Android Linker 与 SO 加壳技术

1. 前言

Android 系统安全愈发重要，像传统pc安全的可执行文件加固一样，应用加固是Android系统安全中非常重要的一环。目前Android 应用加固可以分为dex加固和Native加固，Native 加固的保护对象为 Native 层的 SO 文件，使用加壳、反调试、混淆、VM 等手段增加SO文件的反编译难度。目前最主流的 SO 文件保护方案还是加壳技术，在SO文件加壳和脱壳的攻防技术领域，最重要的基础的便是对于 Linker 即装载链接机制的理解。对于非安全方向开发者，深刻理解系统的装载与链接机制也是进阶的必要条件。

本文详细分析了 Linker 对 SO 文件的装载和链接过程，最后对 SO 加壳的关键技术进行了简要的介绍。

对于 Linker 的学习，还应该包括 Linker 自举、可执行文件的加载等技术，但是限于本人的技术水平，本文的讨论范围限定在 SO 文件的加载，也就是在调用dlopen("libxx.SO")之后，Linker 的处理过程。

本文基于 Android 5.0 AOSP 源码，仅针对 ARM 平台，为了增强可读性，文中列举的源码均经过删减，去除了其他 CPU 架构的相关源码以及错误处理。

P.S. :阅读本文的读者需要对 ELF 文件结构有一定的了解。

2. SO 的装载与链接

2.1 整体流程说明

1. do_dlopen
调用 dl_open 后，中间经过 dlopen_ext, 到达第一个主要函数 do_dlopen:

do_dlopen 调用了两个重要的函数，第一个是find_library, 第二个是 soinfo 的成员函数 CallConstructors，find_library 函数是 SO 装载链接的后续函数，完成 SO 的装载链接后，通过 CallConstructors 调用 SO 的初始化函数。

2. find_library_internal
find_library 直接调用了 find_library_internal，下面直接看 find_library_internal函数:

find_library_internal 首先通过 find_loaded_library_by_name 函数判断目标 SO 是否已经加载，如果已经加载则直接返回对应的soinfo指针，没有加载的话则调用 load_library 继续加载流程，下面看 load_library 函数。

3. load_library

load_library 函数呈现了 SO 装载链接的整个流程，主要有3步:

装载:创建ElfReader对象，通过 ElfReader 对象的 Load 方法将 SO 文件装载到内存
分配soinfo:调用 soinfo_alloc 函数为 SO 分配新的 soinfo 结构，并按照装载结果更新相应的成员变量
链接: 调用 soinfo_link_image 完成 SO 的链接

通过前面的分析，可以看到， load_library 函数中包含了 SO 装载链接的主要过程, 后文主要通过分析 ElfReader 类和 soinfo_link_image 函数, 来分别介绍 SO 的装载和链接过程。

2.2 装载

在 load_library 中，首先初始化 elf_reader 对象, 第一个参数为 SO 的名字，第二个参数为文件描述符 fd:
ElfReader elf_reader(name, fd)
之后调用 ElfReader 的 load 方法装载 SO。

ElfReader::Load 方法如下:

ElfReader::Load 方法首先读取 SO 的elf header，再对elf header进行验证，之后读取program header，根据program header 计算 SO 需要的内存大小并分配相应的空间，紧接着将 SO 按照以 segment 为单位装载到内存，最后在装载到内存的 SO 中找到program header，方便之后的链接过程使用。
下面深入 ElfReader 的这几个成员函数进行详细介绍。

2.2.1 read&verify elfheader

ReadElfHeader 使用 read 直接从 SO 文件中将 elf_header 读取 header_ 中，header_ 为 ElfReader 的成员变量，类型为 Elf32_Ehdr，通过 header 可以方便的访问 elf header中各个字段，elf header中包含有 program header table、section header table等重要信息。
对 elf header 的验证包括:

magic字节
32/64 bit 与当前平台是否一致
大小端
类型:可执行文件、SO …
版本:一般为 1，表示当前版本
平台:ARM、x86、amd64 …

有任何错误都会导致加载失败。

2.2.2 Read ProgramHeader

将 program header 在内存中单独映射一份，用于解析program header 时临时使用，在 SO 装载到内存后，便会释放这块内存，转而使用装载后的 SO 中的program header。

2.2.3 reserve space & 计算 load size

首先调用 phdr_table_get_load_size 函数获取 SO 在内存中需要的空间load_size，然后使用 mmap 匿名映射，预留出相应的空间。

关于loadbias: SO 可以指定加载基址，但是 SO 指定的加载基址可能不是页对齐的，这种情况会导致实际映射地址和指定的加载地址有一个偏差，这个偏差便是 load_bias_，之后在针对虚拟地址进行计算时需要使用 load_bias_ 修正。普通的 SO 都不会指定加载基址，这时min_vaddr = 0，则 load_bias_ = load_start_，即load_bias_ 等于加载基址，下文会将 load_bias_ 直接称为基址。

