Android安全-逆向进入内核时代之APatch源码学习(01.模拟调试环境搭建, 远离拦路虎)

00.前言

最近在讲解Linux内核kernel patch的实现原理, 其中不乏优秀的开源项目和内核大神, APatch就是其中之一.

APatch借鉴了magisk patch init和selinux的方式在内核层实现了hook(注意b跳转相关hook, 非inlinehook). 思维巧妙有较高的学习意义.

但是在上手探究原理的过程中, 如果使用真机的方式, 简单修改就会卡机, 需要重刷等.

好的环境是好的开始的前提, 因为我们是探究其原理, 简单过一下项目其实现方式与平台无关, 因此可以通过内核模拟的方式, 使用GDB探究其中的每一步实现, 完美规避.

01.内核Root的实现方式:

直接编译对应源码
针对内核打patch
漏洞利用

02.模拟环境搭建

系统环境配置【必备】
强烈建议使用Ubuntu22.04（http://mirror.nju.edu.cn/ubuntu-releases/22.04.4/ubuntu-22.04.4-desktop-amd64.iso）
安装Qemu

sudo apt update
sudo apt-get install qemu qemu-system qemu-user
root@happy /s/qemu_linux# qemu-system-aarch64 --version
QEMU emulator version 6.2.0 (Debian 1:6.2+dfsg-2ubuntu6.19)
Copyright (c) 2003-2021 Fabrice Bellard and the QEMU Project developers

注意：不同的qemu版本可能起始的物理地址不同，本人电脑使用ubuntu22.04自带版本，6.2.0

03.编译Linux内核

要求：最好自己折腾，也可以使用我准备好的。
https://github.com/nzcv/KernelPatchQEMU/releases/tag/dev1.0.7(手动编译查看github/workflow）
1.1 使用交叉编译器或者直接官方网站下载:

sudo apt-get update
sudo apt-get install gcc-10-aarch64-linux-gnu
sudo mv  /usr/bin/aarch64-linux-gnu-gcc-10  /usr/bin/aarch64-linux-gnu-gcc

1.2 下载4.15.2内核

1	`> curl` `-L` `-O https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v4.x/linux-4.15.2.tar.gz`

1.3 快速编译命令

sudo apt-get install git
git clone https://github.com/nzcv/KernelPatchQEMU.git
 
cd KernelPatchQEMU
make ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu- defconfig
make -j$(nproc) ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-

04.内核去掉编译优化

要求：最好自己折腾，也可以使用已修改版本

1.1 参考链接
https://blog.csdn.net/liuyinggui163/article/details/126877114
http://m.blog.chinaunix.net/uid-21419530-id-5835399.html

1 2	`//使用工程内部直接patch` `patch lib/Kconfig.debug < ../patch/Kconfig.debug.patch`

05.内核编译指令

make menuconfig ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-
//default and save exit
make defconfig ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-
make -j8 ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-
 
其他配置:
CONFIG_DEBUG_KERNEL=y

06. 制作Linux根文件系统

6.1 编译busybox
https://busybox.net/downloads/?C=M;O=D(busybox)

make menuconfig ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-
Settings  ---> 
[*] Build static binary (no shared libs)    //静态编译
[*] Build with debug information            //可选，带调试信息，方便后续调试

6.2 制作initrd

1 2	`make ARCH=arm64 CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-` `install` `find . \| cpio` `-o` `--format=newc > ../rootfs.img`

07. 内核启动脚本

// makefile

init:
    cd ./initramfs && find . -print0|cpio --null -ov --format=newc|gzip -9>../build/initramfs.cpio.gz
 
run:
    qemu-system-aarch64 -kernel Image -initrd build/initramfs.cpio.gz -m 1G -nographic --append "earlyprintk=serail,ttyS0 console=ttyS0"
 
run2:
    qemu-system-aarch64  -M virt -cpu cortex-a57 -smp 1 -m 1G  -kernel Image  -nographic  -append "console=ttyAMA0 root=/dev/vda oops=panic panic_on_warn=1 panic=-1 ftrace_dump_on_oops=orig_cpu debug earlyprintk=serial slub_debug=UZ" -initrd build/initramfs.cpio.gz
 
old:
    cp ../linux-4.15.2/arch/arm64/boot/Image .
    qemu-system-aarch64  -M virt -cpu cortex-a57 -smp 1 -m 1G  -kernel Image  -nographic  -append "console=ttyAMA0 oops=panic panic_on_warn=1 panic=-1 ftrace_dump_on_oops=orig_cpu debug earlyprintk=serial slub_debug=UZ root=/dev/ram rdinit=/bin/sh" -initrd rootfs.img.gz -S -gdb tcp::9000
 
patch:
    qemu-system-aarch64  -M virt -cpu cortex-a57 -smp 1 -m 1G  -kernel Image2  -nographic  -append "console=ttyAMA0 oops=panic panic_on_warn=1 panic=-1 ftrace_dump_on_oops=orig_cpu debug earlyprintk=serial slub_debug=UZ root=/dev/ram rdinit=/bin/sh" -initrd rootfs.img.gz -S -gdb tcp::9000

