Android逆向基础

反编译apk文件

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$ apktool d crackme.apk outdir # 反编译apk文件夹

res/values/strings.xml存储源代码中定义的strings资源,apk文件打包时,strings.xml中的字符串被加密存储为resources.arsc文件中,apk成功反编译后该文件也会被解密出来。源程序R.java中的所有索引值保存在strings.xml同目录下的public.xml文件中。

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$ grep -nr "0x7f05000b" ./smali # 在smali文件夹中查找含有“0x7f05000b”内容的文件
$ apktool b outdir # 编译修改后的文件,编译成功后会在outdir下生成dist目录需要使用signapk.jar工具对apk文件进行签名

Android Dalvik虚拟机

Java虚拟机运行的是Java字节码,Dalvik虚拟机运行的是Dalvik字节码

Dalvik虚拟机通过解释DEX来执行这些字节码

Dalvik可执行文件体积更小

dx工具负责将Java字节码转换位Dalvik字节码

Java虚拟机与Dalvik虚拟机架构不同

Java虚拟机基于栈架构,Dalvik虚拟机基于寄存器架构

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$ javac -source 1.6 -target 1.6 Hello.java
$ dx --dex --output=Hello.dex Hello.class
$ javap -c -classpath . Hello # 查看Java字节码
$ dexdump -d Hello.dex # 查看Dalvik字节码

dx和dexdump在/sdk/build_tools/android目录下

DEX文件反汇编工具

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$ java -jar baksmali.jar -o baksmaliout Hello.dex

定位关键代码

信息反馈法 特征函数法 顺序查看法 代码注入法 栈跟踪法 Method Profiling

smali语法

.registers指令指定函数用到的寄存器数目
一条.parameter指令指定函数一个参数
.prologue指令指定函数代码起始处
函数中引入的参数命名从p0开始,依次递增
寄存器p0作为this引用,v0开始表示函数的局部变量寄存器
1.类型
Dalvik字节码只有两种类型,基本类型引用类型。除了对象与数组属于引用对象外,其他的Java类型都是基本类型。
Dalvik字节码类型描述符

语法 含义
V void, 只用于返回值类型
Z boolean
B byte
S short
C char
I int
J long
F float
D double
L Java类类型
[ 数组类型

2.方法
方法调用格式

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Lpackage/name/ObjectName;->MethodName(III)Z

Lpackage/name/ObjectName;-应该理解为一个类型,MethodName为具体的方法名,(III)Z是方法的签名部分,III为方法的参数(3个int型参数),Z是方法的返回类型(boolean类型)
例:

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method(I[[IILjava/lang/String;[Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/String;
String method(int, int[][], int, String, Object[])

3.字段
字段调用格式

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Lpackage/name/ObjectName;->FieldName:Ljava/lang/String;

字段由类型\(Lpackage/name/ObjectName;\)、字段名\(FieldName\)与字段类型\(Ljava/lang/String;\)组成。字段名与字段类型用:隔开。

smali文件格式

smali文件头3行描述了当前类的信息

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.class<访问权限>[修饰关键字]<类名>
.super<父类名>
.source<源文件名>

例:MainActivity.smali

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.class public Lcom/example/crackme/MainActivity;
.super Landroid/app/Activity;
.source "MainActivity.java"

一个类由多个字段和方法组成,字段的声明用.field指令,字段有静态字段和实例字段
静态字段声明格式

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# static fields
.field <访问权限> static [修饰关键字] <字段名>:<字段类型>

实例字段声明格式

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# instance fields
.field <访问权限> [修饰关键字] <字段名>:<字段类型>

例:

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# instance fields
.field private button:Landorid/widget/Button;

方法的声明使用.method指令,方法有直接方法和虚方法
直接方法声明格式

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# direct methods
.method <访问权限> [修饰关键字] <方法原型>
<.locals>
[.parameter]
[.prologue]
[.line]
<代码体>
.end method

虚方法的声明格式与直接方法相同,只是起始出的注释为virtual methods
smali文件中使用.implements指令指出接口,格式声明:

