Android注入完全剖析

 

0 前沿

本文主要分析了一份实现Android注入的代码的技术细节，但是并不涉及ptrace相关的知识，所以读者如果不了解ptrace的话，最好先学习下ptrace原理再来阅读本文。首先，感谢源代码的作者ariesjzj大牛，没有他的源码就没有本文~。文中有不对的地方，望各位大牛斧正！谢谢~

相关代码下载地址：

http://pan.baidu.com/s/1o6ul8eA

或者去代码原作者的blog：

http://blog.csdn.net/jinzhuojun/article/details/9900105

1 测试方法

①编译好inject和libhello.so之后，将inject和libhello.so放入/data/local/tmp/injecttest/目录下，并chmod 777.

②确定我们要inject的进程名。例如inject com.me.keygen.activity，那么我们首先使用ps来查看该进程的信息：

 

该进程的pid = 19989，进程名为"com.me.keygen.activity"。显然，对于apk而言，它的进程名就是apk的包名。

③确定hook进程之后，所要加入的so绝对路径。例如，本例要向com.me.keygen.activity中注入libhello.so，此libhello.so存放在/data/local/tmp/injecttest/目录下，那么它的绝对路径就为/data/local/tmp/injecttest/libhello.so

④开始注入，注入代码的格式为：

./inject  com.me.keygen.activity  /data/local/tmp/injecttest/libhello.so

注入成功的话就会显示:

library path = /data/local/tmp/injecttest/libhello.so

Press enter to dlclose and detach

⑤查看注入结果：

首先查看目的进程com.me.keygen.activity的内存空间中是否含有我们注入的libhello.so,方法如下：

我们在第②步获取了目的进程的pid = 19989，那么我们可以通过查看进程的mmaps文件：

root@android:/ # cat /proc/19989/maps |busybox grep hello

cat /proc/19989/maps |busybox grep hello

6674b000-6674e000 r-xp 00000000 b3:1a 3689       /data/local/tmp/injecttest/libhello.so

6674e000-6674f000 r--p 00002000 b3:1a 3689       /data/local/tmp/injecttest/libhello.so

6674f000-66750000 rw-p 00003000 b3:1a 3689       /data/local/tmp/injecttest/libhello.so

显然，so成功注入到了目的进程之中。

然后查看该so中的函数是否执行成功，方法如下：

由于我们注入目的进程后仅仅是执行libhello.so的hook_entry方法，该方法的代码如下：

int hook_entry(char * a){ 

    LOGD("Hook success, pid = %d ", getpid()); 

    LOGD("Hello %s ", a); 

    return 0; 

} 

而我们在Inject中调用该函数的代码为：

inject_remote_process(target_pid, hookSoPath, "hook_entry",  "I'm parameter!", strlen("I'm parameter!"));

所以我们理应在目的进程的logcat中找到字符串"Hello I'm parameter!"。查看指定进程的logcat方法如下：

1|root@android:/ # logcat |busybox grep 19989

logcat |busybox grep 19989

I/ActivityManager(  595): Start proc com.me.keygen.activity for activity com.me.

keygen.activity/.MainActivity: pid=19989 uid=10091 gids={3003, 1028}

D/ActivityThread(19989): setTargetHeapUtilization:0.25

D/ActivityThread(19989): setTargetHeapIdealFree:8388608

D/ActivityThread(19989): setTargetHeapConcurrentStart:2097152

I/HASH    (19989): 46e8b009bfa60ad36aaa6ad76aeb06d5

D/INJECT  (20047): [+] Injecting process: 19989

D/DEBUG   (19989): Hook success, pid = 19989

D/DEBUG   (19989): Hello I'm parameter!

