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AndroidLinker與SO加殼技術(shù)之上篇

1. 前言

Android 系統(tǒng)安全愈發(fā)重要，像傳統(tǒng)pc安全的可執(zhí)行文件加固一樣，應(yīng)用加固是Android系統(tǒng)安全中非常重要的一環(huán)。目前Android 應(yīng)用加固可以分為dex加固和Native加固，Native 加固的保護(hù)對(duì)象為 Native 層的 SO 文件，使用加殼、反調(diào)試、混淆、VM 等手段增加SO文件的反編譯難度。目前最主流的 SO 文件保護(hù)方案還是加殼技術(shù)， 在SO文件加殼和脫殼的***技術(shù)領(lǐng)域，最重要的基礎(chǔ)的便是對(duì)于 Linker 即裝載鏈接機(jī)制的理解。對(duì)于非安全方向開(kāi)發(fā)者，深刻理解系統(tǒng)的裝載與鏈接機(jī)制也是進(jìn)階的必要條件。

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本文詳細(xì)分析了 Linker 對(duì) SO 文件的裝載和鏈接過(guò)程，最后對(duì) SO 加殼的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹。

對(duì)于 Linker 的學(xué)習(xí)，還應(yīng)該包括 Linker 自舉、可執(zhí)行文件的加載等技術(shù)，但是限于本人的技術(shù)水平，本文的討論范圍限定在 SO 文件的加載，也就是在調(diào)用dlopen("libxx.SO")之后，Linker 的處理過(guò)程。

本文基于 Android 5.0 AOSP 源碼，僅針對(duì) ARM 平臺(tái)，為了增強(qiáng)可讀性，文中列舉的源碼均經(jīng)過(guò)刪減，去除了其他 CPU 架構(gòu)的相關(guān)源碼以及錯(cuò)誤處理。

另:閱讀本文的讀者需要對(duì) ELF 文件結(jié)構(gòu)有一定的了解。


2. SO 的裝載與鏈接

2.1 整體流程說(shuō)明

1. do_dlopen
調(diào)用 dl_open 后，中間經(jīng)過(guò) dlopen_ext, 到達(dá)第一個(gè)主要函數(shù) 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(); // 調(diào)用 SO 的 init 函數(shù)
 }
 protect_data(PROT_READ);
 return si;
}

do_dlopen 調(diào)用了兩個(gè)重要的函數(shù)，第一個(gè)是find_library, 第二個(gè)是 soinfo 的成員函數(shù) CallConstructors，find_library 函數(shù)是 SO 裝載鏈接的后續(xù)函數(shù)， 完成 SO 的裝載鏈接后， 通過(guò) CallConstructors 調(diào)用 SO 的初始化函數(shù)。

2. find_library_internal
find_library 直接調(diào)用了 find_library_internal，下面直接看 find_library_internal函數(shù):

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);  // 判斷 SO 是否已經(jīng)加載
 if (si == NULL) {
   TRACE("[ '%s' has not been found by name.  Trying harder...]", name);
   si = load_library(name, dlflags, extinfo);     // 繼續(xù) SO 的加載流程
 }
 if (si != NULL && (si->flags & FLAG_LINKED) == 0) {
   DL_ERR("recursive link to \"%s\"", si->name);
   return NULL;
 }
 return si;
}

find_library_internal 首先通過(guò) find_loaded_library_by_name 函數(shù)判斷目標(biāo) SO 是否已經(jīng)加載，如果已經(jīng)加載則直接返回對(duì)應(yīng)的soinfo指針，沒(méi)有加載的話則調(diào)用 load_library 繼續(xù)加載流程，下面看 load_library 函數(shù)。

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);                // 打開(kāi) SO 文件，獲得文件描述符 fd

   ElfReader elf_reader(name, fd);         // 創(chuàng)建 ElfReader 對(duì)象
   ...
   // Read the ELF header and load the segments.
   if (!elf_reader.Load(extinfo)) {        // 使用 ElfReader 的 Load 方法，完成 SO 裝載
       return NULL;
   }

   soinfo* si = soinfo_alloc(SEARCH_NAME(name), &file_stat);  // 為 SO 分配新的 soinfo 結(jié)構(gòu)
   if (si == NULL) {
       return NULL;
   }
   si->base = elf_reader.load_start();  // 根據(jù)裝載結(jié)果，更新 soinfo 的成員變量
   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_p_w_picpath(si, extinfo)) {  // 調(diào)用 soinfo_link_p_w_picpath 完成 SO 的鏈接過(guò)程
     soinfo_free(si);
     return NULL;
   }
   return si;
}

load_library 函數(shù)呈現(xiàn)了 SO 裝載鏈接的整個(gè)流程，主要有3步:

  1. 裝載:創(chuàng)建ElfReader對(duì)象，通過(guò) ElfReader 對(duì)象的 Load 方法將 SO 文件裝載到內(nèi)存

  2. 分配soinfo:調(diào)用 soinfo_alloc 函數(shù)為 SO 分配新的 soinfo 結(jié)構(gòu)，并按照裝載結(jié)果更新相應(yīng)的成員變量

  3. 鏈接: 調(diào)用 soinfo_link_p_w_picpath 完成 SO 的鏈接

通過(guò)前面的分析，可以看到， load_library 函數(shù)中包含了 SO 裝載鏈接的主要過(guò)程, 后文主要通過(guò)分析 ElfReader 類和 soinfo_link_p_w_picpath 函數(shù), 來(lái)分別介紹 SO 的裝載和鏈接過(guò)程。

2.2 裝載

在 load_library 中， 首先初始化 elf_reader 對(duì)象, 第一個(gè)參數(shù)為 SO 的名字， 第二個(gè)參數(shù)為文件描述符 fd:
ElfReader elf_reader(name, fd)
之后調(diào)用 ElfReader 的 load 方法裝載 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() &&             // 讀取 elf header
        VerifyElfHeader() &&           // 驗(yàn)證 elf header
        ReadProgramHeader() &&         // 讀取 program header
        ReserveAddressSpace(extinfo) &&// 分配空間
        LoadSegments() &&              // 按照 program header 指示裝載 segments
        FindPhdr();                    // 找到裝載后的 phdr 地址
}

ElfReader::Load 方法首先讀取 SO 的elf header，再對(duì)elf header進(jìn)行驗(yàn)證，之后讀取program header，根據(jù)program header 計(jì)算 SO 需要的內(nèi)存大小并分配相應(yīng)的空間，緊接著將 SO 按照以 segment 為單位裝載到內(nèi)存，最后在裝載到內(nèi)存的 SO 中找到program header，方便之后的鏈接過(guò)程使用。
下面深入 ElfReader 的這幾個(gè)成員函數(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

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 直接從 SO 文件中將 elfheader 讀取 header 中，header_ 為 ElfReader 的成員變量，類型為 Elf32_Ehdr，通過(guò) header 可以方便的訪問(wèn) elf header中各個(gè)字段，elf header中包含有 program header table、section header table等重要信息。
對(duì) elf header 的驗(yàn)證包括:

  • magic字節(jié)

  • 32/64 bit 與當(dāng)前平臺(tái)是否一致

  • 大小端

  • 類型:可執(zhí)行文件、SO …

  • 版本:一般為 1，表示當(dāng)前版本

  • 平臺(tái):ARM、x86、amd64 …

有任何錯(cuò)誤都會(huì)導(dǎo)致加載失敗。

2.2.2 Read ProgramHeader

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

 // mmap 要求頁(yè)對(duì)齊
 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 將 program header 映射到內(nèi)存
 void* mmap_result = mmap(NULL, phdr_size_, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd_, page_min);

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

將 program header 在內(nèi)存中單獨(dú)映射一份，用于解析program header 時(shí)臨時(shí)使用，在 SO 裝載到內(nèi)存后，便會(huì)釋放這塊內(nèi)存，轉(zhuǎn)而使用裝載后的 SO 中的program header。

2.2.3 reserve space & 計(jì)算 load size

bool ElfReader::ReserveAddressSpace(const Android_dlextinfo* extinfo) {
 ElfW(Addr) min_vaddr;
 // 計(jì)算 加載SO 需要的空間大小
 load_size_ = phdr_table_get_load_size(phdr_table_, phdr_num_, &min_vaddr);
 // min_vaddr 一般情況為零，如果不是則表明 SO 指定了加載基址
 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;
}

首先調(diào)用 phdr_table_get_load_size 函數(shù)獲取 SO 在內(nèi)存中需要的空間load_size，然后使用 mmap 匿名映射，預(yù)留出相應(yīng)的空間。

 

