【移动安全】脑洞型so加载过程实验【转】

发表于2017年1月9日由rande
文章难易度【★★★★★】

阅读基础：熟悉Android虚拟机源码、so加载过程、Native编程

【预备~~~起】


前几天有人问我，ELF的可执行文件能不能调用so文件的JNI_OnLoad函数。这倒是一个有脑洞的想法，我尝试了一夜，就把尝试的过程记录下来。

【一二三四】


先从理论上分析一下可能性，对于so文件我们在代码里是可以dlopen函数打开，然后dlsym函数定位so文件中的函数地址执行调用的。也就是说只要我们可以解决参数问题，调用so文件中的任意函数都是可以的。

JNIEXPORT jint JNICALL JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved);

这是jni.h中JNI_OnLoad函数的声明，对于第二个参数我们可以不管。第一个参数是一个虚拟机实例。在正常的APK调用so的过程中，Java层会将自己的JavaVM传递到JNI_OnLoad中，通过JavaVM对象中的函数表中的GetEnv，可以获得JNIEnv对象，JNIEnv对象的函数表中保存了我们在编写so代码中经常用到的函数如NewStringUTF，该函数接受一个char *字符串转化为jstring字符串。

也就是说，如果我们要正确转化Java层和Native层互相传递的参数，或者正确使用他们之间的相互调用，JNIEnv对象不能少，而JNIEnv对象依托于JavaVM，JavaVM同样需要正确的存在（传递到JNI_OnLoad当中）。搞清楚了这一点，我们就知道目前的问题了，因为要正确调用JNIEnv中的函数表，所以JavaVM必须正确传递。

我们必须要有一个正确的JavaVM对象，而这是一个虚拟机实例，难道我要创建一个虚拟机？
那能不能借用其他进程的JavaVM呢，应该是可以的，这样就相当于被借用进程的Java层加载了这个so文件。只要有足够的权限应该可以办到。然而我并没有采用这种办法。

既然不借用，那就只能自己创建一个虚拟机了。但是创建之前必须搞清楚一点，我们需要这个JavaVM对象干嘛？从前面的分析知道，这个JavaVM对象之所以不可或缺是因为我们需要JNIEnv的对象，而需要JNIEnv对象的目的是为了正确调用JNIEnv对象中的那些函数。本质上我们是在使用那些函数，JavaVM和JNIEnv只是调用那些函数的桥梁而已。

我们似乎可以有这么一个猜想：既然Native层需要JavaVM只是为了通过它获得函数表中的函数，那如果我们创建一个空的JavaVM（以及JNIEnv），然后将需要调用的函数注册了，也就是将JNIEnv函数表中的函数指针指向我们自己的函数，这样在调用函数的时候也就能正确执行。

如何佐证这点呢？事实上，不管是加载过程还是加载成功后我们在Native层写的代码，从来没有检查过JNIEnv对象的完整性，也就是Android系统根本不关心这个JNIEnv是不是一个真正的JNIEnv对象，理论上做一个空对象是可行的。
我们通过Android源码看一下JNI_OnLoad中JavaVM对象是怎么来的

gDvmJni是一个全局变量，保存了与虚拟机相关的设置信息

可以看到gDvmJni.jniVm保存的是pVM

上面是pVM的创建过程。仿照这个过程，便可以创建一个空的JavaVM对象
【二二三四】


根据上面的分析，我们准备进行实验，验证之前的猜想。由上面得知，需要测试的是我们自己创建的空JavaVM对象能否顺利传入JNI_OnLoad并且通过本地的函数顺利执行。所以这里并没有直接用ELF加载so文件调用JNI_OnLoad，而是在APK中组建两个不同的so文件，取名为native-lib和main-lib，Java层通过API调用native-lib文件，然后在native-lib中创建空JavaVM对象，继而加载main-lib并调用。这样做一来可以利用AndroidStudio强大的调试能力，便于调试；二来可以调用Apk的JavaVM帮助我们实现部分功能。

public class MainActivity extends Activity {

static {

System.loadLibrary(“native-lib”);

 

}

 

