Android 反调试技巧之Self-Debuging/proc 文件系统检测、调试断点探测

首先，我们来看看Bluebox Security（一家移动数据保护的公司）所描述的反调试方法。gDvm是一个类型为DvmGlobals的全局变量，用来收集当前进程所有虚拟机相关的信息，其中，它的成员变量vmList指向的就是当前进程中的Dalvik虚拟机实例，即一个JavaVMExt对象。以后每当需要访问当前进程中的Dalvik虚拟机实例时，就可以通过全局变量gDvm的成员变量vmList来获得，避免了在函数之间传递该Dalvik虚拟机实例。

gDvm的存在使得直接访问JDWP相关数据变得很容易。例如，gDvm。jdwpState指向包含全局调试数据和函数指针的结构。操作数据会导致JDWP线程发生故障或崩溃。下图就是Bluebox Security的具体方法：

JNIEXPORT jboolean JNICALL Java_com_example_disable(JNIENV* env, jobject dontuse ){

  // gDvm==struct DvmGlobals

  gDvm.jdwpState = NULL;

  return JNI_TRUE; 

}

刚开始，反调试实现起来并不容易，因为没有指向重要数据结构的全局符号。虽然我们有一个指向主结构体的JdwpState，但是 gJdwpState只是一个本地符号，所以链接器不会解决不了这个问题。

不过，libart.so会将JDWP相关类的一些vtables导出为全局符号。但是到目前，我们还搞不清楚其中的原因，以及这是否正常，但是这个方法却给了我们修改JDWP线程提供了一些很好的提示。这其中就包括JdwpSocketState和JdwpAdbState这两个分别通过网络套接字和adb端处理的JDWP连接：

我们可以以各种方式覆盖这个指针，简单的归零它们不是一个好主意，因为这会让整个过程崩溃。于是，我们找到的一个使用“JdwpAdbState :: Shutdown（）”的地址来覆盖“jdwpAdbState :: ProcessIncoming（）”地址的好方法，这个方法看起来如下：

#include <jni.h>
#include <string>
#include <android/log.h>
#include <dlfcn.h>
#include <sys/mman.h>
#include <jdwp/jdwp.h>#define log(FMT, ...) __android_log_print(ANDROID_LOG_VERBOSE, "JDWPFun", FMT, ##__VA_ARGS__)// Vtable structure. Just to make messing around with it more intuitivestruct VT_JdwpAdbState {
    unsigned long x;
    unsigned long y;
    void * JdwpSocketState_destructor;
    void * _JdwpSocketState_destructor;
    void * Accept;
    void * showmanyc;
    void * ShutDown;
    void * ProcessIncoming;
};extern "C"JNIEXPORT void JNICALL Java_sg_vantagepoint_jdwptest_MainActivity_JDWPfun(
        JNIEnv *env,
        jobject /* this */) {    void* lib = dlopen("libart.so", RTLD_NOW);    if (lib == NULL) {
        log("Error loading libart.so");
        dlerror();
    }else{        struct VT_JdwpAdbState *vtable = ( struct VT_JdwpAdbState *)dlsym(lib, "_ZTVN3art4JDWP12JdwpAdbStateE");        if (vtable == 0) {
            log("Couldn't resolve symbol '_ZTVN3art4JDWP12JdwpAdbStateE'.n");
        }else {            log("Vtable for JdwpAdbState at: %08xn", vtable);            // Let the fun begin!            unsigned long pagesize = sysconf(_SC_PAGE_SIZE);
            unsigned long page = (unsigned long)vtable & ~(pagesize-1);            mprotect((void *)page, pagesize, PROT_READ | PROT_WRITE);            vtable->ProcessIncoming = vtable->ShutDown;            // Reset permissions & flush cache            mprotect((void *)page, pagesize, PROT_READ);        }
    }
}

