Android Hook技術(shù)防范漫談
背景
當(dāng)下，數(shù)據(jù)就像水、電、空氣一樣無處不在，說它是“21世紀(jì)的生產(chǎn)資料”一點(diǎn)都不夸張，由此帶來的是，各行業(yè)對(duì)于數(shù)據(jù)的爭(zhēng)奪熱火朝天。隨著互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)的思維深入人心，一些灰色產(chǎn)業(yè)悄然興起，數(shù)據(jù)販子、爬蟲、外掛軟件等等也接踵而來，互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中各公司競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手之間不僅業(yè)務(wù)競(jìng)爭(zhēng)十分激烈，黑科技的比拼也越發(fā)重要。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的興起，爬蟲和外掛也從單一的網(wǎng)頁轉(zhuǎn)向了App，其中利用Android平臺(tái)下Dalvik模式中的Xposed Installer和Cydia Substrate框架對(duì)App的函數(shù)進(jìn)行Hook這一招，堪稱老牌經(jīng)典。
接下來，本文將分別介紹針對(duì)這兩種框架的防護(hù)技術(shù)。
Xposed Installer
原理
Zygote
在Android系統(tǒng)中App進(jìn)程都是由Zygote進(jìn)程“孵化”出來的。Zygote進(jìn)程在啟動(dòng)時(shí)會(huì)創(chuàng)建一個(gè)虛擬機(jī)實(shí)例，每當(dāng)它“孵化”一個(gè)新的應(yīng)用程序進(jìn)程時(shí)，都會(huì)將這個(gè)Dalvik虛擬機(jī)實(shí)例復(fù)制到新的App進(jìn)程里面去，從而使每個(gè)App進(jìn)程都有一個(gè)獨(dú)立的Dalvik虛擬機(jī)實(shí)例。
Zygote進(jìn)程在啟動(dòng)的過程中，除了會(huì)創(chuàng)建一個(gè)虛擬機(jī)實(shí)例之外還會(huì)將Java Rumtime加載到進(jìn)程中并注冊(cè)一些Android核心類的JNI（Java Native Interface，Java本地接口）方法。一個(gè)App進(jìn)程被Zygote進(jìn)程孵化出來的時(shí)候，不僅會(huì)獲得Zygote進(jìn)程中的虛擬機(jī)實(shí)例拷貝，還會(huì)與Zygote進(jìn)程一起共享Java Rumtime，也就是可以將XposedBridge.jar這個(gè)Jar包加載到每一個(gè)Android App進(jìn)程中去。安裝Xposed Installer之后，系統(tǒng)app_process將被替換，然后利用Java的Reflection機(jī)制覆寫內(nèi)置方法，實(shí)現(xiàn)功能劫持。下面我們來看一下細(xì)節(jié)。
Hook和Replace
Xposed Installer框架中真正起作用的是對(duì)方法的Hook和Replace。在Android系統(tǒng)啟動(dòng)的時(shí)候，Zygote進(jìn)程加載XposedBridge.jar，將所有需要替換的Method通過JNI方法hookMethodNative指向Native方法xposedCallHandler，這個(gè)方法再通過調(diào)用handleHookedMethod這個(gè)Java方法來調(diào)用被劫持的方法轉(zhuǎn)入Hook邏輯。
上面提到的hookMethodNative是XposedBridge.jar中的私有的本地方法，它將一個(gè)方法對(duì)象作為傳入?yún)?shù)并修改Dalvik虛擬機(jī)中對(duì)于該方法的定義，把該方法的類型改變?yōu)镹ative并將其實(shí)現(xiàn)指向另外一個(gè)B方法。
換言之，當(dāng)調(diào)用那個(gè)被Hook的A方法時(shí)，其實(shí)調(diào)用的是B方法，調(diào)用者是不知道的。在hookMethodNative的實(shí)現(xiàn)中，會(huì)調(diào)用XposedBridge.jar中的handleHookedMethod這個(gè)方法來傳遞參數(shù)。handleHookedMethod這個(gè)方法類似于一個(gè)統(tǒng)一調(diào)度的Dispatch例程，其對(duì)應(yīng)的底層的C++函數(shù)是xposedCallHandler。而handleHookedMethod實(shí)現(xiàn)里面會(huì)根據(jù)一個(gè)全局結(jié)構(gòu)hookedMethodCallbacks來選擇相應(yīng)的Hook函數(shù)并調(diào)用他們的before和after函數(shù)，當(dāng)多模塊同時(shí)Hook一個(gè)方法的時(shí)候Xposed會(huì)自動(dòng)根據(jù)Module的優(yōu)先級(jí)來排序。
調(diào)用順序如下：A.before -> B.before -> original method -> B.after -> A.after
檢測(cè)
在做Android App的安全防御中檢測(cè)點(diǎn)眾多，Xposed Installer檢測(cè)是必不可少的一環(huán)。對(duì)于Xposed框架的防御總體上分為兩層：Java層和Native層。
Java層檢測(cè)
需要說明的是，Java層的檢測(cè)基本只能檢測(cè)出基礎(chǔ)的Xposed Installer框架，而不能防護(hù)其對(duì)App內(nèi)方法的Hook，如果框架中帶有反檢測(cè)則Java層檢測(cè)大多不起作用。
下面列出Java層的檢測(cè)點(diǎn)，僅供參考。
① 通過PackageManager查看安裝列表
