Android Linker 与 SO 加壳技术
发布于 1 年前 作者 Bugly_Tony 273856 次浏览 来自 技术

作者:王赛

1. 前言

Android 系统安全愈发重要,像传统pc安全的可执行文件加固一样,应用加固是Android系统安全中非常重要的一环。目前Android 应用加固可以分为dex加固和Native加固,Native 加固的保护对象为 Native 层的 SO 文件,使用加壳、反调试、混淆、VM 等手段增加SO文件的反编译难度。目前最主流的 SO 文件保护方案还是加壳技术, 在SO文件加壳和脱壳的攻防技术领域,最重要的基础的便是对于 Linker 即装载链接机制的理解。对于非安全方向开发者,深刻理解系统的装载与链接机制也是进阶的必要条件。

本文详细分析了 Linker 对 SO 文件的装载和链接过程,最后对 SO 加壳的关键技术进行了简要的介绍。

对于 Linker 的学习,还应该包括 Linker 自举、可执行文件的加载等技术,但是限于本人的技术水平,本文的讨论范围限定在 SO 文件的加载,也就是在调用dlopen("libxx.SO")之后,Linker 的处理过程。

本文基于 Android 5.0 AOSP 源码,仅针对 ARM 平台,为了增强可读性,文中列举的源码均经过删减,去除了其他 CPU 架构的相关源码以及错误处理。

P.S. :阅读本文的读者需要对 ELF 文件结构有一定的了解。

2. SO 的装载与链接

2.1 整体流程说明

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

通过前面的分析,可以看到, load_library 函数中包含了 SO 装载链接的主要过程, 后文主要通过分析 ElfReader 类和 soinfo_link_image 函数, 来分别介绍 SO 的装载和链接过程。

2.2 装载

在 load_library 中, 首先初始化 elf_reader 对象, 第一个参数为 SO 的名字, 第二个参数为文件描述符 fd: ElfReader elf_reader(name, fd) 之后调用 ElfReader 的 load 方法装载 SO。

    ...
    // Read the ELF header and load the segments.
    if (!elf_reader.Load(extinfo)) {
        return NULL;
    }
    ...

ElfReader::Load 方法如下:

bool ElfReader::Load(const Android_dlextinfo* extinfo) {
  return ReadElfHeader() &&             // 读取 elf header
         VerifyElfHeader() &&           // 验证 elf header
         ReadProgramHeader() &&         // 读取 program header
         ReserveAddressSpace(extinfo) &&// 分配空间
         LoadSegments() &&              // 按照 program header 指示装载 segments
         FindPhdr();                    // 找到装载后的 phdr 地址
}

ElfReader::Load 方法首先读取 SO 的elf header,再对elf header进行验证,之后读取program header,根据program header 计算 SO 需要的内存大小并分配相应的空间,紧接着将 SO 按照以 segment 为单位装载到内存,最后在装载到内存的 SO 中找到program header,方便之后的链接过程使用。 下面深入 ElfReader 的这几个成员函数进行详细介绍。

2.2.1 read&verify elfheader

bool ElfReader::ReadElfHeader() {
  ssize_t rc = read(fd_, &header_, sizeof(header_));

  if (rc != sizeof(header_)) {
    return false;
  }
  return true;
}

ReadElfHeader 使用 read 直接从 SO 文件中将 elf_header 读取 header_ 中,header_ 为 ElfReader 的成员变量,类型为 Elf32_Ehdr,通过 header 可以方便的访问 elf header中各个字段,elf header中包含有 program header table、section header table等重要信息。 对 elf header 的验证包括:

  • magic字节
  • 32/64 bit 与当前平台是否一致
  • 大小端
  • 类型:可执行文件、SO …
  • 版本:一般为 1,表示当前版本
  • 平台:ARM、x86、amd64 …

有任何错误都会导致加载失败。

2.2.2 Read ProgramHeader

bool ElfReader::ReadProgramHeader() {
  phdr_num_ = header_.e_phnum;      // program header 数量