@Override

public void onCreate(Bundle saveInstanceState) {

super.onCreate(saveInstanceState);

setContentView(R.layout.main_activity);

 

Button lib = (Button)findViewById(R.id.libnative);

Button main = (Button)findViewById(R.id.main);

final TextView mTextView = (TextView)findViewById(R.id.textView);

mTextView.setText(mTextView.getText(), TextView.BufferType.EDITABLE);

 

lib.setOnClickListener(new View.OnClickListener() {

@Override

public void onClick(View view) {

mTextView.append(strFromLib() + “\n”);

}

});

 

main.setOnClickListener(new View.OnClickListener() {

@Override

public void onClick(View view) {

//mTextView.append(strFromMain() + “\n”);

}

});

 

 

}

 

protected native String strFromLib();

MainActivity类，设置一个按钮，按下后调用native-lib中的strFromLib函数，该函数返回一个jstring，如果正确执行，则返回“jni_onload success”。

add_library( # Sets the name of the library.

native-lib

 

# Sets the library as a shared library.

SHARED

 

# Provides a relative path to your source file(s).

# Associated headers in the same location as their source

# file are automatically included.

src/main/jni/native.cpp )

 

add_library( # Sets the name of the library.

main-lib

 

# Sets the library as a shared library.

SHARED

 

# Provides a relative path to your source file(s).

# Associated headers in the same location as their source

# file are automatically included.

src/main/jni/main.cpp )

CMakeLists.txt中，准备两个so库文件
先看main-lib中的代码

JNIEXPORT jint JNICALL JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved) {

void *env;

if (vm->GetEnv((void **)&env, JNI_VERSION_1_4) == JNI_OK) { //获取JNI_Env

jstring tmp= ((JNIEnv *)env)->NewStringUTF(“jni_onload success”); //调用NewStringUTF

const char *ptr = ((JNIEnv *)env)->GetStringUTFChars(tmp, 0); //调用GetStringUTFChars

strcpy(gString, ptr);

((JNIEnv *)env)->ReleaseStringUTFChars(tmp, ptr); //调用ReleaseStringUTFChars

}

 

return JNI_VERSION_1_4;

}

gString是一个全局的字符串。如果执行成功，先调用NewStringUTF生成一个jstring，内容为jni_onload success，之后调用GetStringUTFChars转换成一个char *字符串，再拷贝到gString，然后通过ReleaseStringUTFChars将ptr收回。

JNI_OnLoad函数中调用了GetEnv，NewStringUTF，GetStringUTFChars，ReleaseStringUTFChars。这四个函数。

再看native-lib

typedef struct NewStruct {

JavaVM *javaVM;

JNIEnv *jniEnv;

JNIEnv *really;

}newStruct;

 

newStruct *ptr;

为了方便之后的调用，准备一个新的结构，包含之后自己创建的JavaVM和JNIEnv，最后一个really变量是Apk中的真正的JNIEnv。ptr是newStruct对象的一个全局指针。

newStruct *newJavaVM() {

newStruct *ptr = (newStruct *)malloc(sizeof(newStruct));

memset(ptr, 0, sizeof(ptr));

 

JavaVM *javaVM = (JavaVM *)malloc(sizeof(javaVM));

memset(javaVM, 0, sizeof(javaVM));

 

JNIEnv *jniEnv = (JNIEnv *)malloc(sizeof(JNIEnv));

memset(jniEnv, 0, sizeof(jniEnv));

 

JNIInvokeInterface *jniInvokeInterface = (JNIInvokeInterface *)malloc(sizeof(JNIInvokeInterface));

memset(jniInvokeInterface, 0, sizeof(JNIInvokeInterface));

jniInvokeInterface->GetEnv = getEnv;

 

javaVM->functions = jniInvokeInterface;

 

JNINativeInterface *jniNativeInterface = (JNINativeInterface *)malloc(sizeof(JNINativeInterface));

memset(jniNativeInterface, 0, sizeof(JNINativeInterface));

jniNativeInterface->NewStringUTF = newStringUTF;

jniNativeInterface->GetStringUTFChars = getStringUTFChars;

jniNativeInterface->ReleaseStringUTFChars = releaseStringUTFChars;

jniNativeInterface->GetJavaVM = getJavaVM;