一旦此功能运行，任何连接Java的调试器都将断开连接，任何进一步的连接尝试都将失败。令人惊讶的是，目前使用这个方法可以进行反调试了，并没有在日志中进行任何解释：

Pyramidal Neuron:~ berndt$ adb jdwp2926Pyramidal Neuron:~ berndt$ adb forward tcp:7777 jdwp:2926Pyramidal Neuron:~ berndt$ jdb -attach localhost:7777java.io.IOException: handshake failed - connection prematurally closed    at com.sun.tools.jdi.SocketTransportService.handshake(SocketTransportService.java:136)    at com.sun.tools.jdi.SocketTransportService.attach(SocketTransportService.java:232)    at com.sun.tools.jdi.GenericAttachingConnector.attach(GenericAttachingConnector.java:116)    at com.sun.tools.jdi.SocketAttachingConnector.attach(SocketAttachingConnector.java:90)    at com.sun.tools.example.debug.tty.VMConnection.attachTarget(VMConnection.java:519)    at com.sun.tools.example.debug.tty.VMConnection.open(VMConnection.java:328)    at com.sun.tools.example.debug.tty.Env.init(Env.java:63)    at com.sun.tools.example.debug.tty.TTY.main(TTY.java:1066)

这个方法相当隐秘的，即通过欺骗和隐藏实现，不过我们只尝试了进行ADB端口连接，大家在使用这个方法时可能需要修补JdwpSocketState，以防止Java调试。

但是有一个问题：Android是建立在Linux上的，因此继承了ptrace系统调用。

什么是ptrace系统调用？

ptrace 系统调从名字上看是用于进程跟踪的，它提供了父进程可以观察和控制其子进程执行的能力，并允许父进程检查和替换子进程的内核镜像(包括寄存器)的值。其基 本原理是: 当使用了ptrace跟踪后，所有发送给被跟踪的子进程的信号(除了SIGKILL)，都会被转发给父进程，而子进程则会被阻塞，这时子进程的状态就会被 系统标注为TASK_TRACED。而父进程收到信号后，就可以对停止下来的子进程进行检查和修改，然后让子进程继续运行。    

其原型为：    

#include <sys/ptrace.h>
long ptrace(enum __ptrace_request request, pid_t pid, void *addr, void *data)

ptrace有四个参数: 

1.enum __ptrace_request request：指示了ptrace要执行的命令。
2.pid_t pid: 指示ptrace要跟踪的进程。
3.void *addr: 指示要监控的内存地址。
4.void *data: 存放读取出的或者要写入的数据。

PTRACE_TRACEME反调试

ptrace是如此的强大，以至于有很多大家所常用的工具都基于ptrace来实现，如gdb，strace，jtrace和Frida。其中一些工具甚至提供了虚拟机自省技术，为与java虚拟机进行交互提供了便利的后门。 

许多过去的Linux反调试技巧，例如监控proc文件系统和检测内存中的断点，一直都是Android上常用的的方法。通常在恶意软件使用的另一种技术是自我调试。该方法利用了一个事实，即只有一个调试器可以随时附加到进程。我们来看一下这个工作原理。

在Linux上，ptrace（）系统调用用于观察和控制另一个进程（“tracee”）的执行，并检查和更改跟踪的内存和寄存器。它是实现断点调试和系统调用跟踪的主要手段，使用ptrace系统调用进行反调试的最明显的方法是对内存的分配和回收，然后调用ptrace（parent_pid）附加到父进程：

void anti_debug() {

    child_pid = fork();

    if (child_pid == 0)
    {
        int ppid = getppid();
        int status;

        if (ptrace(PTRACE_ATTACH, ppid, NULL, NULL) == 0)
        {
            waitpid(ppid, &status, 0);

            ptrace(PTRACE_CONT, ppid, NULL, NULL);

            while (waitpid(ppid, &status, 0)) {

                if (WIFSTOPPED(status)) {
                    ptrace(PTRACE_CONT, ppid, NULL, NULL);
                } else {
                    // Process has exited for some reason
                    _exit(0);
                }
            }
        }
    }
}

如果按照上述方式来实现，子进程将继续跟踪父进程，直到父进程退出，从而导致将调试器附加到父进程时失败。我们可以通过将代码编译成JNI函数并将其打包到我们在设备上运行的应用程序来验证。

假设一切顺利，我们现在就要尝试调试应用程序的逆向工程了。如下图所示，ps不是返回一个进程，而是返回相同命令行的两个进程：

root@android:/ # ps | grep -i anti
u0_a151   18190 201   1535844 54908 ffffffff b6e0f124 S sg.vantagepoint.antidebug
u0_a151   18224 18190 1495180 35824 c019a3ac b6e0ee5c S sg.vantagepoint.antidebug

