pc,[pc,#56]

调用dlopen()函数，第一个参数r0为so路径符串地址，第二个参数r1为0。

ldr sp, [pc, #44] ldr r0, [pc, #16] ldr r1, [pc, #16] ldr r2, [pc, #16] ldr r3, [pc, #16] ldr lr, [pc, #16] ldr pc, [pc, #16]

函数执行完后，依次恢复保存的 sp/r0/r1/r2/r3/lr/pc 寄存器，并继续执行。

接下来我们通过ptrace调用，将上面构造的shellcode以及so路径字符串写入到目标进程栈上：

// so name写入栈
if (0 > write_mem(pid, (unsigned long*)arg, n, libaddr)) {
    printf("cannot write library name (%s) to stack, error!
", arg);
    exit(1);
}

// shellcode 写入栈
codeaddr = regs.ARM_sp - sizeof(sc);
if (0 > write_mem(pid, (unsigned long*)&sc, sizeof(sc)/sizeof(long), codeaddr)) {
    printf("cannot write code, error!
");
    exit(1);
}

 

/* Write NLONG 4 byte words from BUF into PID starting
   at address POS.  Calling process must be attached to PID. */
static int
write_mem(pid_t pid, unsigned long *buf, int nlong, unsigned long pos)
{
    unsigned long *p;
    int i;
 
    for (p = buf, i = 0; i < nlong; p++, i++)                                           
        if (0 > ptrace(PTRACE_POKETEXT, pid, (void *)(pos+(i*4)), (void *)*p))
            return -1;
    return 0;
}

写入栈以后，shellcode并不能执行，因为当前Android都开启了栈执行保护，需要先通过mprotect()，来修改栈的可执行权限：

// 计算栈顶指针
regs.ARM_sp = regs.ARM_sp - n*4 - sizeof(sc);
 
// 调用mprotect()设置栈可执行
regs.ARM_r0 = stack_start; // 栈起始位置
regs.ARM_r1 = stack_end - stack_start; // 栈大小
regs.ARM_r2 = PROT_READ|PROT_WRITE|PROT_EXEC; // 权限

if (nomprotect == 0) {
    if (debug)
        printf("calling mprotect
");
    regs.ARM_lr = codeaddr; // lr指向shellcode，mprotect()后执行
    regs.ARM_pc = mprotectaddr;
}
// 旧版本Android没有栈保护，Android 2.3引入
else {
    regs.ARM_pc = codeaddr;
}

 

这段代码首先计算栈顶位置，接着将栈 起始地址/栈大小/权限位 3个参数压栈，然后调用mprotect()函数设置栈的可执行权限，最后将lr寄存器设置为栈上代码的起始地址，这样当mprotect()函数返回后就可以正常执行栈上代码了。

最后，恢复目标进程的寄存器值，并恢复被ptrace()暂停的进程：

ptrace(PTRACE_SETREGS, pid, 0, &regs);
ptrace(PTRACE_DETACH, pid, 0, (void *)SIGCONT);
 
if (debug)
    printf("library injection completed!
");

到目前为止，我们已经能够在指定进程加载任意so库了！

libbase

其实so注入到目标进程中后，hook功能完全可以在init_array中实现，但ADBI为了方便我们使用，编写了一个通用的hook框架libbase.so

libbase依然要解决2个问题：

• 定位被 hook 函数位置
• 进行 inline hook

关于获取hook函数地址的方法这里不再赘述。直接看inline hook部分，这部分功能在hook.c的hook()函数中实现，先看hook_t结构体：

struct hook_t {
    unsigned int jump[3];           // 跳转指令（ARM）
    unsigned int store[3];          // 原指令（ARM）
    unsigned char jumpt[20];        // 跳转指令（Thumb）
    unsigned char storet[20];       // 原指令（Thumb）
    unsigned int orig;              // 被hook函数地址
    unsigned int patch;             // 补丁地址
    unsigned char thumb;            // 补丁代码指令集，1为Thumb，2为ARM
    unsigned char name[128];        // 被hook函数名
    void *data;
};

hook_t是一个标准inline hook结构体，保存了 跳转指令/跳转地址/指令集/被hook函数名 等信息。因为ARM使用了ARM和Thumb两种指令集，所以代码中需进行区分:

if (addr % 4 == 0) {
    /* ARM指令集 */
} else { 
    /* Thumb指令集 */
}

 

这样进行判断的依据是，Thumb指令的地址最后一位固定为 1。

接下来看一下ARM指令集分支的处理流程，这是该问题解决的核心部分：

if (addr % 4 == 0) {
    log("ARM using 0x%lx
", (unsigned long)hook_arm)
    h->thumb = 0;
    h->patch = (unsigned int)hook_arm;
    h->orig = addr;
    h->jump[0] = 0xe59ff000; // LDR pc, [pc, #0]
    h->jump[1] = h->patch;
    h->jump[2] = h->patch;
    for (i = 0; i < 3; i++)                                  
                h->store[i] = ((int*)h->orig)[i];
    for (i = 0; i < 3; i++)                                  
                    ((int*)h->orig)[i] = h->jump[i];
}

首先填充hook_t结构体，第一个for循环保存了原地址处3条指令，共12字节。第二个for循环用新的跳转指令进行覆写，关键的三条指令分别保存在jump[0]-[2]中：

jump[0]赋值0xe59ff000，翻译成ARM汇编为 ldr pc,[pc,#0] ，由于pc寄存器读出的值是当前指令地址加8，因此这条指令实际是将jump[2]的值加载到pc寄存器。
jump[2]保存的是hook函数地址。jump[1]仅用来4字节占位。Thumb分支原理与ARM分支一致，不再分析。

接下来我们注意到，函数最后调用了一处hook_cacheflush()函数：

hook_cacheflush((unsigned int)h->orig, (unsigned int)h->orig+sizeof(h->jumpt));

 

我们知道，现代处理器都有指令缓存，用来提高执行效率。前面我们修改的是内存中的指令，为防止缓存的存在，使我们修改的指令执行不到，需进行缓存的刷新：

void inline hook_cacheflush(unsigned int begin, unsigned int end)
{
    const int syscall = 0xf0002;
    __asm __volatile (
        "mov     r0, %0
"
        "mov     r1, %1
"
        "mov     r7, %2
"
        "mov     r2, #0x0
"
        "svc     0x00000000
"
        :
        :   "r" (begin), "r" (end), "r" (syscall)
        :   "r0", "r1", "r7"
        );
}

参考资料：

• ADBI github源码下载
• [ARM Cache Flush on mmap’d Buffers with __clear_cache()]bb