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深入理解Android逆向调试原理

2021-03-27 18:40:09



一、为什么要写这篇文章

使用IDA远程调试Android SO时,有一些场景需要在init_array、JNI_OnLoad等函数入口处下断点,对应的调试手法是以调试模式启动应用,处理完毕之后通过jdb命令通知应用继续运行,这种方法的优势是能够在程序开始运行之前获取程序的控制权。

在上面的步骤,jdb命令有一个选项,是调试端口(port),这个端口号一般通过DDMS获取,常见的教程也是教大家通过DDMS来获取。

但是DDMS已经被官方的开发套件弃用,而我既不想修改已经搭建好的环境,也不想额外下载旧版本的开发套件,所以打算研究一下有没有更加便捷的方式。

我最初的思路是这样:DDMS在调试过程中最主要的作用就是展示端口号,这个端口号由jdb在host上直接使用,说明是host的本地端口,jdb使用本地端口是无法直接与远程终端(这里就是Android)通信的,说明经过了端口转发。

所以我的初步判断是,DDMS通过端口转发将本地端口转发到了目标机器的端口,如果能够找到目标机器的端口,那就可以通过命令行来执行转发。

经过初步的探索,我找到了DDMS的替代方案。但在通过搜索引擎寻找答案的过程之中,我发现两个非常普遍的问题:一个是很多做Android逆向的同学,虽然对逆向调试的操作过程都很熟练,但是对这些操作的原理并不了解;第二个问题,就是网络上甚至实体教材上的教程,只注重操作,不注重背后的原理,这从源头上导致后来的学习者只知其然,不知其所以然。


因此我有了写一篇科普这方面基础知识文章的想法,希望用这篇文章帮助初入Android逆向领域的同学更好地入门,也希望所有对Android逆向调试的步骤有疑问的同学,能够从这一篇文章中找到答案。

二、文本的目标读者是谁

本文的目标读者包括:

1. 刚入门Android逆向的同学。

2. 想要深入了解Android逆向调试原理的同学。

3. 从事Android开发相关工作的同学。

三、阅读本文的潜在收益是什么

阅读本文的潜在收获包括但不限于如下几点:

1. 对Android调试原理较为深入的理解;

2. 对Android逆向调试原理的深入理解;

3. 掌握Android逆向调试的操作步骤;

4. 掌握在没有DDMS的情况下逆向调试Android的操作技巧。

本文不包括的内容:

1. 对JDWP协议细节的介绍;

2. 对调试器内部原理的介绍;

3. 相关原理源代码的详细分析。

四、Android逆向调试的几个关键步骤

本文介绍的主要场景是使用IDA远程调试Android SO,因为这个场景是最常用、知识面覆盖最广的Android逆向调试场景。

使用IDA远程调试Android SO的操作方式有两种,一种是在进程起来之后直接附加,另外一种是以调试模式启动应用。本文只讨论第二种,因为第二种操作方式能够完全覆盖第一种。

使用IDA远程调试Android SO的一般步骤如下:

1. 以调试模式启动应用
Adb shell下执行命令:

am start -D -n com.outdoor.debugtest/.MainActivity


操作结果,应用进入等待调试连接的界面:



2. 启动android_server

ringtag:/data/local/tmp # ./android_server64IDA Android 64-bit remote debug server(ST) v1.22. Hex-Rays (c) 2004-2017Listening on 0.0.0.0:23946...

3. 执行端口转发

adb forward tcp:23946 tcp:23946


4. IDA附加到调试进程

选择远程ARMLinux/Android debugger:


填写hostname为127.0.0.1或localhost:



附加到调试进程:



成功附加到调试进程:



配置调试选项,勾选“Suspend on library load/unload”,以在目标SO加载时进程能够停下来:



5. Jdb连接到调试进程的VM

DDMS查看调试进程端口号,假设为55555,在host机器上执行:

C:Users
everser>jdb -connect com.sun.jdi.SocketAttach:hostname=localhost,port=55555设置未捕获的java.lang.Throwable设置延迟的未捕获的java.lang.Throwable正在初始化jdb...>

IDA中按F9进程继续运行,直到目标SO被加载。


IDA output窗口显示目标SO文件被加载:

PDBSRC: loading symbols for '/data/app/com.outdoor.debugtest-iQxBx29FyKFuLtnU6wwQag==/lib/arm64/libnative-lib.so'...