 

测试成功！

2对inject代码的分析

2.1 find_pid_of(const char* targetProcessName)

int find_pid_of(const char *process_name)   

{   

    int id;   

    pid_t pid = -1;   

    DIR* dir;   

    FILE *fp;   

    char filename[32];   

    char cmdline[256];   

    struct dirent * entry;   

    if (process_name == NULL)   

        return -1;   

    dir = opendir("/proc");   

    if (dir == NULL)   

        return -1;   

    while((entry = readdir(dir)) != NULL) {   

        id = atoi(entry->d_name);   

        if (id != 0) {   

            sprintf(filename, "/proc/%d/cmdline", id);   

            fp = fopen(filename, "r");   

            if (fp) {   

                fgets(cmdline, sizeof(cmdline), fp);   

                fclose(fp);   

   

                if (strcmp(process_name, cmdline) == 0) {   

                    /* process found */   

                    pid = id;   

                    break;   

                }   

            }   

        }   

    }   

   

    closedir(dir);   

    return pid;   

}   

这个代码还是很简单的，就是通过遍历/proc目录下的所有子目录，获取这些子目录的目录名(一般就是进程的进程号pid)。获取子目录名后，就组合成/proc/pid/cmdline文件名，然后依次打开这些文件，cmdline文件里面存放的就是进程名，通过这样就可以获取进程的pid了。

2.2 inject_remote_process

此函数完整参数为：

inject_remote_process(pid_t target_pid, const char *library_path, const char *function_name, const char *param, size_t param_size)

其中library_path为我们想要注入到进程的so的绝对路径；

function_name为我们想要执行的函数名，此函数是so中的函数；

param为该函数的参数，param_size为参数大小，以字节为单位。

下面开始对此函数进行详细分析。

大致的注入过程如下：

ATTATCH，指定目标进程，开始调试；

GETREGS，获取目标进程的寄存器，保存现场；

SETREGS，修改PC等相关寄存器，使其指向mmap；

POPETEXT，把so path写入mmap申请的地址空间；

SETRESG，修改PC等相关寄存器，使其指向dlopen，调用dlopen，获取sohandle；

SETRESG，修改PC等相关寄存器，使其指向dlsym， functionaddr = dlsym(sohandle,"functionname");
SETRESG，修改PC等相关寄存器，使其指向functionaddr，调用function；

SETRESG，修改PC等相关寄存器，使其指向dlclose，调用dlclose(sohandle);

SETREGS，恢复现场；

DETACH，解除调试，使其恢复；

下面对照着代码进行分析。

①ATTATCH，指定目标进程，开始调试：

if (ptrace_attach(target_pid) == -1)   

        goto exit;

②GETREGS，获取目标进程的寄存器，保存现场：

if (ptrace_getregs(target_pid, &regs) == -1)   

        goto exit;  

/* save original registers */   

    memcpy(&original_regs, &regs, sizeof(regs));  

③通过get_remote_addr函数获取目的进程的mmap函数的地址，以便为libxxx.so分配内存：

/*

需要对(void*)mmap进行说明：这是取得inject本身进程的mmap函数的地址，由于mmap函数在libc.so 

库中，为了将libxxx.so加载到目的进程中，就需要使用目的进程的mmap函数，所以需要查找到libc.so库在目的进程的起始地址。

*/

mmap_addr = get_remote_addr(target_pid, libc_path, (void *)mmap);  // libc_path = "/system/lib/libc.so"

这里需要对get_remote_addr函数进行说明:

/*

该函数为一个封装函数，通过调用get_module_base函数来获取目的进程的某个模块的起始地址，然后通过公式计算出指定函数在目的进程的起始地址。

*/

void* get_remote_addr(pid_t target_pid, const char* module_name, void* local_addr)   

{   

    void* local_handle, *remote_handle;   

   

    local_handle = get_module_base(-1, module_name);    //获取本地某个模块的起始地址

    remote_handle = get_module_base(target_pid, module_name);    //获取远程pid的某个模块的起始地址

    DEBUG_PRINT("[+] get_remote_addr: local[%x], remote[%x] ", local_handle, remote_handle);

/*这需要我们好好理解：local_addr - local_handle的值为指定函数(如mmap)在该模块中的偏移量，然后再加上rempte_handle，结果就为指定函数在目的进程的虚拟地址*/  

    void * ret_addr = (void *)((uint32_t)local_addr - (uint32_t)local_handle) + (uint32_t)remote_handle;        

    return ret_addr;   

}   

显然，这里面核心的就是get_module_base函数：

/*

此函数的功能就是通过遍历/proc/pid/maps文件，来找到目的module_name的内存映射起始地址。

由于内存地址的表达方式是startAddrxxxxxxx-endAddrxxxxxxx的，所以会在后面使用strtok(line,"-")来分割字符串

如果pid = -1,表示获取本地进程的某个模块的地址，

否则就是pid进程的某个模块的地址。

*/

void* get_module_base(pid_t pid, const char* module_name)   