下面深入phdr_table_get_load_size分析一下 load_size 的计算:使用成员变量 phdr_table 遍历所有的program header，找到所有类型为 PT_LOAD 的 segment 的 p_vaddr 的最小值，p_vaddr + p_memsz 的最大值，分别作为 min_vaddr 和 max_vaddr，在将两个值分别对齐到页首和页尾，最终使用对齐后的 max_vaddr - min_vaddr 得到 load_size。

2.2.4 Load Segments

遍历 program header table，找到类型为 PT_LOAD 的 segment:

计算 segment 在内存空间中的起始地址 seg_start 和结束地址 seg_end，seg_start 等于虚拟偏移加上基址load_bias_，同时由于 mmap 的要求，都要对齐到页边界得到 seg_page_start 和 seg_page_end。
计算 segment 在文件中的页对齐后的起始地址 file_page_start 和长度 file_length。
使用 mmap 将 segment 映射到内存，指定映射地址为 seg_page_start，长度为 file_length，文件偏移为 file_page_start。

2.3 分配 soinfo

load_library 在调用 load_segments 完成装载后，接着调用 soinfo_alloc 函数为目标SO分配soinfo，soinfo_alloc 函数实现如下:

Linker 为每个 SO 维护了一个soinfo结构，调用 dlopen时，返回的句柄其实就是一个指向该 SO 的 soinfo 指针。soinfo 保存了 SO 加载链接以及运行期间所需的各类信息，简单列举一下:

装载链接期间主要使用的成员:

装载信息
- const ElfW(Phdr)* phdr;
- size_t phnum;
- ElfW(Addr) base;
- size_t size;
符号信息
- 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 函数和 finit 函数
- 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;

运行期间主要使用的成员:

导出符号查找（dlsym）:
- const char* strtab;
- ElfW(Sym)* symtab;
- size_t nbucket;
- size_t nchain;
- unsigned* bucket;
- unsigned* chain;
- ElfW(Addr) load_bias;
异常处理:
- unsigned* ARM_exidx;
- size_t ARM_exidx_count;

load_library 在为 SO 分配 soinfo 后，会将装载结果更新到 soinfo 中，后面的链接过程就可以直接使用soinfo的相关字段去访问 SO 中的信息。

2.4 链接

链接过程由 soinfo_link_image 函数完成，主要可以分为四个主要步骤:

1. 定位 dynamic section，
由函数 phdr_table_get_dynamic_section 完成，该函数会遍历 program header，找到为类型为 PT_DYNAMIC 的 header, 从中获取的是 dynamic section 的信息，主要就是虚拟地址和项数。

2. 解析 dynamic section
dynamic section本质上是类型为Elf32_Dyn的数组，Elf32_Dyn 结构如下

Elf32_Dyn结构的d_tag属性表示该项的类型，类型决定了dun中信息的意义，e.g.:当d_tag = DT_SYMTAB表示该项存储的是符号表的信息，d_un.d_ptr 表示符号表的虚拟地址的偏移，当d_tag = DT_RELSZ时，d_un.d_val 表示重定位表rel的项数。
解析的过程就是遍历数组中的每一项，根据d_tag的不同，获取到不同的信息。
dynamic section 中包含的信息主要包括以下 3 类:

- 符号信息
- 重定位信息
- init&finit funcs

3. 加载 needed SO
调用 find_library 获取所有依赖的 SO 的 soinfo 指针，如果 SO 还没有加载，则会将 SO 加载到内存，分配一个soinfo*[]指针数组，用于存放 soinfo 指针。

4. 重定位
重定位SO 链接中最复杂同时也是最关键的一步。重定位做的工作主要是修复导入符号的引用，下面一节将对重定位过程进行详细分析。

soinfo_link_image 的示意代码:

2.4.1 重定位 relocate

Android ARM 下需要处理两个重定位表，plt_rel 和 rel，plt 指的是延迟绑定，但是 Android 目前并不对延迟绑定做特殊处理，直接与普通的重定位同时处理。两个重定位的表都由 soinfo_relocate 函数处理。
soinfo_relocate 函数需要遍历重定位表，处理每个重定位项，每个重定位项的处理过程可以分为 3 步:
1. 解析重定位项和导入符号的信息

重定位项的结构如下

首先从重定位项获取的信息如下:

重定位的类型 type
符号在符号表中的索引号 sym，sym 为0表示为本SO内部的重定位，如果不为0，意味着该符号为导入符号
重定位的目标地址 reloc，使用r_offset + si_load_bias，相当于偏移地址+基地址

符号表表项的结构为elf32_sym:

2. 如果 sym 不为0，则查找导入符号的信息
如果 sym 不为0，则继续使用 sym 在符号表中获取符号信息，从符号信息中进一步获取符号的名称。随后调用 soinfo_do_lookup 函数在所有依赖的 SO 中根据符号名称查找符号信息，返回值类型为 elf32_sym，同时还会返回含有该符号的 SO 的 soinfo( lsi )，如果查找成功则该导入符号的地址为:
sym_addr = s->st_value + lsi->load_bias;

3. 修正需要重定位的地址
根据重定位类型的不同，修正重定位地址，具体的重定位类型定义和计算方法可以参考 aaelf 文档的 4.6.1.2 节。
对于导入符号，则使用根据第二步得到 sym_addr 去修正，对于 SO 内部的相对偏移修正，则直接将reloc的地址加上 SO 的基址。