  // mmap 要求页对齐
  ElfW(Addr) page_min = PAGE_START(header_.e_phoff);
  ElfW(Addr) page_max = PAGE_END(header_.e_phoff + (phdr_num_ * sizeof(ElfW(Phdr))));
  ElfW(Addr) page_offset = PAGE_OFFSET(header_.e_phoff);

  phdr_size_ = page_max - page_min;
  // 使用 mmap 将 program header 映射到内存
  void* mmap_result = mmap(NULL, phdr_size_, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd_, page_min);

  phdr_mmap_ = mmap_result;
  // ElfReader 的成员变量 phdr_table_ 指向program header table
  phdr_table_ = reinterpret_cast<ElfW(Phdr)*>(reinterpret_cast<char*>(mmap_result) + page_offset);
  return true;
}

将 program header 在内存中单独映射一份,用于解析program header 时临时使用,在 SO 装载到内存后,便会释放这块内存,转而使用装载后的 SO 中的program header。

2.2.3 reserve space & 计算 load size

bool ElfReader::ReserveAddressSpace(const Android_dlextinfo* extinfo) {
  ElfW(Addr) min_vaddr;
  // 计算 加载SO 需要的空间大小
  load_size_ = phdr_table_get_load_size(phdr_table_, phdr_num_, &min_vaddr);
  // min_vaddr 一般情况为零,如果不是则表明 SO 指定了加载基址
  uint8_t* addr = reinterpret_cast<uint8_t*>(min_vaddr);
  void* start;

  int mmap_flags = MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS;
  start = mmap(addr, load_size_, PROT_NONE, mmap_flags, -1, 0);

  load_start_ = start;
  load_bias_ = reinterpret_cast<uint8_t*>(start) - addr;
  return true;
}

首先调用 phdr_table_get_load_size 函数获取 SO 在内存中需要的空间load_size,然后使用 mmap 匿名映射,预留出相应的空间。

关于load_bias_: SO 可以指定加载基址,但是 SO 指定的加载基址可能不是页对齐的,这种情况会导致实际映射地址和指定的加载地址有一个偏差,这个偏差便是 load_bias_,之后在针对虚拟地址进行计算时需要使用 load_bias_ 修正。普通的 SO 都不会指定加载基址,这时min_vaddr = 0,则 load_bias_ = load_start_,即load_bias_ 等于加载基址,下文会将 load_bias_ 直接称为基址。

下面深入phdr_table_get_load_size分析一下 load_size 的计算:使用成员变量 phdr_table 遍历所有的program header, 找到所有类型为 PT_LOAD 的 segment 的 p_vaddr 的最小值,p_vaddr + p_memsz 的最大值,分别作为 min_vaddr 和 max_vaddr,在将两个值分别对齐到页首和页尾,最终使用对齐后的 max_vaddr - min_vaddr 得到 load_size。

size_t phdr_table_get_load_size(const ElfW(Phdr)* phdr_table, size_t phdr_count,
                                ElfW(Addr)* out_min_vaddr,
                                ElfW(Addr)* out_max_vaddr) {
  ElfW(Addr) min_vaddr = UINTPTR_MAX;
  ElfW(Addr) max_vaddr = 0;
  bool found_pt_load = false;
  for (size_t i = 0; i < phdr_count; ++i) {  // 遍历 program header
    const ElfW(Phdr)* phdr = &phdr_table[i];
    if (phdr->p_type != PT_LOAD) {
      continue;
    }
    found_pt_load = true;
    if (phdr->p_vaddr < min_vaddr) {
      min_vaddr = phdr->p_vaddr;         // 记录最小的虚拟地址
    }
    if (phdr->p_vaddr + phdr->p_memsz > max_vaddr) {
      max_vaddr = phdr->p_vaddr + phdr->p_memsz;  // 记录最大的虚拟地址
    }
  }
  if (!found_pt_load) {
    min_vaddr = 0;
  }
  min_vaddr = PAGE_START(min_vaddr);      // 页对齐
  max_vaddr = PAGE_END(max_vaddr);      // 页对齐
  if (out_min_vaddr != NULL) {
    *out_min_vaddr = min_vaddr;
  }
  if (out_max_vaddr != NULL) {
    *out_max_vaddr = max_vaddr;
  }
  return max_vaddr - min_vaddr;         // load_size = max_vaddr - min_vaddr
}

