玩转Hook——Android权限管理功能探讨（一）

　　随着Android设备上的隐私安全问题越来越被公众重视，恶意软件对用户隐私，尤其是对电话、短信等私密信息的威胁日益突出，各大主流安全软件均推出了自己的隐私行为监控功能，在root情况下能有效防止恶意软件对用户隐私的窃取，那么这背后的技术原理是什么？我带着疑问开始一步步探索，如果要拦截恶意软件对电话、短信等API的调用，在Java或者Dalvik层面是不好进行的，因为这些层面都没有提供Hook的手段，而在Native层面，我认为可行的方案是对电话、短信的运行库so进行Hook（比如系统运行库systemliblibreference-ril.so或systemliblibril.so），如果注入自己的so到上述进程后，并通过dlopen()和dlsym()获取原有API地址，替换原有API地址为自己so中的API地址就可以达到Hook的目的。

　　Hook的前提是进程注入，而Linux下最便捷的进程注入手段——ptrace，是大名鼎鼎的调试工具GDB的关键技术点；本文参考自Pradeep Padala于2002年的博文http://www.linuxjournal.com/article/6100（国内很多博客有这篇文章的译文，不过本着获取“一手”知识的想法，还是细读了原版英文，确实发现了一些翻译得不够到位的地方，在此还是推荐各位能读原文就不要读译文），由于02年时还是ia32（32位Intel Architecture）时代，时至今日，在我ia64也就是x64的机器已经无法运行了，所以自己动手实现了x64版本。代码主要功能是注入子进程的地址空间，Hook住子进程执行系统调用时的参数，并反转其参数，从而逆序输出ls命令的结果。

　　代码如下：

/*
  ptrace3.c
  author: pengyiming
  description:
  1, child process need be traced by father process
  2, father process reserve the result of "ls" command which executed by child process
*/

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/ptrace.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/reg.h>
#include <sys/user.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <unistd.h>

#ifdef __x86_64__

  #define OFFSET_UNIT 8

#else

  #define OFFSET_UNIT 4

#endif

// converter long to char[]
union
{
  long rawData;
  char strData[sizeof(long)];
} converter;

void getData(pid_t child, unsigned long long dataAddr, unsigned long long dataLen, char * const p_data)
{
  // PEEKDATA counter
  int counter = 0;
  // PEEKDATA max count
  int maxCount = dataLen / sizeof(long);
  if (dataLen % sizeof(long) != 0)
  {
    maxCount++;
  }
  // moving pointer
  void * p_moving = p_data;

  while (counter < maxCount)
  {
    memset(&converter, 0, sizeof(long));
    converter.rawData = ptrace(PTRACE_PEEKDATA, child, dataAddr + counter * sizeof(long), NULL);
    if (converter.rawData < 0)
    {
      perror("ptrace peek data error : ");
    }

    memcpy(p_moving, converter.strData, sizeof(long));
    p_moving += sizeof(long);
    counter++;
  }
  p_data[dataLen] = '';
}

void setData(pid_t child, unsigned long long dataAddr, unsigned long long dataLen, char * const p_data)
{
  // POKEDATA counter
  int counter = 0;
  // POKEDATA max count
  int maxCount = dataLen / sizeof(long);
  // data left length (prevent out of range in memory when written)
  int dataLeftLen = dataLen % sizeof(long);
  // moving pointer
  void * p_moving = p_data;

  // write part of data which align to sizeof(long)
  int ret;
  while (counter < maxCount)
  {
    memset(&converter, 0, sizeof(long));
    memcpy(converter.strData, p_moving, sizeof(long));
    ret = ptrace(PTRACE_POKEDATA, child, dataAddr + counter * sizeof(long), converter.rawData);
    if (ret < 0)
    {
      perror("ptrace poke data error : ");
    }

    p_moving += sizeof(long);
    counter++;
  }

  // write data left
  if (dataLeftLen != 0)
  {
    memset(&converter, 0, sizeof(long));
    memcpy(converter.strData, p_moving, dataLeftLen);
    ret = ptrace(PTRACE_POKEDATA, child, dataAddr + counter * sizeof(long), converter.rawData);
    if (ret < 0)
    {
      perror("ptrace poke data error : ");
    }
  }
}

void reverseStr(char * p_str)
{
  int strLen = strlen(p_str);
  char * p_head = p_str;
  char * p_tail = p_str + strLen - 1;
  char tempCh;