關(guān)于loadbias: SO 可以指定加載基址，但是 SO 指定的加載基址可能不是頁(yè)對(duì)齊的，這種情況會(huì)導(dǎo)致實(shí)際映射地址和指定的加載地址有一個(gè)偏差，這個(gè)偏差便是 load_bias_，之后在針對(duì)虛擬地址進(jìn)行計(jì)算時(shí)需要使用 load_bias_ 修正。普通的 SO 都不會(huì)指定加載基址，這時(shí)min_vaddr = 0，則 load_bias_ = load_start_，即load_bias_ 等于加載基址，下文會(huì)將load_bias_ 直接稱為基址。

 

下面深入phdr_table_get_load_size分析一下 load_size 的計(jì)算:使用成員變量 phdr_table 遍歷所有的program header， 找到所有類型為 PT_LOAD 的 segment 的 p_vaddr 的最小值，p_vaddr + p_memsz 的最大值，分別作為 min_vaddr 和 max_vaddr，在將兩個(gè)值分別對(duì)齊到頁(yè)首和頁(yè)尾，最終使用對(duì)齊后的 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) {
   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;         // 記錄最小的虛擬地址
   }
   if (phdr->p_vaddr + phdr->p_memsz > max_vaddr) {
     max_vaddr = phdr->p_vaddr + phdr->p_memsz;  // 記錄最大的虛擬地址
   }
 }
 if (!found_pt_load) {
   min_vaddr = 0;
 }
 min_vaddr = PAGE_START(min_vaddr);      // 頁(yè)對(duì)齊
 max_vaddr = PAGE_END(max_vaddr);      // 頁(yè)對(duì)齊
 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

遍歷 program header table，找到類型為 PT_LOAD 的 segment:

  1. 計(jì)算 segment 在內(nèi)存空間中的起始地址 segstart 和結(jié)束地址 seg_end，seg_start 等于虛擬偏移加上基址load_bias，同時(shí)由于 mmap 的要求，都要對(duì)齊到頁(yè)邊界得到 seg_page_start 和 seg_page_end。

  2. 計(jì)算 segment 在文件中的頁(yè)對(duì)齊后的起始地址 file_page_start 和長(zhǎng)度 file_length。

  3. 使用 mmap 將 segment 映射到內(nèi)存，指定映射地址為 seg_page_start，長(zhǎng)度為 file_length，文件偏移為 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 在內(nèi)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) {
     // 將文件中的 segment 映射到內(nèi)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 可寫, 并且沒(méi)有在頁(yè)邊界結(jié)束，那么就將 segemnt end 到頁(yè)邊界的內(nèi)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);
   // 將 (內(nèi)存長(zhǎng)度 - 文件長(zhǎng)度) 對(duì)應(yīng)的內(nèi)存進(jìn)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 在調(diào)用 load_segments 完成裝載后，接著調(diào)用 soinfo_alloc 函數(shù)為目標(biāo)SO分配soinfo，soinfo_alloc 函數(shù)實(shí)現(xiàn)如下:

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

 soinfo* si = g_soinfo_allocator.alloc();  //分配空間，可以簡(jiǎn)單理解為 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 的鏈表中
 sonext = si;
 return si;
}

Linker 為 每個(gè) SO 維護(hù)了一個(gè)soinfo結(jié)構(gòu)，調(diào)用 dlopen時(shí)，返回的句柄其實(shí)就是一個(gè)指向該 SO 的 soinfo 指針。soinfo 保存了 SO 加載鏈接以及運(yùn)行期間所需的各類信息，簡(jiǎn)單列舉一下:

裝載鏈接期間主要使用的成員:

  • 裝載信息

    • const ElfW(Phdr)* phdr;

    • size_t phnum;

    • ElfW(Addr) base;

    • size_t size;

  • 符號(hào)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 函數(shù)和 finit 函數(shù)

    • 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;

運(yùn)行期間主要使用的成員:

  • 導(dǎo)出符號(hào)查找（dlsym）:

    • const char* strtab;

    • ElfW(Sym)* symtab;

    • size_t nbucket;

    • size_t nchain;

    • unsigned* bucket;

    • unsigned* chain;

    • ElfW(Addr) load_bias;

  • 異常處理:

    • unsigned* ARM_exidx;

    • size_t ARM_exidx_count;

load_library 在為 SO 分配 soinfo 后，會(huì)將裝載結(jié)果更新到 soinfo 中，后面的鏈接過(guò)程就可以直接使用soinfo的相關(guān)字段去訪問(wèn) 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();
    ...

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