Google 这么多年来，已经把 Android 做成了本质上无法分支(fork)的软件，开源只是名义上的，让我们来尝试使用gdbserver附加到父进程来进行验证：

root@android:/ # ./gdbserver --attach localhost:12345 18190
warning: process 18190 is already traced by process 18224
Cannot attach to lwp 18190: Operation not permitted (1)
Exiting

如上图所示，仍然需要进行反向工程：

root@android:/ # kill -9 18224

现在让我们再试一次尝试附加gdbserver：

root@android:/ # ./gdbserver --attach localhost:12345 18190  Attached; pid = 18190
Listening on port 12345

ptrace调用通常常见的方法包括：

分别跟踪彼此的多个进程
跟踪运行过程，监视子进程
监视/ proc文件系统中的值，例如/ proc / pid / status中的TracerPID。

大家来看一下我们对上述方法的简单改进，在最初的fork（）之后，我们在父进程中启动一个额外的线程来连续监视子进程的状态。根据应用程序是否已内置在调试或发布模式（根据Manifest中的android：可调试标志），子进程将以下列方式之一运行：

1.在释放模式下，调用ptrace失败，子进程立即退出分段错误（退出代码11）。

2.在调试模式下，调用ptrace工作，子进程预计会无限运行下去。因此，对waitpid（child_pid）的调用不应该返回，如果有的话，会阻碍了整个进程组的运行。

完整的JNI实现如下，通过添加JNIEXPORT（…）_ antidebug（）作为本机方法，可以在自己的项目中自由使用它。

#include <jni.h>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <sys/ptrace.h>
#include <sys/wait.h>

static int child_pid;

void *monitor_pid(void *) {

    int status;

    waitpid(child_pid, &status, 0);

    /* Child status should never change. */

    _exit(0); // Commit seppuku

}

void anti_debug() {

    child_pid = fork();

    if (child_pid == 0)
    {
        int ppid = getppid();
        int status;

        if (ptrace(PTRACE_ATTACH, ppid, NULL, NULL) == 0)
        {
            waitpid(ppid, &status, 0);

            ptrace(PTRACE_CONT, ppid, NULL, NULL);

            while (waitpid(ppid, &status, 0)) {

                if (WIFSTOPPED(status)) {
                    ptrace(PTRACE_CONT, ppid, NULL, NULL);
                } else {
                    // Process has exited
                    _exit(0);
                }
            }
        }

    } else {
        pthread_t t;

        /* Start the monitoring thread */

        pthread_create(&t, NULL, monitor_pid, (void *)NULL);
    }
}
extern "C"

JNIEXPORT void JNICALL
Java_sg_vantagepoint_antidebug_MainActivity_antidebug(
        JNIEnv *env,
        jobject /* this */) {

        anti_debug();
}

另外，我们将其打包成一个Android应用程序，看看它是否有效。就像上文一样，运行应用程序的调试版本时会显示两个进程：

root@android:/ # ps | grep -i anti-debug
u0_a152   20267 201   1552508 56796 ffffffff b6e0f124 S sg.vantagepoint.anti-debug
u0_a152   20301 20267 1495192 33980 c019a3ac b6e0ee5c S sg.vantagepoint.anti-debug

但是，如果我们现在终止子进程，父进程也退出：

root@android:/ # kill -9 20301                               
root@android:/ # ./gdbserver --attach localhost:12345 20267   
gdbserver: unable to open /proc file '/proc/20267/status'
Cannot attach to lwp 20267: No such file or directory (2)
Exiting

为了绕过这个进程，我们有必要稍微修改一下应用程序的进程，最简单的方法是使用NOP将调用修改为_exit，或者在libc.so中hook函数_exit。

如何防范这种反调试

预防这种反调试其实有很多种方法，比如我们可以修补应用程序漏洞，防止vtable被篡改。如果你不能及时修复，那以后还会再次受到这种攻击。另外就是在其他情况下，使用Xposed或Frida修改内核模块可能更合适，我们给大家介绍2种方法：

1.修补反调试功能。通过简单地用NOP指令覆盖来禁用不需要的行为。请注意，如果反调试机制已经经过深加工了，则可能需要更复杂的修补程序。

2.使用Frida或Xposed hook本地API，如ptrace（）和fork（），或使用内核模块hook相关的系统调用。