6. 在目标SO上下断点
在IDA Modules模块中搜索目标SO库并双击选中,找到目标函数下断,即可开启调试流程。

以上便是IDA远程调试Android SO的关键步骤,针对如上步骤,我现在提出如下几个疑问供大家思考:

 a. DDMS展示的端口号,是怎么得来的?有没有更加便捷的方式获取这个端口号?
 b. Jdb connect命令是Java VM调试相关的命令,在SO调试中为什么要用它?它在和哪个模块进行通信?IDA附加上进程之后为什么不能直接开始调试?
c. Adb、android_server、IDA之间的关系是什么?IDA与应用进程之间的调试连接到底是如何建立的?IDA调试Android SO的技术原理是什么?

以上问题由浅入深,从对操作技巧层面的思考,到对背后调试原理的思考,这也是我自己探索这个问题的一个过程。在回答这些问题之前,我们需要做一些关于调试原理的铺排工作,以帮助大家全面、深入地理解问题。

五、Android调试模型分析

本小节对Android调试模型的介绍,主要参考自源码文件/system/core/adb/jdwp_service.cpp 中的相关注释。因为这一部分注释详细阐述了Android调试模型是如何建立起来的,所以我会首先翻译这个模型的建立过程,然后进行一个抽象的总结,以帮助大家更好地理解Android的调试模型。


1. Android源码对调试模型建立的描述


(1)当adbd启动之后,它会创建一个unix类型的server socket套接字,名字叫@jdwp-control; 


(2)当一个新的JDWP守护线程在一个新的VM进程中启动时,这个新启动的JDWP线程会创建一个到@jdwp-control的连接,以宣告它自己的可用性:







50       JDWP thread                             @jdwp-control51           |                                         |52           |------------------------------->         |53           | hello I'm in process               |54           |                                         |55           |                                         |


上面这个连接一直保持着,直到JDWP线程所在的进程结束;


(3)因此,adbd维护着一个JDWP列表,记录着每个活跃的进程。Adbd可以通过“device:debug-ports”服务同每一个客户进程进行通信;


(4)当有调试器想要连接时,调试器执行“adb forward tcp: jdwp:”命令,“jdwp:”用来指定设备上的目标JDWP进程。


(5)Adbd收到命令后,执行如下操作:

  • 调用socketpair()创建一对“equivalent sockets”;

  • 将第一个socket附加到本地socket,本地socket本身又连接到远程socket;

  • 使用sendmsg()将第二个socket的文件描述符直接发送给JDWP进程。

JDWP thread                             @jdwp-control    |                                         |    |                  <----------------------|    |           OK, try this file descriptor  |    |                                         |    |                                         |


(6)接着,JDWP线程使用这个新的socket描述符作为它与调试器的通信通道(接收JDWP-Handshake消息,应答调试器的消息等等)。


整个过程建立起来后,可以用下面这个图表示:

            ____________________________________           |                                    |           |          ADB Server (host)         |           |                                    |Debugger <---> LocalSocket <----> RemoteSocket  |           |                           ^^       |           |___________________________||_______|                                       ||                             Transport ||   (TCP for emulator - USB for device) ||                                       ||            ___________________________||_______           |                           ||       |           |          ADBD  (device)   ||       |           |                           VV       | JDWP <======> LocalSocket <----> RemoteSocket  |           |                                    |           |____________________________________|


2. 对Android调试模型的总结


对于如上内容,我要明确阐述的第一个点是,以上调试模型是针对Android VM的调试模型,这个模型的顶层形式如下图,其中,调试器通过JDWP协议与Android虚拟机进行通信。



而IDA对android的支持,是在整个进程的层面,并不局限于Android虚拟机。这其中的区别可以用如下方法简单区分,IDA能够支持对原生程序进程的调试,如linker、init进程等等,而基于JDWP协议的这一套原生调试框架并不支持。



归纳而言之,原生基于JDWP的调试框架与IDA的android调试框架,是两个层面上的调试实现,前者是虚拟机层面的实现,后者是整个进程层面的实现。理解这一点对理解Android逆向调试的原理至关重要。



