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[原创] 基于eBPF的安卓逆向辅助工具——stackplz
2023-9-8 21:37 6814

[原创] 基于eBPF的安卓逆向辅助工具——stackplz

2023-9-8 21:37
6814

前言

stackplz是一款基于eBPF技术实现的追踪工具,目的是辅助安卓native逆向,仅支持64位进程,主要功能如下:

  • hardware breakpoint 基于pref_event实现的硬件断点功能,在断点处可读取寄存器信息,不会被用户态探测到
    • 前提是需要内核启用CONFIG_HAVE_HW_BREAKPOINT,5.10+内核默认开启
  • uprobe hook 即在用户态对动态库下断点,在断点处可读取寄存器等上下文信息
  • trace syscall 即在内核态对syscall进行追踪,输出syscall信息,无视任何反调试
  • 自动追踪fork产生的进程,可按pid/uid/tid/package等组合进行过滤
  • 在命中hook的时候可发送信号,例如发送SIGSTOP可挂起进程(硬件断点暂未实现发送信号
    • 几乎无视反调试,并且此时可以使用lldb等调试器附加到进程,获取上下文内容
    • 如果进程已经处于相互ptrace的状态,则调试器不可附加,但此时还是可以通过dd等手段获取上下文内容
  • 使用上述功能时,均可回溯堆栈

使用要求:内核 5.10+(开发板+ReDroid也是可以的,当前支持rock5b),该限制主要来自于需要使用bpf_probe_read_user接口

stackplz最初是受到定制bcc/ebpf在android平台上实现基于dwarf的用户态栈回溯启发,加上自己对eBPF技术略有一点研究,然后决定开发这样一款工具

当时核心目的是寻求一种门槛低、不依赖额外环境、能实际落地的方案开发eBPF程序

受限于当时高版本内核安卓设备的普及程度,只实现了寄存器获取与堆栈回溯,限制是内核要求4.14+

经过一年左右的发展,GKI 2.0设备多了起来,各类eBPF相关的内容不断涌现 ,加上之前自己立了flag

于是最近几个月把之前给stackplz立的flag给陆续落地,加上了许多功能,以期能真正将eBPF技术投入实际的安卓逆向分析中

另外KernelSU近期也发布了新的计划:

  • su 使用日志;通过在内核中跟踪 fork, execve 等系统调用,给出调用 su 的进程调用的日志,如时间,命令行参数等。
  • 集成支持硬件断点并提供用户空间接口,为开发和调试提供便利。
  • 在 kernel 中集成 Lua 解释器并为用户空间提供接口;这样可以让内核运行 lua 脚本,等同于无限制的 eBPF,成为 tracing 好帮手。

什么,无限制的eBPF?那真的是太好了! 所以本文再不出,stackplz就要凉啦(>_<)

再次说明要求与限制:内核 5.10+,仅支持64位进程

请前往Releases或者Actions下载使用

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adb push stackplz /data/local/tmp
chmod +x /data/local/tmp/stackplz
cd /data/local/tmp && ./stackplz --prepare

注意:每次更新版本请手动执行一次./stackplz --prepare

功能演示

本文演示过程中没有任何APP受到伤害!

写原理太枯燥你们可能就划走了,下次再写,还是先看看实际效果吧~

1. 硬件断点

硬件断点支持四种类型,即r,w,x,rw,断点长度为4字节

命令中必须提供pid,断点绝对地址或者断点偏移+动态库名,下面是两个示例效果:

1
./stackplz -p 37919 --brk 0xf3a4:x --brk-lib libnative-lib.so --stack

1
./stackplz -p 37919 --brk 0x763e6103a4:x --regs --stack --stack-size 4096

说明:

  • --regs 输出寄存器信息
  • --stack 默认获取用户态8192字节的栈上数据用于回溯堆栈
  • --stack-size 可以用于指定要获取的栈上数据大小,必须是8的倍数

如果要给内核空间的地址下硬件断点,可以使用pid+绝对地址的方式,pid给定一个存在的进程即可(不过目前没有回溯内核堆栈的功能,所以给内核空间地址下硬件断点聊胜于无

2. uprobe hook

其原理是替换目标位置动态库的指令为brk指令,执行到目标位置的时候会陷入内核,执行eBPF虚拟机中的代码

美中不足的是,这个brk指令是可以被扫描出来的,但优势也是只有这一个brk指令,没有inlinehook那么多特征

如果确实担心被扫描,那么可以采用硬件断点先检查下^_^

基于该能力,stackplz可以在断点位置读取上下文的内容,在逆向时以最小的侵入力度获取想要的内容,尽可能避开检测

下面是具体效果:

1
./stackplz -n com.sfx.ebpf --point strstr[str,str] --getoff --stack

1
./stackplz -n com.sfx.ebpf -l libnative-lib.so -w _Z5func4i[int] --regs

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./stackplz -n com.sfx.ebpf -w open64[str,int] -f w:/data
./stackplz -n com.sfx.ebpf -w open64[str.f0,int] -f w:/data
./stackplz -n com.sfx.ebpf -w open64[str.f0.f1.f2,int] -f w:/data -f b:/sys -f w:/proc

说明:

  • --getoff 计算LR与PC的偏移情况,方便快速定位调用位置
  • -l/--lib 指定动态库路径,默认为libc.so
    • 大多数情况下使用库名即可,如果遇到同名不同路径,或者找不到的情况,可手动指定为/proc/{pid}/maps中的完整路径
  • -w/--point 意为观测点,配合动态库指定符号或者偏移,可设置多个,上限6个
    • 语法是{符号/基址偏移}{+偏移}{[参数类型{寄存器/读取地址},参数类型{.f{规则索引}}]}
    • 一个观测点下最多读取10个参数
    • 一个参数下最多应用6个过滤规则
    • 下面是一些使用组合示例,目前支持的类型:int,uint,int64,uint64,str,ptr,buf
    • -w _Z5func1v
    • -w 0x9542c[str,str]
    • -w strstr+0x4[str,str]
    • -w strstr[str,str] -w open[str,int]
    • -w 0xA94E8[int:x1,ptr:sp+0x30-0x2c]
      • 默认按寄存器顺序读取,也可以参考本示例,在第一个位置读取x1为int,在第二个位置读取sp+0x30-0x2c为指针
      • 没错,可以进行简单的计算,这样能够灵活读取栈上的内容
    • -w write[int,buf:x2,int]
    • -w write[int,buf:32,int]
    • -w write[int,buf:0x10,int]
      • buf较为特殊,规则如下:
      • 如果:后面是寄存器表明以该寄存器大小为长度读取数据
      • 如果:后面是十进制或十六进制字符串,则表明以这个数的大小为长度读取数据
    • -w write[buf:x2:x1,int,int]
      • 这里的规则表示,读取第一个参数时,读的是x1寄存器,长度为x2,即:后的第一个内容表示长度,末尾的才是要读取的寄存器
  • -f/--filter 字符串过滤规则,有三种,分别是w/white b/black r/replace,示例如下
    • 规则位于参数的末尾,多个规则以.作为分隔符
    • 替换规则涉及两个字符串,以:::作为分隔符
    • 示例如下,依次为白名单规则、黑名单规则、替换规则:
      • -f w:/data
      • -f b:/sys
      • -f r:/system/bin/su:::/system/bin/zz
    • -w openat[int,str.f0.f1] 意为对符号openat的第二个参数,应用规则0规则1
    • -s openat:f0 这是syscall,先在这里说了,意为对openat系统调用的第一个字符串参数应用规则0,注意分隔符为:

3. trace syscall

原理是将eBPF程序挂载到raw_tracepoint/sys_enterraw_tracepoint/sys_exit,然后根据预设配置解析参数

追踪syscall的时候自然也是能输出堆栈的,不过限于篇幅,下面的例子中就不演示了,加--stack即可

下面是具体效果:

1
./stackplz -n com.sfx.ebpf -s openat,socket,connect

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./stackplz -n com.sfx.ebpf -s %file,%net --no-syscall openat,recvfrom

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./stackplz -n ???.???.??? -s openat:f0.f1.f2 -f w:/system -f w:/dev -f b:/system/lib64 -o tmp.log

说明:

  • -s/--syscall 一般情况,追踪多个syscall要用,作为分隔符
    • 还可以使用下面的内容进行分组追踪,避免手打大量syscall名
      • all %attr %file %exec %clone %process %net %signal %kill %stat
    • 对syscall中的参数进行过滤,示例如下,使用:作为起始分隔符,使用.作为多个规则的分隔符
      • -s openat:f0.f1.f2
    • syscall的参数过滤仅支持syscall的首个字符串参数

4. 进阶使用

下面将演示如何过root检查,虽然对于eBPF来说做这个事情比较鸡肋,但是还是值得演示一下

核心原理就是通过bpf_probe_write_user方法修改内存数据,这里过root检查就是简单替换下相关的字符串

再次说明:本文演示过程中没有任何APP受到伤害!