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# interfaces
.implements <接口名>

smail文件中使用.annotation指令指出注解,格式声明:

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# annotations
.annotation [注解属性] <注解类名>
[注解字段 = 值]
.end annotation

内部类

baksmali在反编译dex文件时会为每个类单独生成一个smali文件,内部类也有自己独立的smali文件,[外部类]$[内部类].smali
this$0是内部类自动保留的一个指向所在外部类的引用,左边的this表示为父类的引用,右边的数值0表示引用层数

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public class Outer { //this$0
public class FirstInner { //this$1
public class SecondInner { //this$2
public class ThirdInner {

}
}
}
}

ThirdInner类访问FirstInner类的引用为this$1
this$X型字段都被指定为synthetic属性,表示它们是被编译器合成的、虚构的,并不是人为声明的该字段。

Smali/baksmali

Apktool其实只是一个将各种工具结合起来的懒人工具而已。最好使用smali/baksmali而不是Apktool,原因如下:首先,Apktool更新并没有smali/baksmali频繁,smali/baksmali更新后要过非长久的时间才会合并到Apktool中,在这之前你可能需要忍受很多诡异的bug。其次,Apktool在反编译或者重打包dex的时候,如果发生错误,仅仅只会提供错误的exception信息而已,但如果你使用smali/baksmali,工具会告诉你具体的出错原因,会对重打包后的调试有巨大的帮助。最后,很多apk为了对付反调试会在资源文件中加入很多junk code从而使得Apktool的解析崩溃掉,造成反编译失败或者无法重打包。但如果你仅对classes.dex操作就不会有这些问题了。
smali/baksmali的基本操作如下:

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# 将smali-2.1.2.jar和baksmali-2.1.2.jar和解压的classes.dex放到同一目录
$ java -jar baksmali-2.1.2.jar -o classout/ classes.dex # 反编译dex文件到smali文件
$ java -jar smali-2.1.2.jar classout/ -o classes.dex # 将smali文件编译成dex文件

学习smali最好的方法就是自己先用java写好程序,再用baksmali转换成smali语句,然后对照学习。比如下面就是java代码和用baksmali反编译过后的smali文件的对照分析。
BFLog类主要是用Log.d()输出调试信息,Java代码如下:

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public class BFLog {
public static void Log(String tag, String msg)
{

Log.d(tag, msg);
}
public static void Log(Object someObj)
{

Log("bruce", someObj.toString());
}
public static void Log(Object[] someObj)
{

Log("bruce", Arrays.toString(someObj));
}
}

对应的smali代码如下:

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.class public Lcom/bruce/BFLog; # class的名字
.super Ljava/lang/Object; # 这个类继承的对象
.source "BFLog.java" # java文件名

# direct methods
.method public constructor <init>()V # class的构造函数
.registers 1

.prologue # 函数代码起始处
.line 9
invoke-direct {p0}, Ljava/lang/Object;-><init>()V # 调用Object的构造方法,p0相当于this指针
return-void
.end method


.method public static Log(Ljava/lang/Object;)V # Log(Object)的方法实现
.registers 3
.param p0, "someObj" # Ljava/lang/Object; 参数信息

.prologue
.line 17
const-string v0, "bruce" # 给v0赋值"bruce"
invoke-virtual {p0}, Ljava/lang/Object;->toString()Ljava/lang/String; # 调用toString()函数
move-result-object v1 # toString()的结果保存在v1
invoke-static {v0, v1}, Lcom/bruce/BFLog;->Log(Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;)V # 调用BFLog的一个Log函数,参数是v0和v1
.line 18
return-void
.end method


.method public static Log(Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;)V # Log(String, String)的方法实现
.registers 2
.param p0, "tag" # Ljava/lang/String;
.param p1, "msg" # Ljava/lang/String;

.prologue
.line 12
invoke-static {p0, p1}, Landroid/util/Log;->d(Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;)I # 调用android API里的Log函数实现Log功能
.line 13
return-void
.end method