08.内核启动

内核搬运及启动
qemu启动kernel的部分在qemu源码路径：https://github.com/qemu/qemu/blob/01782d6b294f95bcde334386f0aaac593cd28c0d/hw/arm/boot.c#L63

static const ARMInsnFixup bootloader_aarch64[] = {
    { 0x580000c0 }, /* ldr x0, arg ; Load the lower 32-bits of DTB */
    { 0xaa1f03e1 }, /* mov x1, xzr */
    { 0xaa1f03e2 }, /* mov x2, xzr */
    { 0xaa1f03e3 }, /* mov x3, xzr */
    { 0x58000084 }, /* ldr x4, entry ; Load the lower 32-bits of kernel entry */
    { 0xd61f0080 }, /* br x4      ; Jump to the kernel entry point */
    { 0, FIXUP_ARGPTR_LO }, /* arg: .word @DTB Lower 32-bits */
    { 0, FIXUP_ARGPTR_HI}, /* .word @DTB Higher 32-bits */
    { 0, FIXUP_ENTRYPOINT_LO }, /* entry: .word @Kernel Entry Lower 32-bits */
    { 0, FIXUP_ENTRYPOINT_HI }, /* .word @Kernel Entry Higher 32-bits */
    { 0, FIXUP_TERMINATOR }
};

它是针对地址处的入口点进行编译的0x40080000。
这个确切的地址来自 QEMU 虚拟设备的设计：
0x00000000 - 0x3FFFFFFF是内存映射外设的区域。使用此范围内的地址，您可以访问多个外设的寄存器来配置和控制它们，就像我们使用位于 0x09000000UART 的输出寄存器将文本字符串输出到终端一样。
0x40000000 - 0x4007FFFF是为引导加载程序保留的区域。
并且内核（或任何裸机应用程序）正在加载到地址 0x40080000。外围设备的寄存器
初始地址，即您的内核将被加载到的位置取决于引导加载程序的实现，如果您使用现有的硬件或模拟器，那么您很可能会处理现有的引导加载程序，它会将您的内核文件加载到某个预定义的地址。
2. 断点调试验证

(gdb) x /16i 0x0000000040000000
=> 0x40000000:  ldr     x0, 0x40000018
   0x40000004:  mov     x1, xzr
   0x40000008:  mov     x2, xzr
   0x4000000c:  mov     x3, xzr
   0x40000010:  ldr     x4, 0x40000020
   0x40000014:  br      x4
   0x40000018:  .inst   0x48200000 ; undefined
   0x4000001c:  udf     #0
   0x40000020:  .inst   0x40080000 ; undefined
   0x40000024:  udf     #0
   0x40000028:  udf     #0
   0x4000002c:  udf     #0
   0x40000030:  udf     #0
   0x40000034:  udf     #0
   0x40000038:  udf     #0
   0x4000003c:  udf     #0

09.内核调试

https://github.com/lebr0nli/GEP (GDB必备)
https://web.mit.edu/gnu/doc/html/gdb_7.html (下断点)

内核启动后, 可以通过gdb单步调试理解其中细节

set disassemble-next-line on
show disassemble-next-line
target remote :9000
stepi
break *address

9.1 因为内核在被执行之前还有bootloader的存在, 还记得前面qemu的bootloader实现么???

内核启动后我第一步想法是第一行运行代码是什么, 在什么位置呢, 对应的参数又是什么? 我的第一步想法是汇编入口加入延时.

入口延时

ENTRY(stext)
    mov x0, #0xFFFFFFFFFFF
.loop:
    nop
    subs x0, x0, #1
    bne .loop
    bl  preserve_boot_args
    bl  el2_setup           // Drop to EL1, w0=cpu_boot_mode
    adrp    x23, __PHYS_OFFSET

在汇编入口加入延时调试, 方便查看地址:

(gdb) c
Continuing.
^C
Program received signal SIGINT, Interrupt.
0x00000000410d0004 in ?? ()
=> 0x00000000410d0004:  1f 20 03 d5     nop

qemu bootloader传入的参数

x0             0x48200000          1210056704
x1             0x0                 0
x2             0x0                 0
x3             0x0                 0
x4             0x40080000          1074266112
x5             0x0                 0
x6             0x0                 0
x7             0x0                 0
x8             0x0                 0
x9             0x0                 0
x10            0x0                 0
x11            0x0                 0
x12            0x0                 0
x13            0x0                 0
x14            0x0                 0
x15            0x0                 0
x16            0x0                 0
x17            0x0                 0
x18            0x0                 0
x19            0x0                 0
x20            0x0                 0
x21            0x0                 0

10. 使用APatch进行Kernel Patch

前面只是自己编译内核并跑了起来, Apatch对应的APK功能包含boot.img解包并提取内核, 进行patch. 因为我们已经有了内核文件
所以可以直接命令行patch

1 2	`/data/data/me.bmax.apatch/patch` `# ./kptools -p -i Image -S a12345678 -k kpimg -o Image2 -K kpatch` `adb pull` `/sdcard/Download/Image2`

Patched后再到qemu环境里面去跑起来看看吧?? 相信你一定会有所收获

11.其他帮助

https://zhuanlan.zhihu.com/p/345232459
https://www.bilibili.com/video/BV1Kd4y1R7tV(X86,但可以借鉴busybox制作)
https://www.zhihu.com/people/nobody_know/posts
https://zhuanlan.zhihu.com/p/667525514
https://developer.arm.com/downloads/-/arm-gnu-toolchain-downloads

最后于 3小时前被周晓梦Chew编辑，原因：

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