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Dalvik字节码自篡改原理及实现

Author:leonnewton

0x00 前言


早在2013年,bluebox就发布了一个可以在运行时篡改Dalvik字节码的Demo。之后,国内有很多对这个Demo进行分析的资料,分析得也非常详细。但是看了很多资料以后,感觉缺少从实现的角度可以给学习的同学进行练手的资料。因此,本文从实现的角度,解释篡改的原理并实现篡改的过程,并附上实现的源代码。希望可以帮助想自己实现着玩的同学。

代码:

Dalvik字节码自篡改原理及实现

0x01 篡改的原理


由于Dex文件被映射为只读的,因此从Dex文件自己的代码里来修改自己的字节码是不行的。但是native代码和DVM却运行在相同的比字节码低的层次,所以可以通过native代码来修改字节码。在修改字节码之前,用mprotect把字节码所在的内存重新映射为可写,然后把新的字节码覆盖原来的字节码即可。

而在应用程序的进程空间,有一段是加载的odex文件,odex的0x28偏移开始的地方就是Dex文件。

Dalvik字节码自篡改原理及实现

在得到Dex文件在内存中的地址之后,通过查找Dex一系列相应的结构,最终找到存放指令的地址,把新的指令覆盖原来的指令即可。

0x02 搜索method指令位置的过程


找到了Dex文件的位置,需要经过几个查找步骤,最终定位到method存放指令的位置。具体的过程如图所示:

Dalvik字节码自篡改原理及实现

  1. 首先是需要确定method的名字,也就是method字符串,再确定method所在class的名字,也就是class字符串。这确定了要修改的方法。
  2. 把2个字符串到DexStringId结构的位置进行搜索,进而得到2个字符串在DexStringId中的索引序号。
  3. 对于class字符串,再通过DexStrngId索引序号,到DexTypeId中搜索,得到class字符串在DexTypeId中的索引序号。
  4. 还是class字符串,得到DexTypeId中的索引序号后,再到DexClassDef中搜索,就可以得到class的DexClassDef的位置。其中classDataOff字段记录了DexClassData偏移,这个结构里可以找到DexMethod结构。
  5. 而对于method字符串,找到DexStringId索引后,再结合上面class的DexTypeId,可以确定DexMethodId的索引序号。
  6. 现在我们知道了DexMethodId的索引序号,也知道了存放DexMethod的位置,直接搜索就可以得到我们要找的DexMethod。这个结构里的codeoff指向了存放指令的位置。

0x03 实验的设计


首先写一个应用,应用的TestAdd类有一个add方法,这个方法代码里进行的是乘法,计划篡改字节码后,运行的时候进行的是加法。如下:

#!cpp public int add(int a, int b){         int c;         c = a * b;         return c;            } 

篡改后返回a + b的值。

0x04 代码实现


搜索Dex文件开头

读取/proc/self/maps,搜索odex文件的地址,从而得到odex的起始地址和结束地址。

#!cpp FILE *fp;        fp = fopen("/proc/self/maps", "r");        if(fp!=NULL)       {     char line [ 2048 ];     while ( fgets ( line, sizeof line, fp ) != NULL )                 {                   if (strstr(line, "[email protected]@com.example.selfmodify") != NULL) //找到odex文件的名字                       {                          if (strstr(line, "classes.dex") != NULL)                               {                         s = strchr(line, '-');                                 if (s == NULL)                                      LOGD(" Error: string NULL");                                *s++ = '/0';                         start = (void *)strtoul(line, NULL, 16);                         end = (void *)strtoul(s, NULL, 16);                          LOGD(" startAddress = %x", (unsigned int)start);//得到odex起始地址                         LOGD(" endAddress = %x", (unsigned int)end);//得到odex结束地址                              }                        }                  }         fclose ( fp);       } 

其实直接在起始地址的那一页应该就是odex的开头,但是这里还是模拟从后面往前面搜索,search_start_page是odex结束地址的那一页。

#!cpp do{     search_start_page -= page_size; //page_size是sysconf得到的页大小     search_start_position = search_start_page + 40;  //加40是因为Dex在odex偏移0x28处     }while(!findmagic( (void *)(search_start_page + 40) ) ); //findmagic是搜索Dex文件开头的maigc number 

这样我们就得到了Dex文件的起始地址search_start_position。

得到method、class字符串的DexStringId序号

在DexHeader找到StingId的偏移,根据StringId结构指示的字符串地址,一项一项匹配是否是我们要找的字符串,具体见注释。

#!cpp int getStrIdx(int search_start_position, char *target_string,int size ) { int index; int stringidsoff; int stringdataoff; int *stringaddress; int string_num_mutf8;  if(*(int *)(search_start_position+56))//StringId个数不为0 {    index = 0;    stringidsoff = search_start_position + *(int *)(search_start_position+60) //StringId在内存的地址     while(1) {   stringdataoff = *(int *)stringidsoff;   stringidsoff +=4; //指向下一个StringId结构   stringaddress = (int *)(search_start_position + stringdataoff); //字符串数据在内存的地址   string_num_mutf8 = 0; //首先记录的是后续字符串占的字节数   if( readUleb128(stringaddress,(int)&string_num_mutf8) == size && !strncmp((char *)stringaddress + string_num_mutf8,target_string,size) ) //这里readUleb128读取的是记录后面字符串数据占的字节数;strncmp比较的是字符串的内容        break; //找到了就结束搜索    ++index; //记录索引序号   if(*(int *)(search_start_position+56) <= index ) //搜索次数大于StringId数目则结束      { index = -1;break;} } }else { index = -1; } return index; } 