.method public static Log([Ljava/lang/Object;)V # Log(Object[])函数实现 ‘[’符号是数组的意思
.registers 3
.param p0, "someObj" # [Ljava/lang/Object;

.prologue
.line 22
const-string v0, "bruce"
invoke-static {p0}, Ljava/util/Arrays;->toString([Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/String; # 将Object数组转换为String
move-result-object v1
invoke-static {v0, v1}, Lcom/bruce/BFLog;->Log(Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;)V # 调用Log(String, String)函数
.line 23
return-void
.end method

Smali插桩

如果仅仅用Smali来分析代码,效果其实不如用dex2jar和jd-gui更直观,毕竟看反编译的java代码要更容易一些。但Smali强大之处就是可以随心所欲的进行插桩操作。何为插桩,在保证被测程序原有逻辑完整性的基础上在程序中插入一些探针(又称为“探测仪”),通过探针的执行并抛出程序运行的特征数据,通过对这些数据的分析,可以获得程序的控制流和数据流信息,进而得到逻辑覆盖等动态信息,从而实现测试目的的方法。下面我就来结合一个例子来讲解一下何如进行smali插桩。
测试程序是一个简单的crackme。输入密码,然后点击check,如果密码正确会输出yes,否则输出no。

首先我们对crackme1这个apk进行解压,然后反编译。我们会在MainActivity中看到一个getkey(String,int)函数。这个函数貌似非常复杂,我们暂时不管。我们首先分析一下点下button后的逻辑。我们发现程序会通过getkey(“mrkxqcroxqtskx”,42)来计算出真正的密码,然后与我们输人的密码进行比较,java代码如下:

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public void onClick(View v) {
String str = editText0.getText().toString();
if (str.equals(getkey("mrkxqcroxqtskx", 42))) {
Toast.makeText(MainActivity.this, "Yes!", Toast.LENGTH_LONG).show();
} else {
Toast.makeText(MainActivity.this, "No!", Toast.LENGTH_LONG).show();
}
}

这时候就是smali插桩大显身手的时候了,我们可以通过插桩直接获取getkey(“mrkxqcroxqtskx”, 42)这个函数的返回值,然后Log出来。这样我们就不需要研究getkey这个函数的实现了。具体过程如下:
1.首先解压apk然后用baksmali进行反编译。

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$ unzip -d outdir crackme1.apk
$ cd outdir
$ java -jar baksmali-2.1.2.jar -o classout classes.dex

2.将上一节BFLog类的BFLog.smali文件拷贝到com/bruce目录下,这个文件有3个LOG函数,分别可以输出String的值,Object的值和Object数组的值。注意,如果原程序中没有com/bruce这个目录,你需要自己用mkdir创建一下。拷贝完后,目录结构如下:

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com
└─bruce
│ BFLog.smali

└─crackme1
BuildConfig.smali
MainActivity$1.smali
MainActivity.smali
R$attr.smali
R$dimen.smali
R$drawable.smali
R$id.smali
R$layout.smali
R$menu.smali
R$string.smali
R$style.smali
R.smali

3.用文本编辑器打开MainActivity$1.smali文件进行插桩。为什么是MainActivity$1.smali而不是MainActivity.smali呢?因为主要的判断逻辑是在OnClickListener这个类里,而这个类是MainActivity的一个内部类,同时我们在实现的时候也没有给这个类声明具体的名字,所以这个类用$1表示。加入BFLog.smali这个文件后,我们只需要在MainActivity$1.smali的第71行后面加上一行代码,invoke-static {v1}, Lcom/bruce/BFLog;->Log(Ljava/lang/Object;)V,就可以输出getkey的值了。Invoke是方法调用的指令,因为我们要调用的类是静态方法,所以使用invoke-static。如果是非静态方法的话,第一个参数应该是该方法的实例,然后依次是各个参数。具体插入情况如下:

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const-string v1, "mrkxqcroxqtskx"

const/16 v2, 0x2a


# invokes: Lcom/mzheng/crackme1/MainActivity;->getkey(Ljava/lang/String;I)Ljava/lang/String;

invoke-static {v1, v2}, Lcom/mzheng/crackme1/MainActivity;->access$0(Ljava/lang/String;I)Ljava/lang/String;


move-result-object v1


############################## begin ##############################
invoke-static {v1}, Lcom/bruce/BFLog;->Log(Ljava/lang/Object;)V

############################## end ###############################
invoke-virtual {v0, v1}, Ljava/lang/String;->equals(Ljava/lang/Object;)Z


move-result v1

4.用smali.jar重新编译修改后的smali文件,把新编译的classes.dex覆盖老的classes.dex,然后再用signapk.jar对apk进行签名。几条关键指令如下:

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$ java -jar smali.jar classout -o classes.dex
$ zip unsigned.apk AndroidManifest.xml classes.dex resources.arsc -r res
adding: AndroidManifest.xml (deflated 62%)
adding: classes.dex (deflated 53%)
adding: resources.arsc (deflated 73%)
adding: res/ (stored 0%)
...
$ java -jar signapk.jar testkey.x509.pem testkey.pk8 unsigned.apk signed.apk

5.安装程序到android,随便输入点啥,然后点击check按钮,随后在logcat中就可以看到getkey(“mrkxqcroxqtskx”, 42)这个函数的返回值了。

Smali修改

通过Smali/baksmali工具,我们不光可以插桩,还可以修改apk的逻辑。几个需要注意点如下:
1.if条件判断以及跳转语句
在smali中最常见的就是if这个条件判断跳转语句了,这个判断一共有12条指令:

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if-eq vA, VB, cond_** 如果vA等于vB则跳转到cond_**。相当于if (vA==vB)
if-ne vA, VB, cond_** 如果vA不等于vB则跳转到cond_**。相当于if (vA!=vB)
if-lt vA, VB, cond_** 如果vA小于vB则跳转到cond_**。相当于if (vA<vB)
if-le vA, VB, cond_** 如果vA小于等于vB则跳转到cond_**。相当于if (vA<=vB)
if-gt vA, VB, cond_** 如果vA大于vB则跳转到cond_**。相当于if (vA>vB)
if-ge vA, VB, cond_** 如果vA大于等于vB则跳转到cond_**。相当于if (vA>=vB)


if-eqz vA, :cond_** 如果vA等于0则跳转到:cond_** 相当于if (VA==0)
if-nez vA, :cond_** 如果vA不等于0则跳转到:cond_**相当于if (VA!=0)
if-ltz vA, :cond_** 如果vA小于0则跳转到:cond_**相当于if (VA<0)
if-lez vA, :cond_** 如果vA小于等于0则跳转到:cond_**相当于if (VA<=0)
if-gtz vA, :cond_** 如果vA大于0则跳转到:cond_**相当于if (VA>0)
if-gez vA, :cond_** 如果vA大于等于0则跳转到:cond_**相当于if (VA>=0)

比如我们在crackme1里判断密码是否正确的smali代码段:

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invoke-virtual {v0, v1}, Ljava/lang/String;->equals(Ljava/lang/Object;)Z

move-result v1


if-eqz v1, :cond_25 # if (v1==0)


iget-object v1, p0, Lcom/mzheng/crackme1/MainActivity$1;->this$0:Lcom/mzheng/crackme1/MainActivity;


const-string v2, "Yes!"


invoke-static {v1, v2, v3}, Landroid/widget/Toast;->makeText(Landroid/content/Context;Ljava/lang/CharSequence;I)Landroid/widget/Toast;


move-result-object v1


invoke-virtual {v1}, Landroid/widget/Toast;->show()V


:cond_25
iget-object v1, p0, Lcom/mzheng/crackme1/MainActivity$1;->this$0:Lcom/mzheng/crackme1/MainActivity;


const-string v2, "No!"