2.2.4 Load Segments

遍历 program header table,找到类型为 PT_LOAD 的 segment:

  1. 计算 segment 在内存空间中的起始地址 seg_start 和结束地址 seg_end,seg_start 等于虚拟偏移加上基址load_bias_,同时由于 mmap 的要求,都要对齐到页边界得到 seg_page_start 和 seg_page_end。
  2. 计算 segment 在文件中的页对齐后的起始地址 file_page_start 和长度 file_length。
  3. 使用 mmap 将 segment 映射到内存,指定映射地址为 seg_page_start,长度为 file_length,文件偏移为 file_page_start。
bool ElfReader::LoadSegments() {
  for (size_t i = 0; i < phdr_num_; ++i) {
    const ElfW(Phdr)* phdr = &phdr_table_[i];

    if (phdr->p_type != PT_LOAD) {
      continue;
    }
    // Segment 在内存中的地址.
    ElfW(Addr) seg_start = phdr->p_vaddr + load_bias_;
    ElfW(Addr) seg_end   = seg_start + phdr->p_memsz;

    ElfW(Addr) seg_page_start = PAGE_START(seg_start);
    ElfW(Addr) seg_page_end   = PAGE_END(seg_end);

    ElfW(Addr) seg_file_end   = seg_start + phdr->p_filesz;

    // 文件偏移
    ElfW(Addr) file_start = phdr->p_offset;
    ElfW(Addr) file_end   = file_start + phdr->p_filesz;

    ElfW(Addr) file_page_start = PAGE_START(file_start);
    ElfW(Addr) file_length = file_end - file_page_start;

    if (file_length != 0) {
      // 将文件中的 segment 映射到内存
      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);
    }
    // 如果 segment 可写, 并且没有在页边界结束,那么就将 segemnt end 到页边界的内存清零。
    if ((phdr->p_flags & PF_W) != 0 && PAGE_OFFSET(seg_file_end) > 0) {
      memset(reinterpret_cast<void*>(seg_file_end), 0, PAGE_SIZE - PAGE_OFFSET(seg_file_end));
    }

    seg_file_end = PAGE_END(seg_file_end);
    // 将 (内存长度 - 文件长度) 对应的内存进行匿名映射
    if (seg_page_end > seg_file_end) {
      void* zeromap = mmap(reinterpret_cast<void*>(seg_file_end),
                           seg_page_end - seg_file_end,
                           PFLAGS_TO_PROT(phdr->p_flags),
                           MAP_FIXED|MAP_ANONYMOUS|MAP_PRIVATE,
                           -1,
                           0);
    }
  }
  return true;
}

2.3 分配 soinfo

load_library 在调用 load_segments 完成装载后,接着调用 soinfo_alloc 函数为目标SO分配soinfo,soinfo_alloc 函数实现如下:

static soinfo* soinfo_alloc(const char* name, struct stat* file_stat) {

  soinfo* si = g_soinfo_allocator.alloc();  //分配空间,可以简单理解为 malloc
  // Initialize the new element.
  memset(si, 0, sizeof(soinfo));
  strlcpy(si->name, name, sizeof(si->name));
  si->flags = FLAG_NEW_SOINFO;

  sonext->next = si;    // 加入到存有所有 soinfo 的链表中
  sonext = si;
  return si;
}

Linker 为 每个 SO 维护了一个soinfo结构,调用 dlopen时,返回的句柄其实就是一个指向该 SO 的 soinfo 指针。soinfo 保存了 SO 加载链接以及运行期间所需的各类信息,简单列举一下:

装载链接期间主要使用的成员:

  • 装载信息
    • const ElfW(Phdr)* phdr;
    • size_t phnum;
    • ElfW(Addr) base;
    • size_t size;
  • 符号信息
    • const char* strtab;
    • ElfW(Sym)* symtab;
  • 重定位信息
    • ElfW(Rel)* plt_rel;
    • size_t plt_rel_count;
    • ElfW(Rel)* rel;
    • size_t rel_count;
  • init 函数和 finit 函数
    • Linker_function_t* init_array;
    • size_t init_array_count;
    • Linker_function_t* fini_array;
    • size_t fini_array_count;
    • Linker_function_t init_func;
    • Linker_function_t fini_func;

运行期间主要使用的成员:

  • 导出符号查找(dlsym):
    • const char* strtab;
    • ElfW(Sym)* symtab;
    • size_t nbucket;
    • size_t nchain;
    • unsigned* bucket;
    • unsigned* chain;
    • ElfW(Addr) load_bias;
  • 异常处理:
    • unsigned* ARM_exidx;
    • size_t ARM_exidx_count;

load_library 在为 SO 分配 soinfo 后,会将装载结果更新到 soinfo 中,后面的链接过程就可以直接使用soinfo的相关字段去访问 SO 中的信息。

    ...
    si->base = elf_reader.load_start();
    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();
    ...

2.4 链接

链接过程由 soinfo_link_image 函数完成,主要可以分为四个主要步骤:

1. 定位 dynamic section, 由函数 phdr_table_get_dynamic_section 完成,该函数会遍历 program header,找到为类型为 PT_DYNAMIC 的 header, 从中获取的是 dynamic section 的信息,主要就是虚拟地址和项数。

2. 解析 dynamic section dynamic section本质上是类型为Elf32_Dyn的数组,Elf32_Dyn 结构如下

typedef struct {
    Elf32_Sword d_tag;      /* 类型(e.g. DT_SYMTAB),决定 d_un 表示的意义*/
    union {
        Elf32_Word  d_val;  /* 根据 d_tag的不同,有不同的意义*/
        Elf32_Addr  d_ptr;  /* 虚拟地址 */
    } d_un;
} Elf32_Dyn;

Elf32_Dyn结构的d_tag属性表示该项的类型,类型决定了dun中信息的意义,e.g.:当d_tag = DT_SYMTAB表示该项存储的是符号表的信息,d_un.d_ptr 表示符号表的虚拟地址的偏移,当d_tag = DT_RELSZ时,d_un.d_val 表示重定位表rel的项数。 解析的过程就是遍历数组中的每一项,根据d_tag的不同,获取到不同的信息。 dynamic section 中包含的信息主要包括以下 3 类: - 符号信息 - 重定位信息 - init&finit funcs

3. 加载 needed SO 调用 find_library 获取所有依赖的 SO 的 soinfo 指针,如果 SO 还没有加载,则会将 SO 加载到内存,分配一个soinfo*[]指针数组,用于存放 soinfo 指针。

4. 重定位 重定位SO 链接中最复杂同时也是最关键的一步。重定位做的工作主要是修复导入符号的引用,下面一节将对重定位过程进行详细分析。

soinfo_link_image 的示意代码:

static bool soinfo_link_image(soinfo* si, const Android_dlextinfo* extinfo) {
...
    // 1. 获取 dynamic section 的信息,si->dynamic 指向 dynamic section
    phdr_table_get_dynamic_section(phdr, phnum, base, &si->dynamic,
                                   &dynamic_count, &dynamic_flags);
...
    // 2. 解析dynamic section
    uint32_t needed_count = 0;
    for (ElfW(Dyn)* d = si->dynamic; d->d_tag != DT_NULL; ++d) {
        switch (d->d_tag) {
         // 以下为符号信息
         case DT_HASH:
            si->nbucket = reinterpret_cast<uint32_t*>(base + d->d_un.d_ptr)[0];
            si->nchain = reinterpret_cast<uint32_t*>(base + d->d_un.d_ptr)[1];
            si->bucket = reinterpret_cast<uint32_t*>(base + d->d_un.d_ptr + 8);
            si->chain = reinterpret_cast<uint32_t*>(base + d->d_un.d_ptr + 8 + si->nbucket * 4);
            break;
         case DT_SYMTAB:
            si->symtab = reinterpret_cast<ElfW(Sym)*>(base + d->d_un.d_ptr);
            break;
         case DT_STRTAB:
            si->strtab = reinterpret_cast<const char*>(base + d->d_un.d_ptr);
            break;
         // 以下为重定位信息
         case DT_JMPREL:
            si->plt_rel = reinterpret_cast<ElfW(Rel)*>(base + d->d_un.d_ptr);
            break;
         case DT_PLTRELSZ:
            si->plt_rel_count = d->d_un.d_val / sizeof(ElfW(Rel));
            break;
         case DT_REL:
            si->rel = reinterpret_cast<ElfW(Rel)*>(base + d->d_un.d_ptr);
            break;
         case DT_RELSZ:
            si->rel_count = d->d_un.d_val / sizeof(ElfW(Rel));
            break;
         // 以下为 init&finit funcs
         case DT_INIT:
            si->init_func = reinterpret_cast<Linker_function_t>(base + d->d_un.d_ptr);
            break;
         case DT_FINI:
            ...
         case DT_INIT_ARRAY:
            si->init_array = reinterpret_cast<Linker_function_t*>(base + d->d_un.d_ptr);
            break;
         case DT_INIT_ARRAYSZ:
            ...
         case DT_FINI_ARRAY:
            ...
         case DT_FINI_ARRAYSZ:
            ...
         // SO 依赖
         case DT_NEEDED:
            ...
        ...
        }
...
    // 3. 加载依赖的SO
    for (ElfW(Dyn)* d = si->dynamic; d->d_tag != DT_NULL; ++d) {
        if (d->d_tag == DT_NEEDED) {
            soinfo* lsi = find_library(library_name, 0, NULL);
            si->add_child(lsi);
            *pneeded++ = lsi;
        }
    }
    *pneeded = NULL;
...
    // 4. 重定位
    soinfo_relocate(si, si->plt_rel, si->plt_rel_count, needed);
    soinfo_relocate(si, si->rel, si->rel_count, needed);
...
    // 设置已链接标志
    si->flags |= FLAG_LINKED;
    DEBUG("[ finished linking %s ]", si->name);
}

2.4.1 重定位 relocate

Android ARM 下需要处理两个重定位表,plt_rel 和 rel,plt 指的是延迟绑定,但是 Android 目前并不对延迟绑定做特殊处理,直接与普通的重定位同时处理。两个重定位的表都由 soinfo_relocate 函数处理。 soinfo_relocate 函数需要遍历重定位表,处理每个重定位项,每个重定位项的处理过程可以分为 3 步: 1. 解析重定位项和导入符号的信息

重定位项的结构如下

typedef struct {
     Elf32_Addr  r_offset;   /* 需要重定位的位置的偏移 */
     Elf32_Word  r_info;     /* 高24位为符号在符号表中的index,低8位为重定位类型 */
} Elf32_Rel;

首先从重定位项获取的信息如下:

  • 重定位的类型 type
  • 符号在符号表中的索引号 sym,sym 为0表示为本SO内部的重定位,如果不为0,意味着该符号为导入符号
  • 重定位的目标地址 reloc,使用r_offset + si_load_bias,相当于 偏移地址+基地址

符号表表项的结构为elf32_sym:

typedef struct elf32_sym {
    Elf32_Word  st_name;    /* 名称 - index into string table */
    Elf32_Addr  st_value;   /* 偏移地址 */
    Elf32_Word  st_size;    /* 符号长度( e.g. 函数的长度) */
    unsigned char   st_info;    /* 类型和绑定类型 */
    unsigned char   st_other;   /* 未定义 */
    Elf32_Half  st_shndx;   /* section header的索引号,表示位于哪个 section 中 */
} Elf32_Sym;

2. 如果 sym 不为0,则查找导入符号的信息 如果 sym 不为0,则继续使用 sym 在符号表中获取符号信息,从符号信息中进一步获取符号的名称。随后调用 soinfo_do_lookup 函数在所有依赖的 SO 中根据符号名称查找符号信息,返回值类型为 elf32_sym,同时还会返回含有该符号的 SO 的 soinfo( lsi ),如果查找成功则该导入符号的地址为: sym_addr = s->st_value + lsi->load_bias;