最簡(jiǎn)單的檢測(cè)，我們調(diào)用Android提供的PackageManager的API來遍歷系統(tǒng)中App的安裝情況來辨別是否有安裝Xposed Installer相關(guān)的軟件包。
- PackageManager packageManager = context.getPackageManager();
- List applicationInfoList = packageManager.getInstalledApplications(PackageManager.GET_META_DATA);
- for (ApplicationInfo applicationInfo: applicationInfoList) {
- if (applicationInfo.packageName.equals("de.robv.android.xposed.installer")) {
- // is Xposed TODO... }
- }
通常情況下使用Xposed Installer框架都會(huì)屏蔽對(duì)其的檢測(cè)，即Hook掉PackageManager的getInstalledApplications方法的返回值，以便過濾掉de.robv.android.xposed.installer來躲避這種檢測(cè)。
② 自造異常讀取棧
Xposed Installer框架對(duì)每個(gè)由Zygote孵化的App進(jìn)程都會(huì)介入，因此在程序方法異常棧中就會(huì)出現(xiàn)Xposed相關(guān)的“身影”，我們可以通過自造異常Catch來讀取異常堆棧的形式，用以檢查其中是否存在Xposed的調(diào)用方法。
- try {
- throw new Exception("blah");
- } catch(Exception e) {
- for (StackTraceElement stackTraceElement: e.getStackTrace()) {
- // stackTraceElement.getClassName() stackTraceElement.getMethodName() 是否存 在Xposed
- }
- }
- E/GEnvironment: no such table: preference (code 1): while compiling: SELECT keyguard_show_livewallpaper FROM preference
- ...
- at com.meituan.test.extpackage.ExtPackageManager.checkUpdate(ExtPackageManager.java:127)
- at com.meituan.test.MiFGService$1.run(MiFGService.java:41)
- at android.os.Looper.loop(Looper.java:136)
- at android.app.ActivityThread.main(ActivityThread.java:5072)
- at java.lang.reflect.Method.invokeNative(Native Method)
- at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:515)
- ...
- at com.android.internal.os.ZygoteInit$MethodAndArgsCaller.run(ZygoteInit.java:793)
- at com.android.internal.os.ZygoteInit.main(ZygoteInit.java:609)
- at de.robv.android.xposed.XposedBridge.main(XposedBridge.java:132) //發(fā)現(xiàn)Xposed模塊
- at dalvik.system.NativeStart.main(Native Method)
③ 檢查關(guān)鍵Java方法被變?yōu)镹ative JNI方法
當(dāng)一個(gè)Android App中的Java方法被莫名其妙地變成了Native JNI方法，則非常有可能被Xposed Hook了。由此可得，檢查關(guān)鍵方法是不是變成Native JNI方法，也可以檢測(cè)是否被Hook。
通過反射調(diào)用Modifier.isNative(method.getModifiers())方法可以校驗(yàn)方法是不是Native JNI方法，Xposed同樣可以篡改isNative這個(gè)方法的返回值。
④ 反射讀取XposedHelper類字段
通過反射遍歷XposedHelper類中的fieldCache、methodCache、constructorCache變量，讀取HashMap緩存字段，如字段項(xiàng)的key中包含App中唯一或敏感方法等，即可認(rèn)為有Xposed注入。
- boolean methodCache = CheckHook(clsXposedHelper, "methodCache", keyWord);
- private static boolean CheckHook(Object cls, String filedName, String str) {
- boolean result = false;
- String interName;
- Set keySet;
- try {
- Field filed = cls.getClass().getDeclaredField(filedName);
- filed.setAccessible(true);
- keySet = filed.get(cls)).keySet();
- if (!keySet.isEmpty()) {
- for (Object aKeySet: keySet) {
- interName = aKeySet.toString().toLowerCase();
- if (interName.contains("meituan") || interName.contains("dianping") ) {
- result = true;
- break;
- }
- }
- }
- ...
