so的装载与链接

Posted 2020-12-21 runope

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title: so的装载与链接
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so的装载与链接

整体流程

1 do_dlopen

调用 dl_open 后，中间经过 dlopen_ext, 到达第一个主要函数 do_dlopen:

soinfo* do_dlopen(const char* name, int flags, const android_dlextinfo* extinfo) {
  protect_data(PROT_READ | PROT_WRITE);
  soinfo* si = find_library(name, flags, extinfo); // 查找 SO
  if (si != NULL) {
    si->CallConstructors(); // 调用 SO 的 init 函数
  }
  protect_data(PROT_READ);
  return si;
}

do_dlopen 调用了两个重要的函数，第一个是find_library, 第二个是 soinfo 的成员函数 CallConstructors，find_library 函数是 SO 装载链接的后续函数， 完成 SO 的装载链接后， 通过 CallConstructors 调用 SO 的初始化函数。

2 find_library_internal

find_library 直接调用了 find_library_internal，下面直接看 find_library_internal函数:

static soinfo* find_library_internal(const char* name, int dlflags, const Android_dlextinfo* extinfo) {
  if (name == NULL) {
    return somain;
  }
  soinfo* si = find_loaded_library_by_name(name);  // 判断 SO 是否已经加载
  if (si == NULL) {
    TRACE("[ ‘%s‘ has not been found by name.  Trying harder...]", name);
    si = load_library(name, dlflags, extinfo);     // 继续 SO 的加载流程
  }
  if (si != NULL && (si->flags & FLAG_LINKED) == 0) {
    DL_ERR("recursive link to "%s"", si->name);
    return NULL;
  }
  return si;
}

find_library_internal 首先通过 find_loaded_library_by_name 函数判断目标 SO 是否已经加载，如果已经加载则直接返回对应的soinfo指针，没有加载的话则调用 load_library 继续加载流程，下面看 load_library 函数。

3 load_library

static soinfo* load_library(const char* name, int dlflags, const Android_dlextinfo* extinfo) {
    int fd = -1;
    ...
    // Open the file.
    fd = open_library(name);                // 打开 SO 文件，获得文件描述符 fd
 
    ElfReader elf_reader(name, fd);         // 创建 ElfReader 对象
    ...
    // Read the ELF header and load the segments.
    if (!elf_reader.Load(extinfo)) {        // 使用 ElfReader 的 Load 方法，完成 SO 装载
        return NULL;
    }
 
    soinfo* si = soinfo_alloc(SEARCH_NAME(name), &file_stat);  // 为 SO 分配新的 soinfo 结构
    if (si == NULL) {
        return NULL;
    }
    si->base = elf_reader.load_start();  // 根据装载结果，更新 soinfo 的成员变量
    si->size = elf_reader.load_size();
    si->load_bias = elf_reader.load_bias();
    si->phnum = elf_reader.phdr_count();
    si->phdr = elf_reader.loaded_phdr();
    ...
    if (!soinfo_link_image(si, extinfo)) {  // 调用 soinfo_link_image 完成 SO 的链接过程
      soinfo_free(si);
      return NULL;
    }
    return si;
}

load_library 函数呈现了 SO 装载链接的整个流程，主要有3步:

1. 装载:创建ElfReader对象，通过 ElfReader 对象的 Load 方法将 SO 文件装载到内存
2. 分配soinfo:调用 soinfo_alloc 函数为 SO 分配新的 soinfo 结构，并按照装载结果更新相应的成员变量
3. 链接: 调用 soinfo_link_image 完成 SO 的链接

加固主要函数CallConstructors

在编译 SO 时，可以通过链接选项-init或是给函数添加属性__attribute__((constructor))来指定 SO 的初始化函数，这些初始化函数在 SO 装载链接后便会被调用，再之后才会将 SO 的 soinfo 指针返回给 dl_open 的调用者。SO 层面的保护手段，有两个介入点, 一个是 jni_onload, 另一个就是初始化函数，比如反调试、脱壳等，逆向分析时经常需要动态调试分析这些初始化函数。

完成 SO 的装载链接后，返回到 do_dlopen 函数, do_open 获得 find_library 返回的刚刚加载的 SO 的 soinfo，在将 soinfo 返回给其他模块使用之前，最后还需要调用 soinfo 的成员函数 CallConstructors。

soinfo* do_dlopen(const char* name, int flags, const Android_dlextinfo* extinfo) {
...
  soinfo* si = find_library(name, flags, extinfo);
  if (si != NULL) {
    si->CallConstructors();
  }
  return si;
...
}

CallConstructors 函数会调用 SO 的首先调用所有依赖的 SO 的 soinfo 的 CallConstructors 函数，接着调用自己的 soinfo 成员变量 init 和调用init_array 指定的函数，这两个变量在在解析 dynamic section 时赋值。

void soinfo::CallConstructors() {
  //如果已经调用过，则直接返回
  if (constructors_called) {
    return;
  }
  // 调用依赖 SO 的 Constructors 函数
  get_children().for_each([] (soinfo* si) {
    si->CallConstructors();
  });
  // 调用 init_func
  CallFunction("DT_INIT", init_func);
  // 调用 init_array 中的函数
  CallArray("DT_INIT_ARRAY", init_array, init_array_count, false);
}