{   

    FILE *fp;   

    long addr = 0;   

    char *pch;   

    char filename[32];   

    char line[1024];   

    if (pid < 0) {   

        /* self process */   

        snprintf(filename, sizeof(filename), "/proc/self/maps", pid);   

    } else {   

        snprintf(filename, sizeof(filename), "/proc/%d/maps", pid);   

    }    

    fp = fopen(filename, "r");   

    if (fp != NULL) {   

        while (fgets(line, sizeof(line), fp)) {   

            if (strstr(line, module_name)) {   

                pch = strtok( line, "-" ); //分解字符串为一组字符串。line为要分解的字符串，"-"为分隔符字符串。

                addr = strtoul( pch, NULL, 16 );  //将参数pch字符串根据参数base(表示进制)来转换成无符号的长整型数 

                if (addr == 0x8000)   

                    addr = 0;   

                break;   

            }   

        }   

        fclose(fp) ;   

    }   

    return (void *)addr;   

}   

④通过ptrace_call_wrapper调用mmap函数，在目的进程中为libxxx.so分配内存：

/* call mmap (null, 0x4000, PROT_READ | PROT_WRITE | PROT_EXEC,

                         MAP_ANONYMOUS | MAP_PRIVATE, 0, 0);

匿名申请一块0x4000大小的内存

*/   

    parameters[0] = 0;  // addr   

    parameters[1] = 0x4000; // size   

    parameters[2] = PROT_READ | PROT_WRITE | PROT_EXEC;  // prot   

    parameters[3] =  MAP_ANONYMOUS | MAP_PRIVATE; // flags   

    parameters[4] = 0; //fd   

    parameters[5] = 0; //offset   

   

    if (ptrace_call_wrapper(target_pid, "mmap", mmap_addr, parameters, 6, &regs) == -1)   

        goto exit;   

    ........

ptrace_call_wrapper的代码：

int ptrace_call_wrapper(pid_t target_pid, const char * func_name, void * func_addr, long * parameters, int param_num, struct pt_regs * regs)    

{   

    DEBUG_PRINT("[+] Calling %s in target process. ", func_name);   

    if (ptrace_call(target_pid, (uint32_t)func_addr, parameters, param_num, regs) == -1)   //详细见后面分析

        return -1;   

   

    if (ptrace_getregs(target_pid, regs) == -1)   

        return -1;   

    DEBUG_PRINT("[+] Target process returned from %s, return value=%x, pc=%x ",    

            func_name, ptrace_retval(regs), ptrace_ip(regs));   

    return 0;   

}   

ptrace_call函数比较复杂，我们可以看一下代码：

/*

功能总结：

1，将要执行的指令写入寄存器中，指令长度大于4个long的话，需要将剩余的指令通过ptrace_writedata函数写入栈中；

2，使用ptrace_continue函数运行目的进程，直到目的进程返回状态值0xb7f（对该值的分析见后面红字）；

3，函数执行完之后，目标进程挂起，使用ptrace_getregs函数获取当前的所有寄存器值，方便后面使用ptrace_retval函数获取函数的返回值。

*/

int ptrace_call(pid_t pid, uint32_t addr, long *params, uint32_t num_params, struct pt_regs* regs)   

{   

    uint32_t i;   

    for (i = 0; i < num_params && i < 4; i ++) {   

        regs->uregs[i] = params[i];   

    }     

    // push remained params onto stack   

    if (i < num_params) {   

        regs->ARM_sp -= (num_params - i) * sizeof(long) ;  

       //详细分析见后面

        ptrace_writedata(pid, (void *)regs->ARM_sp, (uint8_t *)&params[i], (num_params - i) * sizeof(long));   

    }   

   

    regs->ARM_pc = addr;    //将PC寄存器值设为目标函数的地址

    if (regs->ARM_pc & 1) {  //进行指令集判断 

        /* thumb */   

        regs->ARM_pc &= (~1u);   

        regs->ARM_cpsr |= CPSR_T_MASK;  // #define CPSR_T_MASK  ( 1u << 5 )  CPSR为程序状态寄存器

