AndroidManifest Ambiguity方案原理及代码

1简述

前段时间在bluebox的一份android安全pdf中看到一个AndroidManifest Ambiguity方案。该方案基于android系统解析AXML的一个特点：android在解析AXML的属性的时候，是通过该属性的res id号而非属性名定位的。所谓的AXML就是AndroidManifest.xml对应的二进制文件，APK包中存储的就是AXML。比如属性：

它的属性名为name，id号为0x01010003。

该方案的大致原理如下图所示：

我简要概括一下：

我们在axml(注意是axml不是AndroidManifest.xml)中添加一个属性，该属性的属性名是name，属性的值是some.class，属性的ID号为0。根据前文所述，android系统对于非法的res ID号是不会解析的。所以我们添加这个无用的属性后，并不影响该APK的正常工作(上图左下角所示)，但是对于apktool之类的逆向工具而言，他们却会对这个无用的属性进行解析(上图右下角所示)。所以，如果我们进行重打包的话，apktool就会将该属性变更为一个ID号0x01010003的可以被系统解析的属性。这样造成的后果就是：由于我们的APK中并没有实现trap.class类，所以APK启动时会报错“there is no trap.class~~”。

2 实现方案

该PDF虽然提出了这个方案，但并没有给出实现的代码(其实它就给了上面那张图~其它什么都木有了~)，google也是空白。所以当我看懂原理之后，就想自己将它实现出来。哪知事情并没有我想的那么简单~~

2.1 AXML文件格式

遇到的第一个挑战就是：网上竟然搜不到AXML文件的格式！！！当时差点就放弃了，不过后来一想，既然apktool能解析AXML那就说明它是了解AXML的文件格式的，所以就上网搜索了一下解析AXML的各种解析代码，综合过后觉得Claud大大的AXML Parser代码比较利于总结AXML的文件格式。所以就以该代码问蓝本总结了一下文件格式，如下表所示：

0x0~0x3 magic: 0x03000800固定值

0x4~0x7 filesize: 文件整体大小

0x8~0xb StringTag: 字符串块开始标志，0x01001c00固定值

0xc~0xf StringChunkSize:字符串块大小

0x10~0x13 count of strings:字符串个数,

0x14~0x17 count of styles: 类型个数

0x18~0x1b reserve field: 保留的，为0

0x1c~0x1f string的起始偏移值：注意，这个偏移值是相对于stringChunk而言的！

0x20~0x23 styles的起始偏移值：同上

下面存储的就是n个连续的string的偏移值，每个偏移值占4字节，需要注意的是，这个偏移值加上string的起始偏移值和0x8才是真正的偏移值！n的大小就是0x10~0x13的大小

然后就是n个连续的style的偏移值，同上~

String数据块

........

Style数据块

........

注意：到这里，stringchunk就算是结束了

下面就是ResourceChunk了，里面保存的就是资源ID号

ResourceTag: 0x80010800

ResourceChunkSize: 资源ID块的大小

连续 ResourceChunkSize/4 -2个res id值。-2主要是除去上面的8字节resourceChunkHeader。

每个res id占4字节

ResourceChunk结束

下面就是一些连续的chunk块了：

CHUNK_STARTNS: doc开始标志,0x00011000

CHUNK SIZE:

line number

unknown, 0xffffffff

下面就是一个namespace record结构体，简称NsRecord

NsRecord->prefix

NsRecord->uri,

然后就是递归地进行chunk操作，因为一个命名空间里面往往含有很多子chunk

CHUNK_TYPE:0x02011000->0x00100102为CHUNK_STARTTAG

CHUNK_SIZE

line number

unknown, 0xffffffff

current tag's namespace's uri

当前tag的名字所一个string索引值

flags, unknown usage

当前标签含有的attr个数，注意最后结果要&0x0000ffff

classAttribute, unknown usage

下面就是连续的n个attribution chunk，attribution的结构体如下：

/* attribute structure within tag */

typedef struct{

uint32_t uri; /* uri of its namespace index of strings*/

uint32_t name; /*属性名，索引值 index of strings */

uint32_t string; /* attribute value if type == ATTR_STRING ，索引值*/

uint32_t type; /* attribute type, == ATTR_* * / 注意该值需要右移24位

uint32_t data; /* attribute value, encoded on type */

} Attribute_t;

依次类推

........

2.2修改AXML的注意事项

了解了AXML的文件格式，我们就可以想法进行属性插入了。不过在属性插入之前，我们必须规划好具体地实施方案，因为它涉及到的东西并不算少。

1)首先，需要对属性结构体做进一步分析。它的格式如下：

/* attribute structure within tag */

typedef struct{

uint32_t uri; /* uri of its namespace index of strings*/

uint32_t name; /*属性名，索引值 index of strings */

uint32_t string; /* attribute value if type == ATTR_STRING ，索引值*/

uint32_t type; /* attribute type, == ATTR_* * / 注意该值需要右移24位

uint32_t data; /* attribute value, encoded on type */

} Attribute_t;

重点是name, string, data。我提取出了一个AXML中属性片段，如下所示：

Offset 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

0C 00 00 00 05 00 00 00 FF FF FF FF 08 00 00 01 01 00 06 7F

0C 00 00 00 06 00 00 00 FF FF FF FF 08 00 00 01 00 00 05 7F

0C 00 00 00[w1] 04 00 00 00[w2] 17 00 00 00[w3] 08 00 00 03 [w4] 17 00 00 00[w5]