有了以上分析基础后，在需要动态跟踪初始化函数时，我们就知道可以将断点设在 do_dlopen 或是 CallConstructors。

ADD SHELL

在病毒和版权保护领域，“壳”一直扮演着极为重要的角色。通过加壳可以对代码进行压缩和加密，同时再辅以虚拟化、代码混淆和反调试等手段，达到防止静态和动态分析。

在 Android 环境中，Native 层的加壳主要是针对动态链接库 SO，SO 加壳的示意图如下:

加壳工具、loader、被保护SO。

• SO: 即被保护的目标 SO。
• loader: 自身也是一个 SO，系统加载时首先加载 loader，loader 首先还原出经过加密、压缩、变换的 SO，再将 SO 加载到内存，并完成链接过程，使 SO 可以正常被其他模块使用。
• 加壳工具: 将被保护的 SO 加密、压缩、变换，并将结果作为数据与 loader 整合为 packed SO。

下面对 SO 加壳的关键技术进行简单介绍。

Loader执行时机

Linker 加载完 loader 后，loader 需要将被保护的 SO 加载起来，这就要求 loader 的代码需要被执行，而且要在 被保护 SO 被使用之前，前文介绍了 SO 的初始化函数便可以满足这个要求，同时在 Android 系统下还可以使用 JNI_ONLOAD 函数，因此 loader 的执行时机有两个选择:
- SO 的 init 或 initarray
- jni_onload

loader 完成 SO 的加载链接

loader 开始执行后，首先需要在内存中还原出 SO，SO 可以是经过加密、压缩、变换等手段，也可已单纯的以完全明文的数据存储，这与 SO 加壳的技术没有必要的关系，在此不进行讨论。
在内存中还原出 SO 后，loader 还需要执行装载和链接，这两个过程可以完全模仿 Linker 来实现，下面主要介绍一下相对 Linker，loader 执行这两个过程有哪些变化。

装载

还原后的 SO 在内存中，所以装载时的主要变化就是从文件装载到从内存装载。
Linker 在装载 PT_LAOD segment时，使用 SO 文件的描述符 fd：

      void* seg_addr = mmap(reinterpret_cast<void*>(seg_page_start),
                            file_length,
                            PFLAGS_TO_PROT(phdr->p_flags),
                            MAP_FIXED|MAP_PRIVATE,
                            fd_,
                            file_page_start);

按照 Linker 装载，PT_LAOD segment时，需要分为两步：

      // 1、改用匿名映射
      void* seg_addr = mmap(reinterpret_cast<void*>(seg_page_start),
                            file_length,
                            PFLAGS_TO_PROT(phdr->p_flags),
                            MAP_FIXED|MAP_PRIVATE,
                            -1,
                            0);
     // 2、将内存中的 segment 复制到映射的内存中
     memcpy(seg_addr+seg_page_offset, elf_data_buf + phdr->p_offset, phdr->p_filesz);

注意第2步复制 segment 时，目标地址需要加上 seg_page_offset，seg_page_offset 是 segment 相对与页面起始地址的偏移。
其他的步骤基本按照 Linker 的实现即可，只需要将一些从文件读取修改为从内存读取，比如读 elfheader和program header时。

分配soinfo

soinfo 保存了 SO 装载链接和运行时需要的所有信息，为了维护相关的信息，loader 可以照搬 Linker 的 soinfo 结构，用于存储中间信息，装载链接结束后，还需要将 soinfo 的信息修复到 Linker 维护的soinfo。

链接

链接过程完全是操作内存，不论是从文件装载还是内存装载，链接过程都是一样，完全模仿 Linker 即可。
另外链接后记得顺便调用 SO 初始化函数( init 和 init_array )。

soinfo 修复

SO 加壳的最关键技术点在于 soinfo 的修复，由于 Linker 加载的是 loader，而实际对外使用的是被保护的 SO，所以 Linker 维护的 soinfo 可以说是错误，loader 需要将自己维护的 soinfo 中的部分信息导出给 Linker 的soinfo。

修复过程如下：

1. 获取 Linker 维护的 soinfo，可以通过 dlopen 打开自己来获得：self_soinfo = dlopen(self)。
2. 将 loader soinfo 中的信息导出到 self_soinfo，最简单粗暴的方式就是直接赋值，比如：self_soinfo.base = soinfo.base。需要导出的主要有以下几项：
   - SO地址范围：base、size、load_bias
   - 符号信息:sym_tab、str_tab、
   - 符号查找信息：nbucket、nchain、bucket、chain
   - 异常处理：ARM_exidx、ARM_exidx_count

Android Linker 与 SO 加壳技术 : https://blog.csdn.net/hgl868/article/details/52759921

IDA调试android so的.init_array数组：https://www.cnblogs.com/bingghost/p/6297325.html

Android NDK中.init段和.init_array段函数的定义方式：https://www.dllhook.com/post/213.html

Linker学习笔记：https://wooyun.js.org/drops/Android Linker学习笔记.html