3. 修正需要重定位的地址 根据重定位类型的不同,修正重定位地址,具体的重定位类型定义和计算方法可以参考 aaelf 文档的 4.6.1.2 节。 对于导入符号,则使用根据第二步得到 sym_addr 去修正,对于 SO 内部的相对偏移修正,则直接将reloc的地址加上 SO 的基址。

static int soinfo_relocate(soinfo* si, ElfW(Rel)* rel, unsigned count, soinfo* needed[]) {
    ElfW(Sym)* s;
    soinfo* lsi;

    // 遍历重定位表
    for (size_t idx = 0; idx < count; ++idx, ++rel) {
        //
        // 1. 解析重定位项和导入符号的信息
        //
        // 重定位类型
        unsigned type = ELFW(R_TYPE)(rel->r_info);
        // 导入符号在符号表中的 index,可以为0,(修正 SO 内部的相对偏移)
        unsigned sym = ELFW(R_SYM)(rel->r_info);
        // 需要重定位的地址
        ElfW(Addr) reloc = static_cast<ElfW(Addr)>(rel->r_offset + si->load_bias);
        ElfW(Addr) sym_addr = 0;
        const char* sym_name = NULL;

        if (type == 0) { // R_*_NONE
            continue;
        }
        if (sym != 0) {
            //
            // 2. 如果 sym 有效,则查找导入符号
            //
            // 从符号表中获得符号信息,在根据符号信息从字符串表中获取字符串名
            sym_name = reinterpret_cast<const char*>(si->strtab + si->symtab[sym].st_name);
            // 在依赖的 SO 中查找符号,返回值为 Elf32_Sym 类型
            s = soinfo_do_lookup(si, sym_name, &lsi, needed);
            if (s == NULL) {}
                // 查找失败,不关心
            } else {
                // 查找成功,最终的符号地址 = s->st_value + lsi->load_bias
                // s->st_value 是符号在依赖 SO 中的偏移,lsi->load_bias 为依赖 SO 的基址
                sym_addr = static_cast<ElfW(Addr)>(s->st_value + lsi->load_bias);
            }
        } else {
            s = NULL;
        }
        //
        // 3. 根据重定位类型,修正需要重定位的地址
        //
        switch (type) {
        // 判断重定位类型,将需要重定位的地址 reloc 修正为目标符号地址
        // 修正导入符号
        case R_ARM_JUMP_SLOT:
            *reinterpret_cast<ElfW(Addr)*>(reloc) = sym_addr;
            break;
        case R_ARM_GLOB_DAT:
            *reinterpret_cast<ElfW(Addr)*>(reloc) = sym_addr;
            break;
        case R_ARM_ABS32:
            *reinterpret_cast<ElfW(Addr)*>(reloc) += sym_addr;
            break;
        case R_ARM_REL32:
            *reinterpret_cast<ElfW(Addr)*>(reloc) += sym_addr - rel->r_offset;
            break;
        // 不支持
        case R_ARM_COPY:
            /*
             * ET_EXEC is not supported SO this should not happen.
             */
            DL_ERR("%s R_ARM_COPY relocations are not supported", si->name);
            return -1;
        // SO 内部的偏移修正
        case R_ARM_RELATIVE:
            if (sym) {
                DL_ERR("odd RELATIVE form...");
                return -1;
            }
            *reinterpret_cast<ElfW(Addr)*>(reloc) += si->base;
            break;

        default:
            DL_ERR("unknown reloc type %d @ %p (%zu)", type, rel, idx);
            return -1;
        }
    }
    return 0;
}

2.5 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 看 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。

3. 加壳技术

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。

3.1 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

3.2 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。

3.2.1 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。

3.2.2 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,3.3节进行详细说明。

3.2.3 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 )。

3.3 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

参考

  • <<Linkers and loaders>>
  • <<ELF for the ARM Architecture>>