2.5 CallConstructors

在编译 SO 时，可以通过链接选项-init或是给函数添加属性__attribute__((constructor))来指定 SO 的初始化函数，这些初始化函数在 SO 装载链接后便会被调用，再之后才会将 SO 的 soinfo 指针返回给 dl_open 的调用者。SO 层面的保护手段，有两个介入点, 一个是 jni_onload, 另一个就是初始化函数，比如反调试、脱壳等，逆向分析时经常需要动态调试分析这些初始化函数。

完成 SO 的装载链接后，返回到 do_dlopen 函数, do_open 获得 find_library 返回的刚刚加载的 SO 的 soinfo，在将 soinfo 返回给其他模块使用之前，最后还需要调用 soinfo 的成员函数 CallConstructors。

CallConstructors 函数会调用 SO 的首先调用所有依赖的 SO 的 soinfo 的 CallConstructors 函数，接着调用自己的 soinfo 成员变量 init 和看 init_array 指定的函数，这两个变量在在解析 dynamic section 时赋值。

有了以上分析基础后，在需要动态跟踪初始化函数时，我们就知道可以将断点设在 do_dlopen 或是 CallConstructors。

3. 加壳技术

在病毒和版权保护领域，“壳”一直扮演着极为重要的角色。通过加壳可以对代码进行压缩和加密，同时再辅以虚拟化、代码混淆和反调试等手段，达到防止静态和动态分析。

在 Android 环境中，Native 层的加壳主要是针对动态链接库 SO，SO 加壳的示意图如下:

加壳工具、loader、被保护SO。

SO: 即被保护的目标 SO。
loader: 自身也是一个 SO，系统加载时首先加载 loader，loader 首先还原出经过加密、压缩、变换的 SO，再将 SO 加载到内存，并完成链接过程，使 SO 可以正常被其他模块使用。
加壳工具: 将被保护的 SO 加密、压缩、变换，并将结果作为数据与 loader 整合为 packed SO。

下面对 SO 加壳的关键技术进行简单介绍。

3.1 loader 执行时机

Linker 加载完 loader 后，loader 需要将被保护的 SO 加载起来，这就要求 loader 的代码需要被执行，而且要在被保护 SO 被使用之前，前文介绍了 SO 的初始化函数便可以满足这个要求，同时在 Android 系统下还可以使用 JNI_ONLOAD 函数，因此 loader 的执行时机有两个选择:

SO 的 init 或 initarray
jni_onload

3.2 loader 完成 SO 的加载链接

loader 开始执行后，首先需要在内存中还原出 SO，SO 可以是经过加密、压缩、变换等手段，也可已单纯的以完全明文的数据存储，这与 SO 加壳的技术没有必要的关系，在此不进行讨论。
在内存中还原出 SO 后，loader 还需要执行装载和链接，这两个过程可以完全模仿 Linker 来实现，下面主要介绍一下相对 Linker，loader 执行这两个过程有哪些变化。

3.2.1 装载

还原后的 SO 在内存中，所以装载时的主要变化就是从文件装载到从内存装载。
Linker 在装载 PT_LAOD segment时，使用 SO 文件的描述符 fd：

按照 Linker 装载，PT_LAOD segment时，需要分为两步：

注意第2步复制 segment 时，目标地址需要加上 seg_page_offset，seg_page_offset 是 segment 相对与页面起始地址的偏移。
其他的步骤基本按照 Linker 的实现即可，只需要将一些从文件读取修改为从内存读取，比如读 elfheader和program header时。

3.2.2 分配 soinfo

soinfo 保存了 SO 装载链接和运行时需要的所有信息，为了维护相关的信息，loader 可以照搬 Linker 的 soinfo 结构，用于存储中间信息，装载链接结束后，还需要将 soinfo 的信息修复到 Linker 维护的soinfo，3.3节进行详细说明。

3.2.3 链接

链接过程完全是操作内存，不论是从文件装载还是内存装载，链接过程都是一样，完全模仿 Linker 即可。
另外链接后记得顺便调用 SO 初始化函数( init 和 init_array )。

3.3 soinfo 修复

SO 加壳的最关键技术点在于 soinfo 的修复，由于 Linker 加载的是 loader，而实际对外使用的是被保护的 SO，所以 Linker 维护的 soinfo 可以说是错误，loader 需要将自己维护的 soinfo 中的部分信息导出给 Linker 的soinfo。

修复过程如下：

获取 Linker 维护的 soinfo，可以通过 dlopen 打开自己来获得：self_soinfo = dlopen(self)。
将 loader soinfo 中的信息导出到 self_soinfo，最简单粗暴的方式就是直接赋值，比如：self_soinfo.base = soinfo.base。需要导出的主要有以下几项：
- SO地址范围：base、size、load_bias
- 符号信息:sym_tab、str_tab、
- 符号查找信息：nbucket、nchain、bucket、chain
- 异常处理：ARM_exidx、ARM_exidx_count