  // skip '
'
  if (*p_tail == '
')
  {
    p_tail--;
  }

  //exchange char
  while (p_head < p_tail)
  {
    tempCh = *p_head;
    *p_head = *p_tail;
    *p_tail = tempCh;

    p_head++;
    p_tail--;
  }
}

void debugRegs(struct user_regs_struct * p_regs ) 
{
  printf("syscall param DS = %llu
", p_regs->ds);
  printf("syscall param RSI = %llu
", p_regs->rsi);
  printf("syscall param ES = %llu
", p_regs->es);
  printf("syscall param RDI = %llu
", p_regs->rdi);

  printf("syscall return RAX = %llu
", p_regs->rax);
  printf("syscall param RBX = %llu
", p_regs->rbx);
  printf("syscall param RCX = %llu
", p_regs->rcx);
  printf("syscall param RDX = %llu
", p_regs->rdx);
}

int main()
{
  pid_t child = fork();
  if(child == 0)
  {
    ptrace(PTRACE_TRACEME, 0, NULL, NULL);

    // make a syscall(SYS_write)
    execl("/bin/ls", "ls", NULL);
  }
  else
  {
    int status;
    // SYS_write will be called twice, one is entry, another is exit, so we mark it
    unsigned int calledCount = 0;

    while (1)
    {
      wait(&status);
      if (WIFEXITED(status))
      {
        break;
      }

      // PEEK regs to find the syscall(SYS_execve)
      struct user_regs_struct regs;
      ptrace(PTRACE_GETREGS, child, NULL, &regs);

      // catch it!
      if (regs.orig_rax == SYS_write)
      {
          if (calledCount == 0)
          {
            calledCount = 1;

            // debugRegs(&regs);

            char * p_dataStr = (char *) malloc((regs.rdx + 1) * sizeof(char));
            if (p_dataStr == NULL)
        {
              return;
        }
            
            getData(child, regs.ds * OFFSET_UNIT + regs.rsi, regs.rdx, p_dataStr);
            reverseStr(p_dataStr);
            setData(child, regs.ds * OFFSET_UNIT + regs.rsi, regs.rdx, p_dataStr);
          }
          else if (calledCount == 1)
          {
            // debugRegs(&regs);
          }
      }

      ptrace(PTRACE_SYSCALL, child, NULL, NULL);
    }
  }

  return 0;
}

　　代码执行结果：

 

　　可以看到工程目录下的文件名均被反转输出，已达到想要的效果，那么接下来解释代码中的几个关键点：

　　1，SYSCALL与orig_rax寄存器

　　不论是ia32还是ia64，orig_rax寄存器都存放着每一次系统调用的ID，为了方便开发和调试，我们可以在/usr/include/x86_64-linux-gnu/sys/syscall.h中找到系统调用的定义，比如#define SYS_write __NR_write，但是我们无法得知__NR_write具体代表的ID，进一步搜索，可以在/usr/include/x86_64-linux-gnu/asm/unistd_64.h中找到ia64下对__NR_write的定义，#define __NR_write 1，这样一来我们打印出orig_rax寄存器中的值就可以判断此时子进程正在进行何种操作了。

　　2，PTRACE_PEEKDATA与PTRACE_PEEKTEXT参数的选取

　　Linux进程的地址空间不存在独立的数据段和代码段（或叫正文段），二者位于同一空间，所以上述两个参数并无实际意义上的区别，不过为了标识我们是在读取数据段中的数据，还是使用PTRACE_PEEKDATA比较好，同理对应于PTRACE_POKEDATA和PTRACE_POKETEXT。

　　3，联合体converter

　　由于执行PTRACE_PEEKDATA操作时，返回值的二进制代表内存中的实际数据，我们可以利用“联合体中的变量有相同的初始地址”这一特性来帮助我们完成从二进制到字符串的转换。（这是一个做过嵌入式开发的人基本都知道的小技巧，考虑到做Android开发对这段代码可能会有疑惑，容我啰嗦两句）

　　4，数据段寻址

　　这是在实现x64版本时遇到的最大的困难，在getData()与setData()函数中，第二个参数表示数据在数据段中的地址，由于和ia32时寻址方式不一致，苦苦搜索几天，发现国内很多博客上的说法并不一致，最终在Intel官网上下载了Intel处理器开发手册《64-ia-32-architectures-software-developer-vol-1-manual.pdf》方才解答我的问题，寻址方式涉及两个寄存器，DS和RSI，参考手册的说法，DS表示数据段的selector，其实这个selector就是index索引的意思，由于x64下字长64bit，即8个字节，索引乘以8即得数据段在内存中的基址，RSI表示数据段内偏移地址，与基址相加即可得出数据的绝对地址，使用此地址直接访问内存就可以取出数据。