这里请一位不愿透露姓名的APP做演示,过程如下:

  1. 首先执行第一个命令,该命令意为追踪execveopenat两个系统调用
  2. 打开APP,很快啊,APP就崩溃了;这个时候已经采集到syscall的调用情况了,从日志中检查调用的参数,发现有su相关的访问
  3. 还是执行第一个命令,然后另开一个shell,执行第二个命令,将有关su的访问替换为其他字符串
  4. 打开APP,很快啊,APP还是崩溃了,不过可以发现APP执行得更久一点...
  5. 配合使用--stack--mstack--getoff,进行更准确的分析
  6. 以此往复,最终发现APP还会执行mountwhich su等命令,而且是走的libc.so,于是再开一个shell执行第三个命令
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./stackplz -n ???.???.???,iso -s execve,openat -o tmp_s.log
./stackplz -n ???.???.???,iso -s execve:f3,openat:f0.f1.f2 -f r:/sbin/su:::/xx -f r:/system/bin/su:::/xx -f r:/system/xbin/su:::/xx -f r:/system/bin/getprop:::/xx
./stackplz -n ???.???.???,iso -w popen[str.f0.f1] -f r:mount:::mounx -f "r:which su:::which zz" --stack

使用--mstack,该选项意为手工解析堆栈,因为某些情况下默认的方案可能无法给出详细的堆栈(全是unknown

在后面两个命令同时使用的情况下,最终能走到APP的启动页面:

不过使用eBPF过这个检查实在是麻烦...所以stackplz的定位是辅助分析,这里仅仅演示一下eBPF修改内存的能力

对了,APP怎么老是退出,想个办法让它不要退出好不好哇(

1
./stackplz -n ???.???.???,iso -s exit --kill SIGSTOP --stack

这样每次调用exit的时候,都会发送SIGSTOP信号,可以把整个进程挂起

每次挂起后如果要恢复进程运行,那么执行kill -SIGCONT {pid}这样的命令即可

不过有一个需要注意的问题,那就是发信号的时候,syscall还是会执行,也就是说如果在exit这个系统调用处发信号,进程有可能还是没办法挂起

那么可以配合使用--stack--mstack--getoff来判断从用户态的什么地方调用,从上面的结果来看,是libc.so的__exit

那么使用下面的命令进行追踪,这样就可以真正在执行到__exit的时候挂起,上下文也会保持在__exit的状态

1
./stackplz -n ???.???.???,iso -w __exit --kill SIGSTOP --stack

这是lldb附加上去的效果:

这里的iso指追踪isolated进程,-n/--name选项可以给定进程分组,目前的分组是root system shell app iso

5. 其他补充

如果单条命令hook无法一次性实现想要的追踪内容,那么多开stackplz即可,以及同一个位置多次下hook都是支持的

具有黑白名单的选项:

白名单 黑名单
-u/--uid --no-uid
-p/--pid --no-pid
-t/--tid --no-tid
--tname --no-tname
-s/--syscall --no-syscall

在某些情况下,stackplz无法解析到偏移、堆栈,可以设置debug和输出日志到文件,然后根据日志中的各类事件信息进行分析

  • --debug -o tmp.log

仅将日志输出到文件,不输出到终端,这对于进行大量追踪的时候,有助于减少数据丢失

  • -q/--quiet

默认情况下,buf类型的数据打印为ASCII + hex,使用下面的选项将打印为hexdump

  • --dumphex

追踪一些特别频繁的调用时,可能会出现部分数据丢失的情况,这个时候请适当增加eBPF的数据缓冲区大小

  • -b/--buffer 默认8M,一般不建议超过32M

更多命令,请执行./stackplz --help查看

6. Q & A

Q: 不能修改寄存器吗
A: 是的,eBPF中无法修改寄存器,只能修改给定地址处的内存数据

Q: 运行不了
A: 首先请使用5.10+内核的设备,如果确实不行请反馈至issue

Q: 技术架构等
A: 语言:Golang + C
A: 三方库:ebpf + ebpfmanager + libbpf
A: 预编译:BTFHubForAndroid + unwinddaemon
A: 其他:ndk clang + Makefile

Ref


[CTF入门培训]顶尖高校博士及硕士团队亲授《30小时教你玩转CTF》,视频+靶场+题目!助力进入CTF世界

最后于 2023-9-8 21:49 被seeeseee编辑 ,原因: 调整语序
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_ZeroOne 2023-9-8 22:02
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我没看,但是我先来评论,脸哥牛的
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qxpy_ 2023-9-8 22:12
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seeeseee 2023-9-18 09:31
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谢谢各位支持,最新版加入了以下内容:


- 加入了`--dumpret`选项,可以输出含有给定符号关键词的RET指令偏移,符号本身偏移信息,拿到这些偏移信息后,可以对函数返回值进行快速追踪

- 修复`--reg`选项未按预期工作的情况,该选项可用于计算给定寄存器的偏移情况

- 修复hexdump含有`%`时出现格式化异常的情况

- 修正了指针类型参数的读取,现在可以通过指示`*int`对特定位置进行读取

- 添加了`%dup`和`%epoll`两组快速追踪

- 支持IOVEC类型数据详细解析,即可以详细输出`readv/writev/preadv/pwritev/process_vm_readv/process_vm_writev`的内容了



详细效果请移步Releases查看,最新版请在Actions下载

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jasonzhou 2023-9-21 17:58
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终于有人用到perf了,可以进一步看看kernel里的perf开关
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