【移动安全高级篇】————6、Android DEX安全攻防战

英文原版：http://www.strazzere.com/papers/DexEducation-PracticingSafeDex.pdf
该文章发表于Black Hat 2012，虽然内容不够新鲜，也许好多方法目前已经失效，但是仍然会给我们反逆向方面很多的启示！

一、DEX相关基础知识

1、什么是DEX?
DEX是Dalvik EXecutable的简称。
打包.class文件为单一DEX文件并运行于Dalvik虚拟机。
DEX文件打包进APK文件中（本质上是jar或zip文件）。

安装时，系统提取DEX文件进行检查和验证。
第一次运行时，系统完成DEX优化，转换成odex文件。
odex文件存放在/data/dalvik-cache目录并在执行时加载进内存执行。

2、DEX文件格式（查看更多内容请访问：http://blog.csdn.net/androidsecurity/article/details/8664778）

3、如何查看DEX文件
目前有以下工具可以完成DEX文件的反编译。

二、攻击者隐藏软件行为的方法

攻击者经常采用以下方式隐藏软件的行为：
1、使用反射调用敏感API

该种方式能够使攻击者“隐藏”敏感API调用。但是这种方式只需要查看是否利用JAVA反射即可很容易的被识破。
如果配合代码混淆技术，就会增加自动化识别的难度。对付这种“隐藏”方式，动态分析会更简单一些。

2、代码逻辑“藏匿”在资源文件中

可以通过修改文件后缀名隐藏代码逻辑，如下图：

通过文件后缀隐藏可以通过file命令查看文件类型是否与后缀匹配很容易识别。
我们还可以做的更加高级一点。下图将ELF可执行二进制文件附加在有效的图片文件中，通过file指令得到正确的文件类型，且该图片可以正常显示：

该种隐藏方式需要我们更加深入的查看所有的资源文件。看着是jpg图片文件，但并不一定全是（永远不要相信自己的眼睛）。
也许还有其它更高级的隐藏恶意代码的方法。

3、使用DexClassLoader动态加载技术

可以使用Android DexClassLoader完成DEX的动态加载，DEX文件可以附属在assert或raw目录也可以运行时从网络下载

三、Android反逆向分析之旅

我们可以利用逆向分析工具实现上的缺陷来触发其奔溃，从而达到反逆向分析的目的。

Android反逆向分析的目标：
Baksmali - 使用最广泛的DEX反编译工具 (apktool/antilvl等使用)（https://code.google.com/p/smali/）
dex2jar - 可以把DEX反编译成jar的工具，然后通过JD-GUI查看。（http://code.google.com/p/dex2jar/）
IDA Pro - （这个就不在介绍了吧！）（https://www.hex-rays.com/index.shtml）
androguard - 也是比较流行的。（https://code.google.com/p/androguard/）

1、构建DEX link section触发baksmali工具崩溃（DEX文件结构：http://blog.csdn.net/androidsecurity/article/details/8664778）
由于baksmali工具不支持DEX文件的link section，所以我们可以构建DEX link section触发baksmali工具奔溃。如下图：

该方式常用于开发者阻止破解者逆向分析代码逻辑。该方法已经被Lohan+ (AntiLVL) / jcase /和其它项目中使用。但是这种方式也有明显的缺点，可以根据异常信息很容易的修复分析工具。

2、利用已知的JAR hack方法

由于APK本质上就是zip/jar包，所以我们也可以利用已知的JAR hack方法。JAR对文件名的长度是没有现在的，但是操作系统要求文件名不能大于255；我们可以通过构建大于255字符的长类名来达到反逆向的目的。如何构建大于255的长类名呢？首先我们看一下DEX Class Def Item的格式：

我们可以通过以下方式构建大于255的长类名：
1、在源代码中添加大于255的字符串A。
2、编译源代码，修改DEX文件头，修改Class descriptor_id为字符串A的String_idx
下图是修改前后比较：

修改后的APK能够正常安装，如下图：

这种修改方法能够防止逆向分析，如下图：

通过异常我们应该可以看出为什么大于255个字符会报错了吧。
但是该种方式缺点是只能对付backsmali。 IDA、Dex2jar、Androguard仍然能够正常工作。
该种方法易于检测和解决，当class名字长度>255要警惕该应用。

3、插入无效字节码指令引发逆向工具崩溃

由于大部分逆向工具都是线性读取字节码并解析，当遇到无效字节码时，就会引起反编译工具字节码解析失败。
我们可以插入无效字节码到DEX文件，但要保证该无效字节码永远不会被执行（否则您的程序就会崩溃了！）。

[java] view plaincopy
1201 // Load 0 into v1
3801 0300 // A conditional jump which should always succeed, jumps over
// next bytes
FFFF // Bad opcodes