[w1]uri：命名空间的URI，是string的索引值

[w2]name：属性名，也是一个string的索引值

[w3]string：如果属性type为ATTR_STRING的话，此值就是属性android:name="xxx",xxx在string的索引值。其余情况均为0xffffffff

[w4]type：属性的类型，对于android:name，类型值为0x03000008

[w5]data：属性的数据值，对于ATTR_STRING而言，它的值就是string的值。

可以发现，结构体里面并没有一个叫做res ID的成员，那么系统又是如何获取某个属性的ID号的呢？原来这里的name成员是身兼两职，即作为属性名的一个string索引，又作为res ID的索引。比如这里name = 4，它对应StringChunk中的字符串为"name"，对应ResourceChunk中的res ID 0x01010003。所以要插入一个属性名为name，ID号又为0的属性，我们就必须新建一个string，该string的值为name，再新建一个res ID，值为0，且两者在各自Chunk区域的索引值是相等的(这是重点)。

2)其次，就是在StringChunk中string的对齐问题(最初被弄得脑洞大开~)。

AXML中几乎所有的成员都是uint32型的，除了使用UTF-16编码的string数据块之外。所以在加入string后必须对string数据块进行4字节对齐。而如果原AXML的string数据块已经进行过4字节对齐(即人为地填充了几个0x00)的话，我们就需要注意UTF-16编码的最后一个string的第一个字节的大小并不包含这几个填充的0x00(这个字节表示该string所占用的字节数，详情可查阅UTF-16编码相关资料)。为了绕过烦人的对齐问题，我们使用取巧的方式获取字符串的长度：

stringLen = stringChunkSize - stringOffset; //此时的stringLen肯定是4字节对齐的

当然，这是在没有style的情况下，如果有的话，还得采取额外的操作(实现代码中有~)。为了简便，我是直接将添加的string加在这个对齐后的字符串之后的，这样就只需要考虑添加的字符串是否需要对齐了~

3)然后，就是ResourceChunk的扩充。

在1)中已经提到插入的属性的name的值同时充当res ID索引值。而通常ResourceChunk中的res ID个数是远少于string 的个数的，那么这就需要我们将ResourceChunk进行扩充。扩充很简单，全部赋值为0即可。

4)最后，除了需要添加数据外，还需要修改原文件的某些“计量值”，这些计量值都是与数据块大小或偏移值有关的，总结如下：

①fileSize

②StringChunkSize

③count of string

④styles的起始偏移值(如果有style的话就需要修改)

⑤ResourceChunkSize

⑥application所属chunk的chunksize

⑦applicationh含有的属性个数

2.3 修改AXML步骤

1)修改StringChunk，添加UTF-16表示的字符串chouchou.class和name，并为这两个字符串添加偏移值条目。同时对StringChunkSize、count of string、styles的起始偏移值进行修复；

2)修改ResourceChunk，主要是进行res ID扩充和对ResourceChunkSize的修复

3)修改application所在的chunk，插入属性，同时对chunksize和applicationh含有的属性个数进行修复；

4)将不需要修改的部分copy到合适的位置；

5)修复fileSize

当然，具体地实现肯定比上诉步骤复杂一些，不过实现源码中有较为详细的注释，大家可参照源码阅读~

3 代码说明

AxmlParser.h/.c是Claud大大解析axml的源码，出于对作者的感谢以及让大家更详细地了解AXML的解析过程(其实，是我实在是不想自己写解析代码o(╯□╰)o)，我将实现代码跟它合并到一块了。AxmlModify.c就是我写的实现AXML修改功能。

4 使用方法

当前代码还不完善，只是初步实现了插入application.attr("name", "chouchou.class",0x0)的功能。所以并非最终版。

代码只能在linux下运行，下载代码后make即可生成可执行文件manifestAmbiguity。然后直接运行./manifestAmbiguity可以得到完整的使用说明。

修改前：

修改后：

将修改后的xml覆盖原APK中的xml，然后删掉原来的签名文件夹再进行签名即可。这时候如果对按照此方案修改后的APK进行重打包，就会发现重打包的APK已经无法启动了。

5 下一步工作

由于目前的apk软件保护主要是基于dex代码加密和so库文件加密，对AndroidManifest.xml并没有进行任何操作，而AndroidManifest.xml作为apk的入口文件，其重要性是不言而喻的。所以我想能不能在此文件中做些“手脚”，然后结合相应的处理代码实现另一角度的软件保护。

比如，我们完全可以实现那个陷阱类trap.class，且这个类继承自application等等，以便被重打包的apk也可运行。只是，从一开始，该apk就运行在一个错误的环境中，至于之后的操作，那就可以尽情发挥了。

或者，我们可以在其他tag中插入一些不会影响apk运行的属性(即新添加的属性不可被系统识别，重打包后该属性能被系统识别但又不会影响apk的运行)，然后在代码中检查AndroidManifest.xml是否含有该属性，如果有就说明软件被重打包了。

等等~

如果大家有好的建议或方法，请一定不吝赐教~谢谢！

代码地址：
https://github.com/wanchouchou/ManifestAmbiguity