    } else {   

        /* arm */   

        regs->ARM_cpsr &= ~CPSR_T_MASK;   

    }   

   

    regs->ARM_lr = 0; //设置子程序的返回地址为空，以便函数执行完后，返回到null地址，产生SIGSEGV错误，详细作用见后面的红字分析

    /*

    *Ptrace_setregs就是将修改后的regs写入寄存器中，然后调用ptrace_continue来执行我们指定的代码

    */

    if (ptrace_setregs(pid, regs) == -1 || ptrace_continue(pid) == -1) {  

        printf("error ");   

        return -1;   

    }   

   

    int stat = 0; 

    waitpid(pid, &stat, WUNTRACED); 

/* WUNTRACED告诉waitpid，如果子进程进入暂停状态，那么就立即返回。如果是被ptrace的子进程，那么即使不提供WUNTRACED参数，也会在子进程进入暂停状态的时候立即返回。对于使用ptrace_cont运行的子进程，它会在3种情况下进入暂停状态：①下一次系统调用；②子进程退出；③子进程的执行发生错误。这里的0xb7f就表示子进程进入了暂停状态，且发送的错误信号为11(SIGSEGV)，它表示试图访问未分配给自己的内存, 或试图往没有写权限的内存地址写数据。那么什么时候会发生这种错误呢？显然，当子进程执行完注入的函数后，由于我们在前面设置了regs->ARM_lr = 0，它就会返回到0地址处继续执行，这样就会产生SIGSEGV了！

*/   

    while (stat != 0xb7f[w1] ) {  //这个循环是否必须我还不确定。因为目前每次ptrace_call调用必定会返回0xb7f，不过在这也算是增加容错性吧~

        if (ptrace_continue(pid) == -1) { 

            printf("error "); 

            return -1; 

        } 

        waitpid(pid, &stat, WUNTRACED); 

    } 

   

    return 0;   

}

 [w1]通过看ndk的源码sys/wait.h以及man waitpid可以知道这个0xb7f的具体作用。首先说一下stat的值：高2字节用于表示导致子进程的退出或暂停状态信号值，低2字节表示子进程是退出(0x0)还是暂停(0x7f)状态。0xb7f就表示子进程为暂停状态，导致它暂停的信号量为11即sigsegv错误。

   

其中ptrace_writedata的代码如下：

/*

Func : 将size字节的data数据写入到pid进程的dest地址处

@param dest: 目的进程的栈地址

@param data: 需要写入的数据的起始地址

@param size: 需要写入的数据的大小，以字节为单位

*/

int ptrace_writedata(pid_t pid, uint8_t *dest, uint8_t *data, size_t size)   

{   

    uint32_t i, j, remain;   

    uint8_t *laddr;   

    union u {   

        long val;   

        char chars[sizeof(long)];   

    } d;  //很巧妙的联合体，这样就可以方便的以字节为单位写入4字节数据，再以long为单位ptrace_poketext到栈中 

    j = size / 4;   

    remain = size % 4;   

    laddr = data;   

   

    for (i = 0; i < j; i ++) {    //先以4字节为单位进行数据写入

        memcpy(d.chars, laddr, 4);   

        ptrace(PTRACE_POKETEXT, pid, dest, d.val);   

        dest  += 4;   

        laddr += 4;   

    }   

    if (remain > 0) {    //为了最大程度的保持原栈的数据，先读取dest的long数据，然后只更改其中的前remain字节，再写回

        d.val = ptrace(PTRACE_PEEKTEXT, pid, dest, 0);   

        for (i = 0; i < remain; i ++) {   

            d.chars[i] = *laddr ++;   

        }   

        ptrace(PTRACE_POKETEXT, pid, dest, d.val);   

    }   

    return 0;   

}   

总结一下ptrace_call_wrapper，它的完成两个功能：

一是调用ptrace_call函数来执行指定函数，执行完后将子进程挂起；

二是调用ptrace_getregs函数获取所有寄存器的值，主要是为了获取r0即函数的返回值。

⑤从寄存器中获取mmap函数的返回值，即申请的内存首地址：

map_base = ptrace_retval(&regs);

