基于eBPF的安卓逆向辅助工具——stackplz

前言

stackplz是一款基于eBPF技术实现的追踪工具，目的是辅助安卓native逆向，仅支持64位进程，主要功能如下：

• hardware breakpoint 基于pref_event实现的硬件断点功能，在断点处可读取寄存器信息，不会被用户态探测到
  • 前提是需要内核启用CONFIG_HAVE_HW_BREAKPOINT，5.10+内核默认开启
• uprobe hook 即在用户态对动态库下断点，在断点处可读取寄存器等上下文信息
• trace syscall 即在内核态对syscall进行追踪，输出syscall信息，无视任何反调试
• 自动追踪fork产生的进程，可按pid/uid/tid/package等组合进行过滤
• 在命中hook的时候可发送信号，例如发送SIGSTOP可挂起进程（硬件断点暂未实现发送信号
  • 几乎无视反调试，并且此时可以使用lldb等调试器附加到进程，获取上下文内容
  • 如果进程已经处于相互ptrace的状态，则调试器不可附加，但此时还是可以通过dd等手段获取上下文内容
• 使用上述功能时，均可回溯堆栈

使用要求：内核 5.10+（开发板+ReDroid也是可以的，当前支持rock5b），该限制主要来自于需要使用bpf_probe_read_user接口

stackplz最初是受到定制bcc/ebpf在android平台上实现基于dwarf的用户态栈回溯启发，加上自己对eBPF技术略有一点研究，然后决定开发这样一款工具

当时核心目的是寻求一种门槛低、不依赖额外环境、能实际落地的方案开发eBPF程序

受限于当时高版本内核安卓设备的普及程度，只实现了寄存器获取与堆栈回溯，限制是内核要求4.14+

经过一年左右的发展，GKI 2.0设备多了起来，各类eBPF相关的内容不断涌现 ，加上之前自己立了flag

于是最近几个月把之前给stackplz立的flag给陆续落地，加上了许多功能，以期能真正将eBPF技术投入实际的安卓逆向分析中

另外KernelSU近期也发布了新的计划：

• su 使用日志；通过在内核中跟踪 fork, execve 等系统调用，给出调用 su 的进程调用的日志，如时间，命令行参数等。
• 集成支持硬件断点并提供用户空间接口，为开发和调试提供便利。
• 在 kernel 中集成 Lua 解释器并为用户空间提供接口；这样可以让内核运行 lua 脚本，等同于无限制的 eBPF，成为 tracing 好帮手。

什么，无限制的eBPF？那真的是太好了！ 所以本文再不出，stackplz就要凉啦(>_<)

再次说明要求与限制：内核 5.10+，仅支持64位进程

请前往Releases或者Actions下载使用

注意：每次更新版本请手动执行一次./stackplz --prepare

功能演示

本文演示过程中没有任何APP受到伤害！

写原理太枯燥你们可能就划走了，下次再写，还是先看看实际效果吧~

1. 硬件断点

硬件断点支持四种类型，即r,w,x,rw，断点长度为4字节

命令中必须提供pid，断点绝对地址或者断点偏移+动态库名，下面是两个示例效果：

说明：

• --regs 输出寄存器信息
• --stack 默认获取用户态8192字节的栈上数据用于回溯堆栈
• --stack-size 可以用于指定要获取的栈上数据大小，必须是8的倍数

如果要给内核空间的地址下硬件断点，可以使用pid+绝对地址的方式，pid给定一个存在的进程即可（不过目前没有回溯内核堆栈的功能，所以给内核空间地址下硬件断点聊胜于无

2. uprobe hook

其原理是替换目标位置动态库的指令为brk指令，执行到目标位置的时候会陷入内核，执行eBPF虚拟机中的代码

美中不足的是，这个brk指令是可以被扫描出来的，但优势也是只有这一个brk指令，没有inlinehook那么多特征

如果确实担心被扫描，那么可以采用硬件断点先检查下^_^

基于该能力，stackplz可以在断点位置读取上下文的内容，在逆向时以最小的侵入力度获取想要的内容，尽可能避开检测

下面是具体效果：

说明：

• --getoff 计算LR与PC的偏移情况，方便快速定位调用位置
• -l/--lib 指定动态库路径，默认为libc.so
  • 大多数情况下使用库名即可，如果遇到同名不同路径，或者找不到的情况，可手动指定为/proc/{pid}/maps中的完整路径
• -w/--point 意为观测点，配合动态库指定符号或者偏移，可设置多个，上限6个
  • 语法是{符号/基址偏移}{+偏移}{[参数类型{寄存器/读取地址},参数类型{.f{规则索引}}]}
  • 一个观测点下最多读取10个参数
  • 一个参数下最多应用6个过滤规则
  • 下面是一些使用组合示例，目前支持的类型：int,uint,int64,uint64,str,ptr,buf
  • -w _Z5func1v
  • -w 0x9542c[str,str]
  • -w strstr+0x4[str,str]
  • -w strstr[str,str] -w open[str,int]
  • -w 0xA94E8[int:x1,ptr:sp+0x30-0x2c]
    • 默认按寄存器顺序读取，也可以参考本示例，在第一个位置读取x1为int，在第二个位置读取sp+0x30-0x2c为指针
    • 没错，可以进行简单的计算，这样能够灵活读取栈上的内容
  • -w write[int,buf:x2,int]
  • -w write[int,buf:32,int]
  • -w write[int,buf:0x10,int]
    • buf较为特殊，规则如下：
    • 如果:后面是寄存器表明以该寄存器大小为长度读取数据
    • 如果:后面是十进制或十六进制字符串，则表明以这个数的大小为长度读取数据
  • -w write[buf:x2:x1,int,int]
    • 这里的规则表示，读取第一个参数时，读的是x1寄存器，长度为x2，即:后的第一个内容表示长度，末尾的才是要读取的寄存器
• -f/--filter 字符串过滤规则，有三种，分别是w/white b/black r/replace，示例如下
  • 规则位于参数的末尾，多个规则以.作为分隔符
  • 替换规则涉及两个字符串，以:::作为分隔符
  • 示例如下，依次为白名单规则、黑名单规则、替换规则：
    • -f w:/data
    • -f b:/sys
    • -f r:/system/bin/su:::/system/bin/zz
  • -w openat[int,str.f0.f1] 意为对符号openat的第二个参数，应用规则0和规则1
  • -s openat:f0 这是syscall，先在这里说了，意为对openat系统调用的第一个字符串参数应用规则0，注意分隔符为:

3. trace syscall

原理是将eBPF程序挂载到raw_tracepoint/sys_enter和raw_tracepoint/sys_exit，然后根据预设配置解析参数

追踪syscall的时候自然也是能输出堆栈的，不过限于篇幅，下面的例子中就不演示了，加--stack即可

下面是具体效果：

说明：

• -s/--syscall 一般情况，追踪多个syscall要用,作为分隔符
  • 还可以使用下面的内容进行分组追踪，避免手打大量syscall名
    • all %attr %file %exec %clone %process %net %signal %kill %stat
  • 对syscall中的参数进行过滤，示例如下，使用:作为起始分隔符，使用.作为多个规则的分隔符
    • -s openat:f0.f1.f2
  • syscall的参数过滤仅支持syscall的首个字符串参数

4. 进阶使用

下面将演示如何过root检查，虽然对于eBPF来说做这个事情比较鸡肋，但是还是值得演示一下

核心原理就是通过bpf_probe_write_user方法修改内存数据，这里过root检查就是简单替换下相关的字符串

再次说明：本文演示过程中没有任何APP受到伤害！

这里请一位不愿透露姓名的APP做演示，过程如下：

1. 首先执行第一个命令，该命令意为追踪execve和openat两个系统调用
2. 打开APP，很快啊，APP就崩溃了；这个时候已经采集到syscall的调用情况了，从日志中检查调用的参数，发现有su相关的访问
3. 还是执行第一个命令，然后另开一个shell，执行第二个命令，将有关su的访问替换为其他字符串
4. 打开APP，很快啊，APP还是崩溃了，不过可以发现APP执行得更久一点...
5. 配合使用--stack、--mstack和--getoff，进行更准确的分析
6. 以此往复，最终发现APP还会执行mount和which su等命令，而且是走的libc.so，于是再开一个shell执行第三个命令

使用--mstack，该选项意为手工解析堆栈，因为某些情况下默认的方案可能无法给出详细的堆栈（全是unknown

在后面两个命令同时使用的情况下，最终能走到APP的启动页面：

不过使用eBPF过这个检查实在是麻烦...所以stackplz的定位是辅助分析，这里仅仅演示一下eBPF修改内存的能力

对了，APP怎么老是退出，想个办法让它不要退出好不好哇（

这样每次调用exit的时候，都会发送SIGSTOP信号，可以把整个进程挂起

每次挂起后如果要恢复进程运行，那么执行kill -SIGCONT {pid}这样的命令即可

不过有一个需要注意的问题，那就是发信号的时候，syscall还是会执行，也就是说如果在exit这个系统调用处发信号，进程有可能还是没办法挂起

那么可以配合使用--stack、--mstack和--getoff来判断从用户态的什么地方调用，从上面的结果来看，是libc.so的__exit

那么使用下面的命令进行追踪，这样就可以真正在执行到__exit的时候挂起，上下文也会保持在__exit的状态

这是lldb附加上去的效果：

这里的iso指追踪isolated进程，-n/--name选项可以给定进程分组，目前的分组是root system shell app iso

5. 其他补充

如果单条命令hook无法一次性实现想要的追踪内容，那么多开stackplz即可，以及同一个位置多次下hook都是支持的

具有黑白名单的选项：

在某些情况下，stackplz无法解析到偏移、堆栈，可以设置debug和输出日志到文件，然后根据日志中的各类事件信息进行分析

• --debug -o tmp.log

仅将日志输出到文件，不输出到终端，这对于进行大量追踪的时候，有助于减少数据丢失

• -q/--quiet

默认情况下，buf类型的数据打印为ASCII + hex，使用下面的选项将打印为hexdump

• --dumphex

追踪一些特别频繁的调用时，可能会出现部分数据丢失的情况，这个时候请适当增加eBPF的数据缓冲区大小

• -b/--buffer 默认8M，一般不建议超过32M

更多命令，请执行./stackplz --help查看

6. Q & A

Q: 不能修改寄存器吗
A: 是的，eBPF中无法修改寄存器，只能修改给定地址处的内存数据

Q: 运行不了
A: 首先请使用5.10+内核的设备，如果确实不行请反馈至issue

Q: 技术架构等
A: 语言：Golang + C
A: 三方库：ebpf + ebpfmanager + libbpf
A: 预编译：BTFHubForAndroid + unwinddaemon
A: 其他：ndk clang + Makefile