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)行文件加固一樣柱恤，應(yīng)用加固是Android系統(tǒng)安全中非常重要的一環(huán)街佑。目前Android 應(yīng)用加固可以分為dex加固和Native加固愉棱，Native 加固的保護(hù)對(duì)象為 Native 層的 SO 文件翎蹈，使用加殼、反調(diào)試遍愿、混淆存淫、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)沼填， 在SO文件加殼和脫殼的攻防技術(shù)領(lǐng)域桅咆，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)于非安全方向開發(fā)者坞笙，深刻理解系統(tǒng)的裝載與鏈接機(jī)制也是進(jìn)階的必要條件轧邪。
本文詳細(xì)分析了 Linker 對(duì) SO 文件的裝載和鏈接過程，最后對(duì) SO 加殼的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了簡要的介紹羞海。
對(duì)于 Linker 的學(xué)習(xí)，還應(yīng)該包括 Linker 自舉曲管、可執(zhí)行文件的加載等技術(shù)却邓，但是限于本人的技術(shù)水平，本文的討論范圍限定在 SO 文件的加載院水，也就是在調(diào)用dlopen("libxx.SO")之后腊徙，Linker 的處理過程简十。
本文基于 Android 5.0 AOSP 源碼，僅針對(duì) ARM 平臺(tái)撬腾，為了增強(qiáng)可讀性螟蝙，文中列舉的源碼均經(jīng)過刪減，去除了其他 CPU 架構(gòu)的相關(guān)源碼以及錯(cuò)誤處理民傻。
另:閱讀本文的讀者需要對(duì) ELF 文件結(jié)構(gòu)有一定的了解胰默。
2. SO 的裝載與鏈接
2.1 整體流程說明
1. do_dlopen
調(diào)用 dl_open 后，中間經(jīng)過 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)漓踢，第一個(gè)是find_library, 第二個(gè)是 soinfo 的成員函數(shù) CallConstructors牵署，find_library 函數(shù)是 SO 裝載鏈接的后續(xù)函數(shù)， 完成 SO 的裝載鏈接后喧半， 通過 CallConstructors 調(diào)用 SO 的初始化函數(shù)奴迅。
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 find_loaded_library_by_name 函數(shù)判斷目標(biāo) SO 是否已經(jīng)加載挺据，如果已經(jīng)加載則直接返回對(duì)應(yīng)的soinfo指針取具，沒有加載的話則調(diào)用 load_library 繼續(xù)加載流程，下面看 load_library 函數(shù)扁耐。
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 SO 文件暇检，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)果做葵，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_image(si, extinfo)) { ?// 調(diào)用 soinfo_link_image 完成 SO 的鏈接過程
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)流程占哟，主要有3步:
1裝載:創(chuàng)建ElfReader對(duì)象，通過 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)酿矢，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_image 完成 SO 的鏈接
通過前面的分析榨乎，可以看到， load_library 函數(shù)中包含了 SO 裝載鏈接的主要過程, 后文主要通過分析 ElfReader 類和 soinfo_link_image 函數(shù), 來分別介紹 SO 的裝載和鏈接過程瘫筐。
2.2 裝載
在 load_library 中蜜暑， 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策肝。
...
// 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肛捍，再對(duì)elf header進(jìn)行驗(yàn)證，之后讀取program header之众，根據(jù)program header 計(jì)算 SO 需要的內(nèi)存大小并分配相應(yīng)的空間拙毫，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棺禾，方便之后的鏈接過程使用缀蹄。
下面深入 ElfReader 的這幾個(gè)成員函數(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。
l2.2.1 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 的成員變量缺前，類型為 Elf32_Ehdr蛀醉，通過 header 可以方便的訪問 elf header中各個(gè)字段，elf header中包含有 program header table衅码、section header table等重要信息拯刁。
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逝段，表示當(dāng)前版本
平臺(tái):ARM垛玻、x86、amd64…
有任何錯(cuò)誤都會(huì)導(dǎo)致加載失敗惹恃。
l2.2.2 Read ProgramHeader
bool ElfReader::ReadProgramHeader() {
phdr_num_ = header_.e_phnum; ?????// program header 數(shù)量
// mmap 要求頁對(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(reinterpret_cast(mmap_result) + page_offset);
return true;
}
將 program header 在內(nèi)存中單獨(dú)映射一份夭谤，用于解析program header 時(shí)臨時(shí)使用，在 SO 裝載到內(nèi)存后巫糙，便會(huì)釋放這塊內(nèi)存朗儒，轉(zhuǎn)而使用裝載后的 SO 中的program header。
l2.2.3 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 一般情況為零参淹，如果不是則表明 SO 指定了加載基址
uint8_t* addr = reinterpret_cast(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(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醉锄，然后使用 mmap 匿名映射，預(yù)留出相應(yīng)的空間浙值。
關(guān)于loadbias: SO 可以指定加載基址恳不，但是 SO 指定的加載基址可能不是頁對(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)偏差开呐，這個(gè)偏差便是load_bias_烟勋，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)指定加載基址筐付，這時(shí)min_vaddr = 0卵惦，則load_bias_ = load_start_，即load_bias_等于加載基址瓦戚，下文會(huì)將load_bias_直接稱為基址沮尿。
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 的最小值较解，p_vaddr + p_memsz 的最大值畜疾，分別作為 min_vaddr 和 max_vaddr，在將兩個(gè)值分別對(duì)齊到頁首和頁尾印衔，最終使用對(duì)齊后的 max_vaddr - min_vaddr 得到 load_size啡捶。
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); ?????// 頁對(duì)齊
max_vaddr = PAGE_END(max_vaddr); ?????// 頁對(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:
00001.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奸焙，seg_start 等于虛擬偏移加上基址load_bias届慈，同時(shí)由于 mmap 的要求徒溪，都要對(duì)齊到頁邊界得到 seg_page_start 和 seg_page_end。
00002.計(jì)算 segment 在文件中的頁對(duì)齊后的起始地址 file_page_start 和長度 file_length金顿。
00003.使用 mmap 將 segment 映射到內(nèi)存，指定映射地址為 seg_page_start鲤桥，長度為 file_length揍拆，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(seg_page_start),
file_length,
PFLAGS_TO_PROT(phdr->p_flags),
MAP_FIXED|MAP_PRIVATE,
fd_,
file_page_start);
}
// 如果 segment 可寫, 并且沒有在頁邊界結(jié)束茶凳，那么就將 segemnt end 到頁邊界的內(nèi)存清零嫂拴。
if ((phdr->p_flags & PF_W) != 0 && PAGE_OFFSET(seg_file_end) > 0) {
memset(reinterpret_cast(seg_file_end), 0, PAGE_SIZE - PAGE_OFFSET(seg_file_end));
}
seg_file_end = PAGE_END(seg_file_end);
// 將 (內(nèi)存長度 - 文件長度) 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(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贮喧，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(); ?//分配空間筒狠，可以簡單理解為 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)箱沦，返回的句柄其實(shí)就是一個(gè)指向該 SO 的 soinfo 指針辩恼。soinfo 保存了 SO 加載鏈接以及運(yùn)行期間所需的各類信息，簡單列舉一下:
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 后谓形，會(huì)將裝載結(jié)果更新到 soinfo 中灶伊，后面的鏈接過程就可以直接使用soinfo的相關(guān)字段去訪問 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();
...