⑥依次获取linker中dlopen、dlsym、dlclose、dlerror函数的地址:

dlopen_addr = get_remote_addr( target_pid, linker_path, (void *)dlopen );   

dlsym_addr = get_remote_addr( target_pid, linker_path, (void *)dlsym );   

dlclose_addr = get_remote_addr( target_pid, linker_path, (void *)dlclose );   

dlerror_addr = get_remote_addr( target_pid, linker_path, (void *)dlerror ); 

⑦调用dlopen函数：

/*

①将要注入的so名写入前面mmap出来的内存

②写入dlopen代码

③执行dlopen("libxxx.so", RTLD_NOW ! RTLD_GLOBAL)

RTLD_NOW之类的参数作用可参考：

http://baike.baidu.com/view/2907309.htm?fr=aladdin

④取得dlopen的返回值，存放在sohandle变量中

*/

ptrace_writedata(target_pid, map_base, library_path, strlen(library_path) + 1);   

parameters[0] = map_base;      

parameters[1] = RTLD_NOW| RTLD_GLOBAL;    

if (ptrace_call_wrapper(target_pid, "dlopen", dlopen_addr, parameters, 2, &regs) == -1)   

     goto exit;   

void * sohandle = ptrace_retval(&regs);   

 

⑧调用dlsym函数：

 /*

等同于hook_entry_addr = (void *)dlsym(sohandle, "hook_entry");

*/

   #define FUNCTION_NAME_ADDR_OFFSET       0x100  //为functionname另找一块区域 

    ptrace_writedata(target_pid, map_base + FUNCTION_NAME_ADDR_OFFSET, function_name, strlen(function_name) + 1);   

    parameters[0] = sohandle;      

    parameters[1] = map_base + FUNCTION_NAME_ADDR_OFFSET;    

   

    if (ptrace_call_wrapper(target_pid, "dlsym", dlsym_addr, parameters, 2, &regs) == -1)   

        goto exit;   

   

    void * hook_entry_addr = ptrace_retval(&regs);   

    DEBUG_PRINT("hook_entry_addr = %p ", hook_entry_addr);   

⑨调用hook_entry函数：

/*

hook_entry("I'm parameter!");

*/

    #define FUNCTION_PARAM_ADDR_OFFSET      0x200   

    ptrace_writedata(target_pid, map_base + FUNCTION_PARAM_ADDR_OFFSET, param, strlen(param) + 1);   

    parameters[0] = map_base + FUNCTION_PARAM_ADDR_OFFSET;     

 

    if (ptrace_call_wrapper(target_pid, "hook_entry", hook_entry_addr, parameters, 1, &regs) == -1)   

        goto exit;

⑩调用dlclose关闭lib:

/*

等同于dlclose(sohandle);

*/

    printf("Press enter to dlclose and detach ");   

    getchar();   

    parameters[0] = sohandle;      

    if (ptrace_call_wrapper(target_pid, "dlclose", dlclose, parameters, 1, &regs) == -1)   

        goto exit;   

   

⑪恢复现场并退出ptrace:

 

    ptrace_setregs(target_pid, &original_regs);   

    ptrace_detach(target_pid);   

总结

分析完整个注入代码，学到了很多东西：ptrace(特别是向目的进程的寄存器和栈中写入参数)，信号量机制，以及在获取pid、模块基址时使用的方法等等等等。同时，也注意到这份代码与看雪论坛古河大大发出的代码有些许不同：后者是将dlopen,dlsym等函数放在了一个用汇编写的injectcode.s中，而用C写的注入代码仅仅将injectcode.s注入到目标进程中，过后就交由这个injectcode.s来完成后续工作了。显然，就学习而言，本代码完全用C语言实现，学习起来简单易懂，且injectcode.s的编写难度也大很多。同时需要注意的是，如果采用后者的方法，在注入代码之前一定得预留部分空间用作函数调用的栈空间：

// 设置远程代码存储空间地址

remote_code_ptr = map_base+0x3C00; // 这里就预留了0x3c00的空间

展望

那注入之后我们到底可以完成什么功能呢？目前，据我了解，大家主要还是用于hook so中的native函数。那么如何hook呢？可以参考这篇文章的NDK HOOK部分：

http://bbs.pediy.com/showthread.php?t=192047