- return result;
- }
Native層檢測(cè)
由上文可知，無論在Java層做何種檢測(cè)，Xposed都可以通過Hook相關(guān)的API并返回指定的結(jié)果來繞過檢測(cè)，只要有方法就可以被Hook。如果僅在Java層檢測(cè)就顯得很徒勞，為了有效提搞檢測(cè)準(zhǔn)確率，就須做到Java和Native層同時(shí)檢測(cè)。每個(gè)App在系統(tǒng)中都有對(duì)應(yīng)的加載庫列表，這些加載庫列表在/proc/下對(duì)應(yīng)的pid/maps文件中描述，在Native層讀取/proc/self/maps文件不失為檢測(cè)Xposed Installer的有效辦法之一。由于Xposed Installer通常只能Hook Java層，因此在Native層使用C來解析/proc/self/maps文件，搜檢App自身加載的庫中是否存在XposedBridge.jar、相關(guān)的Dex、Jar和So庫等文件。
- bool is_xposed()
- {
- bool rel = false;
- FILE *fp = NULL;
- char* filepath = "/proc/self/maps";
- ...
- string xp_name = "XposedBridge.jar";
- fp = fopen(filepath,"r"))
- while (!feof(fp))
- {
- fgets(strLine,BUFFER_SIZE,fp);
- origin_str = strLine;
- str = trim(origin_str);
- if (contain(str,xp_name))
- {
- rel = true; //檢測(cè)到Xposed模塊
- break;
- }
- }
- ...
- }
Cydia Substrate
原理
Cydia Substrate注入Hook的一個(gè)典型流程如下圖所示，在Java層配置注入的關(guān)鍵So庫libsubstrate.so和libsubstratedvm.so?？紤]到Java層檢測(cè)強(qiáng)度太低，Substrate的檢測(cè)主要在Native層來實(shí)現(xiàn)。
檢測(cè)
動(dòng)態(tài)加載式檢測(cè)
讀取/proc/self/maps，列出了App中所有加載的文件。
上圖為Cydia Substrate在Android 4.4上注入后的進(jìn)程maps表，其中l(wèi)ibsubstrate.so和libsubstrate-dvm.so兩個(gè)文件為Substrate必載入文件。通過IDA Pro分析對(duì)其分析。
先來看libsubstrate-dvm.so的導(dǎo)出表，共有9個(gè)函數(shù)導(dǎo)出。
當(dāng)進(jìn)程maps表中出現(xiàn)libsubstrate-dvm.so，可以嘗試去load該so文件并調(diào)用MSJavaHookMethod方法，它會(huì)返回該方法的地址即判定為惡意模塊（第三方程序）。
- void* lookup_symbol(char* libraryname,char* symbolname)
- {
- void *imagehandle = dlopen(libraryname, RTLD_GLOBAL | RTLD_NOW);
- if (imagehandle != NULL){
- void * sym = dlsym(imagehandle, symbolname);
- if (sym != NULL){
- return sym; //發(fā)現(xiàn)Cydia Substrate相關(guān)模塊
- }
- ...