六、逆向调试关键步骤解密




有了以上知识的铺垫,我们就可以开始研究第四章中提出的几个问题了。


1. DDMS展示的端口号,是怎么得来的?有没有更加便捷的方式获取这个端口号?


根据前一章的阐述,调试器通过执行“adb forward tcp: jdwp:”命令将host机器上的hostport端口转发到Android上的调试进程,以便调试器通过这个端口连接到目标进程。所以这个hostport是调试器指定的,据此推测,DDMS便是通过这种转发方式获取到这个端口并展示到界面上。


因此,我们可以通过“adb forward tcp: jdwp:”命令,替代使用DDMS的方式。


与问题1相关的进一步思考


当我们以调试模式启动应用时,应用会输出如下形式的日志信息:

--------- beginning of system03-08 10:01:05.709 6761 6761 W ActivityThread: Application com.outdoor.appcomvulbypassactivityperm is waiting for the debugger on port 8100...


日志信息表明应用在端口8100处等待调试连接,那是不是表明我们可以直接将hostport转发至Android 8100端口呢,尝试后你会发现不会成功。原因如下:


Android应用的调试模式有“dt_socket”和“dt_android_adb”两种,即通过socket或者adb连接到JDWP线程。所以理论上,通过将hostport转发到8100也是可以实现的。但进一步分析源码之后发现,Android虚拟机默认以“dt_android_adb”的模式启动,并且这个启动参数硬编码在源文件之中,不可手动配置的。

frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp

601 int AndroidRuntime::startVm(JavaVM** pJavaVM, JNIEnv** pEnv, bool zygote)602 {……772 773 /*774 * Enable debugging only for apps forked from zygote.775 * Set suspend=y to pause during VM init and use android ADB transport.776 */777 if (zygote) {778 addOption("-agentlib:jdwp=transport=dt_android_adb,suspend=n,server=y");779 }
……995 if (JNI_CreateJavaVM(pJavaVM, pEnv, &initArgs) < 0) {996 ALOGE("JNI_CreateJavaVM failed ");997 return -1;998 }999 1000 return 0;1001 }


所以直接转发8100端口会失败,因为Android VM的启动模式是“dt_android_adb”,JDWP线程也没有监听8100端口,这条日志给很多人带来了困扰。


最后,如果想要实现通过socket直接连接到JDWP线程,有没有办法呢?答案是有的。有两种可行的方式,一种是安装hook框架直接修改参数,但这种做法意义不大;另外一种是通过操作动态库的方式(dlopen、dlsym),修改调试启动参数,然后重启JDWP线程,这种适合实现生产环境下的远程调试。


2. Jdb connect命令是Java VM调试相关的命令,在SO调试中为什么要用它?它在和哪个模块进行通信?IDA附加上进程之后为什么不能直接开始调试?


在前面一章中,我们明确了通过原生JDWP的方式调试与使用IDA调试是两个层面的调试手段。


使用Jdb的目的,是为了通知VM继续运行,因为应用以调试模式启动(以调试模式启动的原因是为了在程序早期下断点),启动之后一直在等待调试连接,Jdb通过“dt_android_adb”的方式,连接到了目标进程的VM,VM继续运行,这样IDA才可以在运行着的进程上进行调试。


归纳而言之,对JDWP调试手段的运用,是一种辅助手段,这种辅助手段使得我们能够在进程早期下断点。


3. Adb、android_server、IDA之间的关系是什么?IDA与应用进程之间的调试连接到底是如何建立的?IDA调试Android SO的技术原理是什么?


根据前两个小节的内容,我们知道了adb套件实际上是在辅助建立调试连接:


a. 在JDWP调试连接中,提供“dt_android_adb”模式所需的通信功能;


b. 在IDA调试连接中,提供端口转发、远程启动进程的手段。


而android_server、IDA之间的关系,基本上与原生调试模型保持着一致,它是IDA对android逆向调试的实现:


____________________________________ | | | IDA (host) | | | | RemoteSocket | | ^^ | |___________________________||_______| || Transport || (TCP for emulator - USB for device) || || ___________________________||_______ | || | | android_server (device) || | | VV |PROCESS <======> ptrace <----> RemoteSocket | | | |____________________________________|


android_server的作用类似于adbd,区别在于,adbd通过本地socket与JDWP进行通信,以转发调试信号;而android_server此处实际上是基于ptrace实现的一个调试器,它一端通过socket与IDA相连接,传输调试指令和数据,另一端通过ptrace直接操控调试进程。




七、总结




经过以上几个章节的阐述,我希望已经讲清楚我提出的那些问题,也希望这篇文章能够达到它的目的。


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