安装插入无效字节码的apk文件。如下图：

但是执行程序时，却报如下的错误：

运行的时候怎么会报错呢？
Dalvik虚拟机并没有像我们预想的那样跳过无效的字节码，它会在执行之前验证所有调用序列上类的字节码是否有效。
现在的问题是如何能够绕过Dalvik虚拟机的代码验证呢？
我们如果插入无效代码在一个从来不会调用的类上不就可以绕过Dalvik运行时代码验证了吗！
看如下插入后的运行结果：

哈哈，成功运行了，接下来让我们看看该种方式反逆向的效果吧！

（可惜的backsmali已经在版本2f81aec886d2修复了该bug，该方式已无效）

Dex2jar 验证可行。

Androguard验证可行，（可惜的是Androguard很快修复了该bug）

IDA验证未成功！

ded工具验证成功！在你杀死该工具进程之前，它将一直运行在无效字节码所在类处理过程中。

该种方法的缺点是很容易被工具修复。工具在反编译代码时，只要忽略会无效字节码的处理即可，backsmali、androgurad已经修复了该bug。
该种方式和很容易被自动化监测，如果遇到无效代码就要警惕！
逆向分析人员要尽量使用工具的最新版本。

4、插入有效的字节码指令但后跟无效的数据引用
插入无效的字节码指令目前工具已经可以正常工作，但是如果我们插入有效的字节码指令，但是后跟无效的数据引用，结果会是怎么样呢？

[cpp] view plaincopy
1201 // Load 0 into v1
3801 0300 // A conditional jump which should always succeed, jumps over
// next bytes
1a00 FF00 // Load const-string at index 255 (doesn’t exist)
     这次我们仍然绕过Dalvik运行时字节码指令验证，但是我们替换“无效字节码指令”为合法字节码指令

backsmali验证成功！

dex2jar验证成功！

Androguard验证成功，但是只会在反编译插入该“有效字节码指令”的方法报错。

ded验证成功！

IDA验证失败！

该种方式也很容易被工具修复，逆向工具只要不盲目的解析一个不存在的索引即可。

5、针对java反编译器缺陷进行攻击
dex2jar+(JD-Gui或JAD) 组合工具是逆向分析经常使用的工具。dex2jar用于把DEX文件转换为java字节码JAR文件，JD-GUI或JAD用于把java字节码转化为java源代码。
我们可以针对JAVA JD-Gui或JAD工具缺陷来达到反逆向分析的目的。达到的效果如下图所示：

6、针对backsmali对文件头处理缺陷
我们刚才讲到baksmali在处理Link section的bug，还有类似的崩溃点吗？如图backsmali代码所示：

当DEX Header size 不等于0x70时，backsmali也会抛出异常退出！
Header_size 当前值正常情况下都等于0x70

构建这种dex文件很容易实现。
需要修复文件头每个表项的偏移量。
修改后的Header size 等于0x78

但是这种方式只能针对baksamli工具。且很工具很容易修复该bug。
该方式也可以用于在DEX Header中隐藏数据和代码。
我们可以在Dex文件头隐藏另一个DEX数据并在运行时加载附带DEX数据。
构建非规范的Dex文件

通过反射调用DexFile类的方法加载附带DEX数据（android4.0以上才有我们需要的方法http://blog.csdn.net/androidsecurity/article/details/9674251）

通过反射实际调用DexFile的openDexFile方法

该种方式允许我们通过byte[]解析dex数据，而无须在再把DEX数据存储在设备的某个文件。我们可以从安装APK文件、内存或dalvik-cache等读取dex数据。打包好的DEX文件如下图所示：

该种方式将给自动化分析工具带来一个问题，自动化工具会按照dex格式处理DEX文件而不会处理附带的dex数据。需要特定的工具、16进制编辑器或手工提取嵌入的dex数据。
我们可以采用各种不同的方式增加嵌入数据的提取难度，比如：
对嵌入的DEX数据进行加密；
嵌入的DEX数据加密后在对其进行ZIP压缩；
使用native代码解密，直接从内存加载；
......等等

该种隐藏方式可以通过判断Dex文件头长度是否大于0x70检测。

7、大端小端反转理论

当前还没有Android逆向工具实现DEX文件端反转（也许IDA支持）。
Dalvik虚拟机在DEX优化过程中会检测DEX端模式是否适合当前设备，如果不适合会反转DEX文件端模式。
我们需要做的是变换DEX文件所有字节端结构，反转后的DEX文件可以中断逆向工具但是仍然可以在设备上运行。
这种攻击方式理论上是可行的。我们可以参考Android源代码实现端的反转，具体代码位于/dalvik2/libdex/dexSwapAndVerify.cpp

四、反虚拟机技术

如何检测App运行环境是否为qemu虚拟机呢? 我们可以通过getprop获取相关信息，getprop在qemu虚拟机和移动设备上很多属性是不同的。比如：

五、相关引用

http://code.google.com/p/smali/
http://code.google.com/p/androguard/
http://code.google.com/p/dex2jar/
http://siis.cse.psu.edu/ded/
http://hex-rays.com/products/ida/index.shtml
http://source.android.com/tech/dalvik/dex-format.html