一种简单的ELF加固方法

介绍一种ELF文件函数粒度的加固方法，可以有效防止对程序的静态分析。这是一种有源码加固方式，需要被加固程序中代码配合。加固流程如下：

1）读取ELF文件头，获取e_phoff和e_phnum
2）通过Elf64_Phdr中的p_type字段，找到DYNAMIC
3）遍历.dynamic，找到.dynsym、.dynstr 节区偏移，和.dynstr节区的大小
4）遍历.dynsym，找到函数对应的Elf64_Sym符号后，根据st_value和st_size字段找到函数在ELF的偏移和函数大小
5）根据函数偏移和大小，加密之

加固程序代码如下，在x86_64平台测试通过：

#include <stdio.h>

#include <fcntl.h>

#include <elf.h>

#include <stdlib.h>

#include <string.h>

typedef struct {

Elf64_Addr st_value;

Elf64_Word st_size;

}func_info;

Elf64_Ehdr ehdr;

int

find_target_section_addr(const int fd, const char *sec_name){

lseek(fd, 0, SEEK_SET);

if(read(fd, &ehdr, sizeof(Elf64_Ehdr)) != sizeof(Elf64_Ehdr)){

puts("Read ELF header error");

return (-1);

}

return (0);

}

static char get_target_func_info(int fd, const char *func_name, func_info *info){

char flag = -1, *dynstr;

int i;

Elf64_Sym func_sym;

Elf64_Phdr phdr;

Elf64_Off dyn_off;

Elf64_Word dyn_size, dyn_strsz;

Elf64_Dyn dyn;

Elf64_Addr dyn_symtab, dyn_strtab;

lseek(fd, ehdr.e_phoff, SEEK_SET);

for(i = 0; i < ehdr.e_phnum; i++){

if(read(fd, &phdr, sizeof(Elf64_Phdr)) != sizeof(Elf64_Phdr)){

puts("Read segment failed");

return (-1);

}

if(phdr.p_type ==  PT_DYNAMIC){

dyn_size = phdr.p_filesz;

dyn_off = phdr.p_offset;

flag = 0;

printf("Find section %s, size = 0x%x, addr = 0x%lx\n", ".dynamic", dyn_size, dyn_off);

break;

}

}

if(flag) {

puts("Find .dynamic failed");

return (-1);

}

flag = 0;

lseek(fd, dyn_off, SEEK_SET);

for(i=0;i < dyn_size / sizeof(Elf64_Dyn); i++){

if(read(fd, &dyn, sizeof(Elf64_Dyn)) != sizeof(Elf64_Dyn)){

puts("Read .dynamic information failed");

return (-1);

}

if(dyn.d_tag == DT_SYMTAB){

dyn_symtab = dyn.d_un.d_ptr;

flag++;

printf("Find .dynsym, addr = 0x%lx\n", dyn_symtab);

}

if(dyn.d_tag == DT_STRTAB){

dyn_strtab = dyn.d_un.d_ptr;

flag++;

printf("Find .dynstr, addr = 0x%lx\n", dyn_strtab);

}

if(dyn.d_tag == DT_STRSZ){

dyn_strsz = dyn.d_un.d_val;

flag++;

printf("Find .dynstr size, size = 0x%x\n", dyn_strsz);

}

}

if(flag != 3){

puts("Find needed .section failed\n");

return (-1);

}

dynstr = (char*) malloc(dyn_strsz);

if(dynstr == NULL){

puts("Malloc .dynstr space failed");

return (-1);

}

lseek(fd, dyn_strtab, SEEK_SET);

if(read(fd, dynstr, dyn_strsz) != dyn_strsz){

puts("Read .dynstr failed");

return (-1);

}

lseek(fd, dyn_symtab, SEEK_SET);

while (1) {

if(read(fd, &func_sym, sizeof(Elf64_Sym)) != sizeof(Elf64_Sym)){

puts("Read func_sym failed");

return (-1);

}

if(strcmp(dynstr + func_sym.st_name, func_name) == 0){

break;