- }
該方式基于載入庫文件的文件名或文件路徑和導(dǎo)出函數(shù)來判斷是否為惡意模塊，如果完全依賴此方式來判斷可能會(huì)誤判，但也不失為檢測(cè)方式的一個(gè)點(diǎn)。
基于方法特征碼檢測(cè)
特征碼即用來判斷某段數(shù)據(jù)屬于哪個(gè)計(jì)算機(jī)字段。在非Root環(huán)境下一般一個(gè)正常App在啟動(dòng)時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)調(diào)度相關(guān)大小的內(nèi)存、空間給App使用，此時(shí)App的運(yùn)行環(huán)境內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、內(nèi)存、存儲(chǔ)等是獨(dú)立于其它App的（即獨(dú)立運(yùn)行在沙箱中）。因?yàn)樘幱谶\(yùn)行沙箱環(huán)境中的進(jìn)程對(duì)沙箱的內(nèi)存有最高讀寫權(quán)限，當(dāng)我們的App進(jìn)程被惡意模塊附加或注入時(shí)，就可以通過對(duì)當(dāng)前進(jìn)程的PID所對(duì)應(yīng)的maps中加載的模塊進(jìn)行合法校驗(yàn)。這里的模塊校驗(yàn)我們可以采取對(duì)單個(gè)模塊內(nèi)容取樣來判斷是否為惡意模塊，這種方式被定義為“基于方法的特征碼檢測(cè)”。
下面對(duì)一段程序段中OpcodeSample方法來提取特征碼。
方法原型：
- #define LOGD(fmt, args...) __android_log_print(ANDROID_LOG_DEBUG,LOG_TAG, fmt, ##args)
- void OpcodeSample(int a ,int b){
- int c,d,e;
- c = a + b;
- d = a * b;
- e = a / b;
- LOGD("Hello It's c !%s\n", c);
- LOGD("Hello It's d !%s\n", d);
- LOGD("Hello It's e !%s\n", e);
- return;
- }
通過IDA Pro對(duì)其分析。
左側(cè)紅色方框代表為OpcodeSample方法的操作碼，右邊為操作碼對(duì)應(yīng)ARM平臺(tái)的指令集。我們要在左側(cè)的操作碼中取出一段作為OpcodeSample的定位特征碼，選用__android_log_print方法調(diào)用指令集上下文，來確定特征碼。
第一次取樣："03 20 31 46 42 46 FF F7 ?? EA"
通過第一次取樣，查找結(jié)果有三處相似，再進(jìn)一步分析。這次我們加入一個(gè)常量取樣：
第二次取樣："7E 44 ?? ?? F8 44 03 20 31 46 42 46 FF F7 ?? EA"
繼而得出唯一特征碼，到此，我們對(duì)特征碼方法取樣有了初步的了解。下面來把它轉(zhuǎn)為實(shí)用的技能——動(dòng)態(tài)加載式檢測(cè)+特征碼結(jié)合。
我們對(duì)libsubstrate-dvm.so中導(dǎo)出函數(shù)MSJavaHookMethod來精準(zhǔn)定位。
IDA PRO導(dǎo)出函數(shù)表如圖：
第三次取樣："55 57 56 53 E8 CC 14 ?? ?? 81 C3 DB ?? ?? ?? 8D 64 ?? ?? 8B 83 F4 ?? ?? ??"
以上即為對(duì)Cydia Substrate的注入檢測(cè)識(shí)別，通過檢測(cè)/proc/self/maps下的加載so庫列表得到各個(gè)庫文件絕度路徑，通過fopen函數(shù)將so庫的內(nèi)容以16進(jìn)制讀進(jìn)來放在內(nèi)存里面進(jìn)行規(guī)則比對(duì)，采用字符串模糊查找來檢測(cè)是否命中黑名單中的方法特征碼。
總結(jié)
在安全對(duì)抗領(lǐng)域，相比攻擊方，防守方歷來處于弱勢(shì)的一方。上文所提到的Xposed Installer和Cydia Substrate的檢測(cè)也僅僅是保障App安全的手段之一。App安全的防御不應(yīng)僅僅依賴于此，應(yīng)該構(gòu)建起整體的安全防御閉環(huán)，盡可能在所有已知的可能攻擊點(diǎn)都追加檢測(cè)，再配合代碼加固，將防御代碼隱藏。遺憾的是App防御代碼隱藏再深也終究會(huì)被破解，僅僅依賴于客戶端的防御顯然是不足的。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的整體安全防御應(yīng)該是走端云結(jié)合協(xié)作之道，共同防御，方能在攻防對(duì)抗中占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位。
【本文為51CTO專欄機(jī)構(gòu)“美團(tuán)點(diǎn)評(píng)技術(shù)團(tuán)隊(duì)”的原創(chuàng)稿件，轉(zhuǎn)載請(qǐng)通過微信公眾號(hào)聯(lián)系機(jī)構(gòu)獲取授權(quán)】