得到typeId、methodId序号,ClassDef地址

这几个过程都很相似,这里只放typeId,其他的代码见链接。

解析过程见注释。

#!cpp signed int  getTypeIdx(int search_start_position, int strIdx) {   int typeIdsSize;    int typeIdsOff;   int typeid_to_stringid;    signed int result;    int next_typeIdsOff;    int next_typeid_to_stringid;     typeIdsSize = *(int *)(search_start_position + 64);//typeId的个数   if ( !typeIdsSize )     return -1;   typeIdsOff = search_start_position + *(int *)(search_start_position + 68);//typeId在内存的地址   typeid_to_stringid = *(int *)typeIdsOff; //指向StringId的索引序号   result = 0;   next_typeIdsOff = typeIdsOff + 4; //下一个typeId项   if ( typeid_to_stringid != strIdx )   {     while ( 1 )     {       ++result;//记录索引序号       if ( result == typeIdsSize ) //搜索完所有的typeId项         break;       next_typeid_to_stringid = *(int *)next_typeIdsOff;       next_typeIdsOff += 4; //下一typeId项       if ( next_typeid_to_stringid == strIdx )//找到了指定StringId的typeId项         return result;     }     return -1;   }   return result; } 

得到字节码存放的地址

根据methodIdx和DexClassDef的地址,搜索所有的DexMethod结构,找到要修改的指令。

具体见注释。

#!cpp int getCodeItem(int search_start_position, int class_def_item_address, int methodIdx) {   int *classDataOff;    int staticFieldsSize;    int *classDataOff_new_start;    int instanceFieldsSize;    int directMethodsSize;    int virtualMethodSize;   int *after_skipstaticfield_address;    int *DexMethod_start_address;    int result;    int DexMethod_methodIdx;    int *DexMethod_accessFlagsstart_address;   int Uleb_bytes_read;    int tmp;    classDataOff = (int *)(*(int *)(class_def_item_address + 24) + search_start_position);//得到DexClassData项的地址(class_data_item)   Uleb_bytes_read = 0; //每次读取的Uleb格式的字节数   staticFieldsSize = readUleb128(classDataOff, (int)&Uleb_bytes_read); //静态字段的个数   classDataOff_new_start = (int *)((char *)classDataOff + Uleb_bytes_read); //让地址前进,指向下一个要读取的项   instanceFieldsSize = readUleb128(classDataOff_new_start, (int)&Uleb_bytes_read);//实例字段个数   classDataOff_new_start = (int *)((char *)classDataOff_new_start + Uleb_bytes_read);   directMethodsSize = readUleb128(classDataOff_new_start, (int)&Uleb_bytes_read);//直接方法个数   classDataOff_new_start  = (int *)((char *)classDataOff_new_start + Uleb_bytes_read);   virtualMethodSize = readUleb128(classDataOff_new_start, (int)&Uleb_bytes_read);//虚方法个数   after_skipstaticfield_address = skipUleb128(2 * staticFieldsSize, (int *)((char *)classDataOff_new_start + Uleb_bytes_read));//地址继续前进,跳过静态字段占的空间   DexMethod_start_address = skipUleb128(2 * instanceFieldsSize, after_skipstaticfield_address);//继续前进,跳过实例字段后就是直接方法字段的起始地址   result = 0;   if ( directMethodsSize )//直接方法字段存在   {     DexMethod_methodIdx = 0;     do     {         DexMethod_methodIdx = readUleb128(DexMethod_start_address, (int)&Uleb_bytes_read);//直接方法的methodIdx       DexMethod_accessFlagsstart_address = (int *)((char *)DexMethod_start_address + Uleb_bytes_read);//地址指向accessFlags字段       if ( DexMethod_methodIdx == methodIdx )//如果是要查找的methodIdx       {         readUleb128(DexMethod_accessFlagsstart_address, (int)&Uleb_bytes_read);//读取accessFlags字段         return readUleb128((int *)((char *)DexMethod_accessFlagsstart_address + Uleb_bytes_read), (int)&Uleb_bytes_read) +  search_start_position;//接着就是读取codeoff字段,加上起始地址,就是DexCode在内存中的地址       }       --directMethodsSize;       DexMethod_start_address = skipUleb128(2, DexMethod_accessFlagsstart_address);//如果上面不是要找的DexMethod,跳过accessFlags和codeOff字段     }while ( directMethodsSize );     result = 0;   }   //跟上面的逻辑是一样的   if ( virtualMethodSize )   {     DexMethod_methodIdx = 0;     do     {         DexMethod_methodIdx = readUleb128(DexMethod_start_address, (int)&Uleb_bytes_read);       DexMethod_accessFlagsstart_address = (int *)((char *)DexMethod_start_address + Uleb_bytes_read);       if ( DexMethod_methodIdx == methodIdx )       {         readUleb128(DexMethod_accessFlagsstart_address, (int)&Uleb_bytes_read);         return readUleb128((int *)((char *)DexMethod_accessFlagsstart_address + Uleb_bytes_read), (int)&Uleb_bytes_read) +  search_start_position;       }       --virtualMethodSize;       DexMethod_start_address = skipUleb128(2, DexMethod_accessFlagsstart_address);     }while ( virtualMethodSize );     result = 0;   }   return result; } 

改变权限并复制字节码

codeItem_address是上面我们找到的DexCode开始的地址。

#!cpp void *codeinsns_page_address = (void *)(codeItem_address + 16 - (codeItem_address + 16) % (unsigned int)page_size );//找到指令开始的地址,然后计算那一内存页的地址。 mprotect(codeinsns_page_address,page_size,3);//改为可写 char inject[]={0x90,0x00,0x02,0x03,0x0f,0x00}; memcpy(code_insns_address,&inject,6);//将字节码复制过去 

0x04 结果


可以看到各个字段读取的结果,本来应该是1*2=2,修改字节码之后为1+2=3了。

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