}

}

printf("Find: %s, offset = 0x%lx, size = 0x%lx\n", func_name, func_sym.st_value, func_sym.st_size);

info->st_value = func_sym.st_value;

info->st_size = func_sym.st_size;

ehdr.e_shoff = info->st_value;

ehdr.e_shnum = info->st_size;

lseek(fd, 0, SEEK_SET);

if(write(fd, &ehdr, sizeof(Elf64_Ehdr)) != sizeof(Elf64_Ehdr)){

puts("Write elf header failed");

return (-1);

}

free(dynstr);

return 0;

}

int main(int argc, char **argv){

char sec_name[] = ".text";

char func_name[] = "say_hello"; /* 被加密函数名 */

char *content = NULL;

int fd, i;

Elf64_Off secOff;

func_info info;

if(argc < 2){

puts("Usage: shell libxxx.so .(section) function");

return -1;

}

fd = open(argv[1], O_RDWR);

if(fd < 0){

printf("open %s failed\n", argv[1]);

return (-1);

}

if (find_target_section_addr(fd, sec_name) == -1) {

printf("Find section %s failed\n", sec_name);

return (-1);

}

if (get_target_func_info(fd, func_name, &info) == -1) {

printf("Find function %s failed\n", func_name);

return (-1);

}

content = (char*) malloc(info.st_size);

if(content == NULL){

puts("Malloc space failed");

return (-1);

}

lseek(fd, info.st_value, SEEK_SET);

if(read(fd, content, info.st_size) != info.st_size){

puts("Malloc space failed");

return (-1);

}

for(i = 0; i < info.st_size; i++){

content[i] = ~content[i];

}

lseek(fd, info.st_value, SEEK_SET);

if(write(fd, content, info.st_size) != info.st_size){

puts("Write modified content to .so failed");

return (-1);

}

puts("Complete!");

free(content);

close(fd);

return 0;

}

解密代码放在.init_array节区，使ELF加载时运行解密：

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <string.h>

#include <unistd.h>

#include <sys/types.h>

#include <elf.h>

#include <sys/mman.h>

#define PAGE_SHIFT   12

#define PAGE_SIZE (1UL << PAGE_SHIFT)

typedef struct {

Elf64_Addr st_value;

Elf64_Word st_size;

}func_info;

void say_hello() { /* 被加密函数 */

puts("hello elf.");

}

void __init() __attribute__((constructor));

static unsigned long get_lib_addr(){

unsigned long ret = 0;

char buf[4096], *temp;

int pid;

FILE *fp;

pid = getpid();

sprintf(buf, "/proc/%d/maps", pid);

fp = fopen(buf, "r");

if(fp == NULL) {

puts("open failed");

goto _error;

}

while(fgets(buf, sizeof(buf), fp)){

if(strstr(buf, "libdemo.so")){

temp = strtok(buf, "-");

ret = strtoul(temp, NULL, 16);

break;

}

}

_error:

fclose(fp);

return ret;

}

void __init(){ /* 解密函数 */

const char target_fun[] = "say_hello";

func_info info;

int i;

unsigned long npage, base = get_lib_addr();

Elf64_Ehdr *ehdr = (Elf64_Ehdr *)base;

info.st_value = ehdr->e_shoff;

info.st_size = ehdr->e_shnum;

npage = info.st_size / PAGE_SIZE + ((info.st_size % PAGE_SIZE == 0) ? 0 : 1);

if(mprotect((void *) ((base + info.st_value) / PAGE_SIZE * PAGE_SIZE), npage, PROT_READ | PROT_EXEC | PROT_WRITE) != 0){

puts("mem privilege change failed");

}

for(i = 0; i < info.st_size; i++){

char *addr = (char*)(base + info.st_value + i);

*addr = ~(*addr);

}

if(mprotect((void *) ((base + info.st_value) / PAGE_SIZE * PAGE_SIZE), npage, PROT_READ | PROT_EXEC) != 0){

puts("mem privilege change failed");