invoke-static {v1, v2, v3}, Landroid/widget/Toast;->makeText(Landroid/content/Context;Ljava/lang/CharSequence;I)Landroid/widget/Toast;


move-result-object v1


invoke-virtual {v1}, Landroid/widget/Toast;->show()V

如果我们不关心密码内容,只是希望程序输出”yes”的话。我们可以把if-eqz v1, :cond_25改成if-nez v1, :cond_25。这样逻辑就变为:当输错密码的时候,程序反而会输出”yes”。
2.寄存器问题
修改Smali时有一件很重要的事情就是要注意寄存器。如果乱用寄存器的话可能会导致程序崩溃。每个方法开头声明了registers的数量,这个数量是参数和本地变量总和。参数统一用P表示。如果是非静态方法p0代表this,p1-pN代表各个参数。如果是静态方法的话,p0-pN代表各个参数。本地变量统一用v表示。如果想要增加的新的本地变量,需要在方法开头的registers数量上增加相应的数值。
比如下面这个方法:

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.method public constructor <init>()V
.registers 1
.prologue
.line 7
invoke-direct {p0}, Ljava/lang/Object;-><init>()V
return-void
.end method

因为这不是静态方法,所以p0代表this。如果想要增加一个新的本地变量,比如v0。就需要把.registers 1改为.registers 2。
3.给原程序增加大量逻辑的办法
非常不建议在程序原有的方法上增加大量逻辑,这样可能会出现很多寄存器方面的错误导致编译失败。比较好的方法是:把想要增加的逻辑先用java写成一个apk,然后把这个apk反编译成smali文件,随后把反编译后的这部分逻辑的smali文件插入到目标程序的smali文件夹中,然后再在原来的方法上采用invoke的方式调用新加入的逻辑。这样的话不管加入再多的逻辑,也只是修改了原程序的几行代码而已。这个思路也是很多重打包病毒惯用的伎俩,确实非常方便好用。

APK签名Tricks

当我们在实战中,有时会碰到某些apk在内部实现了自己的签名检查。这次我们介绍的Smali Instrumentation方法因为需要重打包,所以会改变原有的签名。当然,你可以通过修改apk把签名检查的逻辑删掉,但这又费时又费力。在这里简单介绍两种非常方便的方法来解决签名检查问题。
1.Masterkey
Masterkey漏洞一共有三个,可以影响android 4.4以下版本。利用这个漏洞,我们可以插入新的classes.dex替换掉原有的classes.dex而不需要对apk本身进行重新签名。如果apk本身有签名校验逻辑的话,利用这个漏洞来进行Smali Instrumentation简直再好不过了。首先,你需要一个android 4.4以下版本的虚拟机或者真机,然后再使用一个masterkey利用工具对apk进行exploit即可。工具下载地址在文章最后,使用的命令如下:

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$ java -jar AndroidMasterKeys.jar -a orig.apk -z moddedClassesDex.zip -o out.apk

orig.apk是原本的apk文件,moddedClassesDex.zip是修改后的classes.dex并压缩成zip文件,out.apk就是利用Masterkey漏洞生成的新的apk文件。如果成功的话用zip打开文件会看到两个classes.dex。通过masterkey打包后的apk文件签名并不会有任何变化,这样也就不用担心签名校验问题了。
2.自定义ROM
签名的判断其实是调用了android系统密码库的函数,如果我们可以自己定制ROM的话,只需要修改AOSP源码路径下的libcore.java文件。将isEqual函数中的判断语句注释掉:

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public static boolean isEqual(byte[] digesta, byte[] digestb) {
if (digesta.length != digestb.length) {
return false;
}
// for (int i = 0; i < digesta.length; i++) {
// if (digesta[i] != digestb[i]) {
// return false;
// }
// }
return true;
}

这样的话,如果在你自定义的ROM上运行apk,无论你怎么修改classes.dex文件,都不需要关心签名问题了,系统会永远返回签名正确的。
下载
reference
安卓动态调试七种武器之长生剑 - Smali Instrumentation