 

jniEnv->functions = jniNativeInterface;

 

ptr->javaVM = javaVM;

ptr->jniEnv = jniEnv;

 

return ptr;

}

该函数用来创建我们之前分析提到的结构jniInvokeInterface和jniNativeInterface是JavaVM和JNIEnv中的函数表结构。这当中的函数指针设置为本地的函数，除了之前说到的四个函数，还有一个GetJavaVM

jint getEnv(JavaVM *javaVM, void **env, jint version) {

*env = ptr->jniEnv;

return JNI_OK;

}

 

//jstring (*NewStringUTF)(JNIEnv *, const char *);

jstring newStringUTF(JNIEnv *jniEnv, const char *bytes) {

return ptr->really->NewStringUTF(bytes);

}

 

const char *getStringUTFChars(JNIEnv *jniEnv, jstring string, jboolean *isCopy) {

return ptr->really->GetStringUTFChars(string, isCopy);

}

 

void releaseStringUTFChars(JNIEnv *jniEnv, jstring string, const char *utf) {

ptr->really->ReleaseStringUTFChars(string, utf);

}

 

jint getJavaVM(JNIEnv *jniEnv, JavaVM** vm) {

*vm = ptr->javaVM;

return 0;

}

这五个函数完全按照jni.h中的声明实现，为了方便并没有完全自己实现，几个复杂的函数直接调用了really中对应的函数，毕竟我们的目的是看能否顺利执行，如何实现先不管。

/*

* 其实所有函数都位于libdvm.so中（Debug时通过地址可以看到）

* 但是每个函数都会调用一个JNIEnv，并不能保证函数内部没有调用这个JNIEnv对象

* 所以意味着要么自己实现，要么调用一个真正的JNIEnv

*

* */

 

ptr = newJavaVM();

ptr->really = really_env;   //对于没有办法自己写的函数，调用真正的JNIEnv的函数表中的函数填充

 

JNIEnv *env = ptr->jniEnv;  //使用自己构造的JNIEnv

void *hand = (void *)dlopen(“libmain-lib.so”, RTLD_LAZY);

jint (*jni_onload)(JavaVM *, void *);

jni_onload = (jint (*)(JavaVM *, void *))dlsym(hand, “JNI_OnLoad”);

if (jni_onload != NULL) {

void *javaVM;

env->GetJavaVM((JavaVM **)&javaVM);

jni_onload((JavaVM *)javaVM, (void *)0);

char *gString = (char *)dlsym(hand, “gString”);

if (gString != NULL) {

return env->NewStringUTF(gString);

}

}

return env->NewStringUTF(“jni_onload fail”);

然后调用JNI_OnLoad，并且获取全局变量gString，如果JNI_OnLoad执行成功，则返回正确的字符串“jni_onload success”

【三二三四】


之后看执行情况

从调试结果看，执行了我们自己定义的本地函数

最终结果成功。
【四二三四】


总结一下。最开始收到问题ELF文件能否调用so文件中的JNI_OnLoad函数。逐步分析：
（1）JavaVM参数必须传入
（2）传入的目的是为了JNIEnv中的functions，也就是函数表中的函数
（3）由（1）和（2）猜想是否只是需要函数表中的函数指针指向正确的地址，其余内容可以为空
（4）猜想（3）的佐证，加载过程和执行过程中没有对JNIEnv做完整性检查
（5）对猜想（3）进行验证，执行过程中成功调用了本地的函数
此外，在正常程序的调试过程中可以看到所有的函数指针指向的位置都在libdvm.so中，第一个参数都是JNIEnv。
在Dalvik虚拟机的源码解读中一直提到一个Java环境和JNI环境，其实所谓的环境最直观的便是能否直接使用相对应的函数指针。
对Apk加固的意义，既然空的JavaVM在完善部分函数后就可以当作参数传入，那么意味着对于多个so文件的Apk，完全可以通过一个so加载其余so，并且通过自定义的JavaVM。在本地的函数中添加各种加密、hook等等手段达到加固的目的。

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