}

}

写了一段测试代码，如下：

#include <stdio.h>

#include <dlfcn.h>

int

main(int argc, char **argv)

{

void (*say_hello)();

void *h;

char *error;

h= dlopen("./libdemo.so", RTLD_NOW);

if (h == NULL) {

error = dlerror();

printf("%s\n", error);

return (-1);

}

say_hello = dlsym(h, "say_hello");

say_hello();

dlclose(h);

return (0);

}

以上参考了ThomasKing在看雪的贴子，但查找符号位置使用了一种新方法。

原代码使用的DT_HASH，老版本GCC和现在的安卓都在使用这个结构，它比较简单。在Ubuntu 14.04上测试时发现新版GCC并没有用DT_HASH，而是使用的DT_GUN_HASH，它使用BloomFilter算法针对符号不存在的情况做了效率优化。

这个结构比较复杂，如果再按照ELF加载器的流程来做就比较麻烦，所以选择了遍历的方法。但也有个缺点，当查找的符号不存在时程序会崩溃。

运行结果如下：

kiiim@ubuntu :~/_elf/m2$ gcc shell.c 
kiiim@ubuntu :~/_elf/m2$ gcc loader.c -o loader -ldl
kiiim@ubuntu :~/_elf/m2$ gcc demo.c -fPIC -shared -o libdemo.so
kiiim@ubuntu :~/_elf/m2$ ./a.out libdemo.so 
Find section .dynamic, size = 0x1c0, addr = 0xe18
Find .dynstr, addr = 0x488
Find .dynsym, addr = 0x230
Find .dynstr size, size = 0x10f
Find: say_hello, offset = 0x9f5, size = 0x12
Complete!
kiiim@ubuntu :~/_elf/m2$ ./loader 
hello elf.
kiiim@ubuntu:~/_elf/m2$

原贴中还有另一种加固方法，将要加固函数写入新的节区，如.mytext，然后针对节区整体加密。这种方法实现同样比较简单。但评论里有个问题值得讨论下。

有回复说实现了.text整体加密方案，但我分析了下，觉得不可行。

观察.init_array节，发现在解密函数__init()执行前，还要执行一个frame_dummy()的系统函数：

.init_array:0000000000200DF8 _init_array     segment para public 'DATA' use64
.init_array:0000000000200DF8                 assume cs:_init_array
.init_array:0000000000200DF8                 ;org 200DF8h
.init_array:0000000000200DF8 __frame_dummy_init_array_entry dq offset frame_dummy
.init_array:0000000000200E00                 dq offset __init  ;解密函数

.init_array:0000000000200E00 _init_array     ends

而这个函数是在.text中实现的：

.text:00000000000009C0 frame_dummy     proc near
.text:00000000000009C0                 cmp     cs:__JCR_LIST__, 0
.text:00000000000009C8                 jz      short loc_9F0
.text:00000000000009CA                 mov     rax, cs:_Jv_RegisterClasses_ptr
.text:00000000000009D1                 test    rax, rax
.text:00000000000009D4                 jz      short loc_9F0
.text:00000000000009D6                 push    rbp
.text:00000000000009D7                 lea     rdi, __JCR_LIST__
.text:00000000000009DE                 mov     rbp, rsp
.text:00000000000009E1                 call    rax ; _Jv_RegisterClasses
.text:00000000000009E3                 pop     rbp
.text:00000000000009E4                 jmp     register_tm_clones
.text:00000000000009E4 ; ---------------------------------------------------------------------------
.text:00000000000009E9                 align 10h
.text:00000000000009F0
.text:00000000000009F0 loc_9F0:                                ; CODE XREF: frame_dummy+8 j
.text:00000000000009F0                                         ; frame_dummy+14 j
.text:00000000000009F0                 jmp     register_tm_clones

.text:00000000000009F0 frame_dummy     endp

也就是说，在解密函数__init()执行之前，frame_dummy()运行就会失败。也就不能对.text整体加密。