【Android】深入底层Binder拦截
2023-12-30 18:1:28 Author: 看雪学苑(查看原文) 阅读量:7 收藏

Android平台进程Binder通信的动态分析和拦截。


说明

Binder作为Android系统跨进程通信的核心机制。网上也有很多深度讲解该机制的文章,如:

Android跨进程通信详解Binder机制原理(https://blog.csdn.net/carson_ho/article/details/73560642)

Android系统核心机制Binder【系列】(https://blog.51cto.com/u_14344871/3370037)

这些文章和系统源码可以很好帮助我们理解Binder的实现原理和设计理念,为拦截做准备。借助Binder拦截可以我们可以扩展出那些能力呢:

1.虚拟化的能力,多年前就出现的应用免安装运行类产品如:VirtualApp/DroidPlugin/平行空间/双开大师/应用分身等。

2.测试验证的能力,通常为Framework层功能开发。

3.检测第三方SDK或模块系统服务调用访问情况(特别是敏感API调用)。

4.逆向分析应用底层服务接口调用实现。

5.第三方ROM扩展Framework服务。


现有方案

一直以来实时分析和拦截进程的Binder通信是通过Java层的AIDL接口代理来实现的。借助于Android系统Binder服务接口设计的规范,上层的接口均继承于IBinder

如一下为代理目标对象的所有的接口API的方法:

import java.lang.reflect.InvocationHandler;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.lang.reflect.Proxy;

private static void getInterface(Class<?> cls, final HashSet<Class<?>> ss) {
Class<?>[] ii;
do {
ii = cls.getInterfaces();
for (final Class<?> i : ii) {
if (ss.add(i)) {
getInterface(i, ss);
}
}
cls = cls.getSuperclass();
} while (cls != null);
}

private static Class<?>[] getInterfaces(Class<?> cls) {
final HashSet<Class<?>> ss = new LinkedHashSet<Class<?>>();
getInterface(cls, ss);
if (0 < ss.size()) {
return ss.toArray(new Class<?>[ss.size()]);
}
return null;
}

public static Object createProxy(Object org, InvocationHandler cb) {
try {
Class<?> cls = org.getClass();
Class<?>[] cc = getInterfaces(cls);
return Proxy.newProxyInstance(cls.getClassLoader(), cc, cb);
} catch (Throwable e) {
Logger.e(e);
} finally {
// TODO release fix proxy name
}
return null;
}

1、对于已经生成的Binder服务对象,在应用进程可参与实现逻辑之前就已经缓存了,我们需要找到并且进行替换(AMS、PMS、WMS等),如AMS在Android 8.0之后的缓存如下:

// source code: http://aospxref.com/android-9.0.0_r61/xref/frameworks/base/core/java/android/app/ActivityManager.java
package android.app;

public class ActivityManager {

public static IActivityManager getService() {
return IActivityManagerSingleton.get();
}

private static final Singleton<IActivityManager> IActivityManagerSingleton =
new Singleton<IActivityManager>() {
@Override
protected IActivityManager create() {
final IBinder b = ServiceManager.getService(Context.ACTIVITY_SERVICE);
final IActivityManager am = IActivityManager.Stub.asInterface(b);
return am;
}
};
}

因此我们需要找到并且替换它,如:

Object obj;
if (Build.VERSION.SDK_INT < 26) {// <= 7.0
obj = ReflectUtils.getStaticFieldValue("android.app.ActivityManagerNative", "gDefault");
} else {// 8.0 <=
obj = ReflectUtils.getStaticFieldValue("android.app.ActivityManager", "IActivityManagerSingleton");
}
Object inst = ReflectUtils.getFieldValue(obj, "mInstance");
ReflectUtils.setFieldValue(obj, "mInstance", createProxy(inst));

2、对于后续运行过程中才获取的Binder服务,则需要代理ServiceManager,源码如下:

// source code: http://aospxref.com/android-9.0.0_r61/xref/frameworks/base/core/java/android/os/ServiceManager.java
package android.os;

public final class ServiceManager {
private static final String TAG = "ServiceManager";

private static IServiceManager sServiceManager;
}

因此我们的代理如下:

Class<?> cls = ReflectUtils.findClass("android.os.ServiceManager");
Object org = ReflectUtils.getStaticFieldValue(cls, "sServiceManager");
Object pxy = new createProxy(org);
if (null != pxy) {
ReflectUtils.setStaticFieldValue(getGlobalClass(), "sServiceManager", pxy);
}

这样每次在第一次访问该服务时,就会调用IServiceManager中的getService的方法,而该方法已经被我们代理拦截,我们可以通过参数可以识别当前获取的是哪个服务,然后将获取的服务对象代理后在继续返回即可。

但是:这样的方案并不能拦截进程中所有的Binder服务。我们面临几大问题:

1.首先,Android源码越来越庞大,了解所有的服务工作量很大,因此有哪些服务已经被缓存排查非常困难。

2.其次,厂商越来越钟情于扩展自定义服务,这些服务不开源,识别和适配更加耗时。

3.再次,有一部分服务只有native实现,并不能通过Java层的接口代理进行拦截(如:Sensor/Audio/Video/Camera服务等)。


新方案:基于底层拦截

原理

我们都知道Binder在应用进程运行原理如下图:

不管是Java层还是native层的接口调用,最后都会通过ioctl函数访问共享内存空间,达到跨进程访问数据交换的目的。因此我们只要拦截ioctl函数,即可完成对所有Binder通信数据的拦截。底层拦截有以下优势:

1)可以拦截所有的Binder通信。

2)底层拦截稳定,高兼容性。从Android 4.xAndroid 14,近10年的系统版本演进,涉及到Binder底层通信适配仅两次;一次是支持64位进程(当时需要同时兼容32位和64位进程访问Binder服务)。另一次是华为鸿蒙系统的诞生,华为ROMBinder通信协议中增加了新的标识字段。

要解决的问题

如何拦截

C/C++层的函数拦截,并不像Java层一样系统提供了较为稳定的代理工具,在这里不是我们本期讨论的重点,可以直接采用网上开源的Hook框架:

https://github.com/bytedance/android-inline-hook

https://github.com/bytedance/bhook

https://github.com/asLody/whale

如何过滤

ioctl函数为系统底层设备访问函数,调用及其频繁,而Binder通信调用只是其中调用者之一,因此需要快速识别非Binder通信调用,不影响程序性能。

函数定义:

#include <sys/ioctl.h>

int ioctl(int fildes, unsigned long request, ...);

request的参数定义:

// source code: http://aospxref.com/android-14.0.0_r2/xref/bionic/libc/kernel/uapi/linux/android/binder.h
#define BINDER_WRITE_READ _IOWR('b', 1, struct binder_write_read)
#define BINDER_SET_IDLE_TIMEOUT _IOW('b', 3, __s64)
#define BINDER_SET_MAX_THREADS _IOW('b', 5, __u32)
#define BINDER_SET_IDLE_PRIORITY _IOW('b', 6, __s32)
#define BINDER_SET_CONTEXT_MGR _IOW('b', 7, __s32)
#define BINDER_THREAD_EXIT _IOW('b', 8, __s32)
#define BINDER_VERSION _IOWR('b', 9, struct binder_version)
#define BINDER_GET_NODE_DEBUG_INFO _IOWR('b', 11, struct binder_node_debug_info)
#define BINDER_GET_NODE_INFO_FOR_REF _IOWR('b', 12, struct binder_node_info_for_ref)
#define BINDER_SET_CONTEXT_MGR_EXT _IOW('b', 13, struct flat_binder_object)
#define BINDER_FREEZE _IOW('b', 14, struct binder_freeze_info)
#define BINDER_GET_FROZEN_INFO _IOWR('b', 15, struct binder_frozen_status_info)
#define BINDER_ENABLE_ONEWAY_SPAM_DETECTION _IOW('b', 16, __u32)
#define BINDER_GET_EXTENDED_ERROR _IOWR('b', 17, struct binder_extended_error)

对应的源码:

// source code: http://aospxref.com/android-14.0.0_r2/xref/frameworks/native/libs/binder/IPCThreadState.cpp
void IPCThreadState::threadDestructor(void *st) {
ioctl(self->mProcess->mDriverFD, BINDER_THREAD_EXIT, 0);
}

status_t IPCThreadState::getProcessFreezeInfo(pid_t pid, uint32_t *sync_received, uint32_t *async_received) {
return ioctl(self()->mProcess->mDriverFD, BINDER_GET_FROZEN_INFO, &info);
}

status_t IPCThreadState::freeze(pid_t pid, bool enable, uint32_t timeout_ms) {
return ioctl(self()->mProcess->mDriverFD, BINDER_FREEZE, &info) < 0);
}

void IPCThreadState::logExtendedError() {
ioctl(self()->mProcess->mDriverFD, BINDER_GET_EXTENDED_ERROR, &ee) < 0);
}

status_t IPCThreadState::talkWithDriver(bool doReceive) {
// 实际Binder调用通信
return ioctl(mProcess->mDriverFD, BINDER_WRITE_READ, &bwr);
}

快速过滤:

static int ioctl_hook(int fd, int cmd, void* arg) {
if (cmd != BINDER_WRITE_READ || !arg || g_ioctl_disabled) {
return g_ioctl_func(fd, cmd, arg);
}
}

如何解析

目标源码:http://aospxref.com/android-14.0.0_r2/xref/frameworks/native/libs/binder

重点解析发送(即BC_TRANSACTIONBC_REPLY)和接收(即BR_TRANSACTIONBR_REPLY)的类型数据。

如何修改数据

修改数据分为以下几种:

1)修复调用时参数数据。

2)修复调用后返回的结果数据。

如果数据修复不改变当前数据的长度,只是内容的变化,则可以直接通过地址进行修改。否则需要创建新的内存进行修改后将新的数据地址设置到BINDER_WRITE_READ结构的buffer成员。此时处理好内存的释放问题。

3)直接拦截本次调用。

为了保障稳定性,不打断Binder的调用流程(通常这也是拦截和逆向方案保障稳定的最重要原则之一)。我们可以将目标函数code修改成父类处理的通用方法,然后通过修复调用的返回值即可完成拦截。


方案实现

数据解析

Binder调用数据结构如下:

解析bwr

bwrbinder_write_read,从源码中了解到ioctlBINDER_WRITE_READ类型的arg数据结构为:

struct binder_write_read {
// 调用时传入的数据
binder_size_t write_size;// call data
binder_size_t write_consumed;// call data
binder_uintptr_t write_buffer;// call data

// 结果返回数据
binder_size_t read_size;// recv data
binder_size_t read_consumed;// recv data
binder_uintptr_t read_buffer;// recv data
};

不管是传入还是返回的数据,都是一组BC命令或BR命令,也就是说一次调用上层会打包几个命令一起传递。因此我们需要通过循环来找到我们的命令。

void binder_find_for_bc(struct binder_write_read& bwr) {
binder_uintptr_t cmds = bwr.write_buffer;
binder_uintptr_t end = cmds + (binder_uintptr_t)bwr.write_size;

binder_txn_st* txn = NULL;
while (0 < cmds && cmds < end && !txn) {
// 由于每次Binder通信数据量的限制,Binder设计每次调用有且仅包含一个有效的参数命令,因此只要找到即可,其他类型则直接跳过忽略
cmds = binder_parse_cmds_bc(cmds, txn);
}
}

dump数据如下:

write_buffer:0xb400007107d1d400, write_consumed:68, write_size:68
00000000: 00 63 40 40 14 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 .c@@............
00000010: 00 00 00 00 01 00 00 00 12 00 00 00 00 00 00 00 ................
00000020: 00 00 00 00 54 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 ....T...........
00000030: 00 00 00 00 00 4d 3a ac 70 00 00 b4 00 00 00 00 .....M:.p.......
00000040: 00 00 00 00 ....
BR_NOOP: 0x720c
BR_TRANSACTION_COMPLETE: 0x7206
BR_REPLY: 0

解析txn

txnbinder_transaction_data,Binder方法调用的方法参数信息定义如下:

struct binder_transaction_data {
union {
__u32 handle;
binder_uintptr_t ptr;
} target;// 目标服务句柄,server端使用

binder_uintptr_t cookie;// 缓存的Binder进行访问
__u32 code;//方法编号

__u32 flags;// 标识,如是否为 oneway
__s32 sender_pid;
__u32 sender_euid;
binder_size_t data_size;// 数据长度
binder_size_t offsets_size;// 若包含对象,则对象数据大小

union {
struct {
binder_uintptr_t buffer;// Binder方法参数值地址
binder_uintptr_t offsets;// Binder方法参数对象数据地址
} ptr;
__u8 buf[8];
} data;
};

dumo数据如下:

Trace : target: 1 cookie: 0 code: 23 flags: 0x12(READ REPLY)
Trace : pid: 0 uid: 0 size: 196 offs:8
Trace : 00000000: 00 00 00 80 ff ff ff ff 54 53 59 53 1c 00 00 00 ........TSYS....
Trace : 00000010: 61 00 6e 00 64 00 72 00 6f 00 69 00 64 00 2e 00 a.n.d.r.o.i.d...
Trace : 00000020: 61 00 70 00 70 00 2e 00 49 00 41 00 63 00 74 00 a.p.p...I.A.c.t.
Trace : 00000030: 69 00 76 00 69 00 74 00 79 00 4d 00 61 00 6e 00 i.v.i.t.y.M.a.n.
Trace : 00000040: 61 00 67 00 65 00 72 00 00 00 00 00 85 2a 62 73 a.g.e.r......*bs
Trace : 00000050: 13 01 00 00 00 38 dd 2a 71 00 00 b4 00 05 e9 31 .....8.*q......1
Trace : 00000060: 71 00 00 b4 01 00 00 0c 1a 00 00 00 63 00 6f 00 q...........c.o.
Trace : 00000070: 6d 00 2e 00 69 00 66 00 6d 00 61 00 2e 00 74 00 m...i.f.m.a...t.
Trace : 00000080: 72 00 61 00 6e 00 73 00 65 00 63 00 2e 00 63 00 r.a.n.s.e.c...c.
Trace : 00000090: 6f 00 6e 00 74 00 61 00 69 00 6e 00 65 00 72 00 o.n.t.a.i.n.e.r.
Trace : 000000a0: 00 00 00 00 08 00 00 00 73 00 65 00 74 00 74 00 ........s.e.t.t.
Trace : 000000b0: 69 00 6e 00 67 00 73 00 00 00 00 00 00 00 00 00 i.n.g.s.........
Trace : 000000c0: 01 00 00 00 ....
Trace : binder object offs:0x4c type:0x73622a85 flags:0x113 ptr:0x2add3800 cookie:0x31e90500

解析服务名

Binder通信数据头如下,即可解析出目标服务名:

void find_server_name(const binder_txn_st* txn) {
const int32_t* ptr = reinterpret_cast<const int32_t*>(txn->data.ptr.buffer);
++ ptr;// skip strict model
if (29 <= sdkVersion()) ++ ptr;// 10.0 <=, skip flags(ff ff ff ff)

int32_t nameLen = *ptr;
const uint16_t* name16 = (const uint16_t*)(ptr+1);
}

解析方法名

Binder通信数据中标识该服务方法的参数是txn->codeAIDL定义类在编译后会为每个方法自动生成静态的方法。

如定义的Binder接口方法为:

interface IDemo {
void test();
void test2();
}

则编译后生成的类为:

class IDemo$Stub {
void test();
void test2();

static final int TRANSACTION_test = 1;
static final int TRANSACTION_test2 = 2;
}

因此我们可以通过反射的方式,找到服务名对应的类所有静态成员变量,然后找到与code值相等的成员即为此方法。

这里可能需要解决私有API的限制解除问题。

// 可直接使用工程工具类
TstClassPrinter.printStubByCodes("android.app.IActivityManager", 13, 16, 67);

日志输出如下:

解析数据

首先需要借助数据封装类Parcel

// souce code:
// http://aospxref.com/android-14.0.0_r2/xref/frameworks/native/include/binder/Parcel.h
// http://aospxref.com/android-14.0.0_r2/xref/frameworks/native/libs/binder/Parcel.cpp

借助该类可以解析一些比较简单的数据,快速的找到目标内容。而对于比较复杂的数据,如参数值为Intent,该参数类型嵌套了多层的Parcelable成员,因此在native层通过Parcel来解析,兼容性比较差。因此我们选择通过回调到Java层来解析,修改后再格式化为nativebuffer数据。这里需要处理好Javanative层的数据交换问题,以及回收。

native层:

// 创建
jobject obtain(JNIEnv* env) {
jclass jcls = env->FindClass("android/os/Parcel");
jmethodID method = env->GetStaticMethodID(jcls, "obtain", "()Landroid/os/Parcel;");
if (!method) return NULL;

mParcelObj = env->CallStaticObjectMethod(jcls, method);
if (!mParcelObj) return NULL;

if (0 < mUparcel->dataSize()) {
method = env->GetMethodID(sParcelClass, "setDataPosition", "(I)V");
if (method) {
unmarshall(env, mUparcel->data(), mUparcel->dataSize());
env->CallVoidMethod(mParcelObj, method, mUparcel->dataPosition());
}
}

return mParcelObj;
}

// 回收
void recycle(JNIEnv* env) {
jclass jcls = env->FindClass("android/os/Parcel");
jmethodID method = env->GetMethodID(jcls, "recycle", "()V");
if (method) {
env->CallVoidMethod(mParcelObj, method);
}
if (mParcelObj) {
env->DeleteLocalRef(mParcelObj);
}
mParcelObj = NULL;
}

Java层:

public static void clearHttpLink(Parcel p/*IN*/, Parcel q/*OUT*/) {
try {
Intent ii = Intent.CREATOR.createFromParcel(pp);
// TODO something ...

// write new data
q.appendFrom(p, p.dataPosition(), p.dataAvail());
} catch (Throwable e) {
e.printStackTrace();
}
}

数据拦截

Binder的数据解析和打印不会改变原数据内容,因此相对简单,如果要对数据进行修改,则相对复杂一些。修复的数据需要替换原数据,因此需要进行如下操作。

1、数据替换。

txn中方法参数的数据指针指向新创建的数据区。

int binder_replace_txn_for_br(binder_txn_st *txn, ParcelEx* reply, binder_size_t _pos) {
size_t size = reply->ipcDataSize();
uint8_t* repData = (uint8_t*)malloc(size + txn->offsets_size);
memcpy(repData, reply->data(), size);
if (0 < txn->offsets_size) {
binder_replace_objects(txn, repData, _pos, ((int)size) - ((int)(txn->data_size)));
}

txn->data.ptr.buffer = reinterpret_cast<uintptr_t>(repData);
txn->data_size = size;
return 0;
}

2、修正对象指针。

如果传入的参数包含Binder对象,如register方法的Observe。因此修复的数据可能导致偏移的地址前移或者后移,因此需要重新计算偏移,如:

void replaceObjects(binder_txn_st *txn, uint8_t* objData, binder_size_t _pos, int _off) {
binder_size_t* offs = reinterpret_cast<binder_size_t*>(txn->data.ptr.offsets);
unsigned count = txn->offsets_size / sizeof(binder_size_t);

while (0 < count--) {
if (0 != memcmp(objData + (int)(*offs), (uint8_t*)txn->data.ptr.buffer + (int)(*offs), sizeof(binder_size_t))) {
*offs += _off;
}
++ offs;
}
}

3、内存释放。

需要保存原地址A和新的地址AA的映射关系到自定义的内存池中。

Binder通信命令出现BC_FREE_BUFFERBR_FREE_BUFFER时,则通过该命令要释放的AA地址,然后从内存池找到与之对应A的地址,并设置回去让上层继续释放,完成内存使用的闭环。

case BC_FREE_BUFFER:
{
uintptr_t* buffPtr = (uintptr_t *)cmd;
uintptr_t ptr = MemPool::detach(*buffPtr);
if (__UNLIKELY(0 != ptr)) {
*buffPtr = ptr;// set origin buffer
}
cmd += sizeof(uintptr_t);// move to next command
} break;

附:

如果你有需要,可以直接使用我们已经封装好的SDK来实现相应的功能,该项目已经开源,链接地址如下:

Gitee(https://gitee.com/iofomo/binderceptor)

Github(https://github.com/iofomo/binderceptor)

看雪ID:Tiony.bo

https://bbs.kanxue.com/user-home-909890.htm

*本文为看雪论坛优秀文章,由 Tiony.bo 原创,转载请注明来自看雪社区
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文章来源: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5NTc2MDYxMw==&mid=2458532888&idx=1&sn=625a4c7546b306d90654187528379be2&chksm=b0709c9dd478c0736d73fa543747ce02401e05266d3831e09f2afa3888c3d4adc654b0c12c30&scene=0&xtrack=1#rd
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