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0x00 前言

一個最近關于檢測native hook框架的方法讓我開始思考一個Android應用如何在Java層檢測Cydia Substrate或者Xposed框架。

聲明:

下文所有的anti-hooking技巧很容易就可以被有經驗的逆向人員繞過，這里只是展示幾個檢測的方法。在最近DexGuard和GuardIT等工具中還沒有這類anti-hooking檢測功能，不過我相信不久就會增加這個功能。

0x01 檢測安裝的應用

一個最直接的想法就是檢測設備上有沒有安裝Substrate或者Xposed框架，可以直接調用PackageManager顯示所有安裝的應用，然后看是否安裝了Substrate或者Xposed。

#!java
PackageManager packageManager = context.getPackageManager();
List applicationInfoList  = packageManager.getInstalledApplications(PackageManager.GET_META_DATA);

for(ApplicationInfo applicationInfo : applicationInfoList) {
    if(applicationInfo.packageName.equals("de.robv.android.xposed.installer")) {
        Log.wtf("HookDetection", "Xposed found on the system.");
    }
    if(applicationInfo.packageName.equals("com.saurik.substrate")) {
        Log.wtf("HookDetection", "Substrate found on the system.");
    }
}       

0x02 檢查調用棧里的可疑方法

另一個想到的方法是檢查Java調用棧里的可疑方法，主動拋出一個異常，然后打印方法的調用棧。代碼如下：

#!java
public class DoStuff {
    public static String getSecret() {
        try {
            throw new Exception("blah");
        }
        catch(Exception e) {
            for(StackTraceElement stackTraceElement : e.getStackTrace()) {
                Log.wtf("HookDetection", stackTraceElement.getClassName() + "->" + stackTraceElement.getMethodName());
            }
        }
        return "ChangeMePls!!!";
    }
}

當應用沒有被hook的時候，正常的調用棧是這樣的：

#!bash
com.example.hookdetection.DoStuff->getSecret
com.example.hookdetection.MainActivity->onCreate
android.app.Activity->performCreate
android.app.Instrumentation->callActivityOnCreate
android.app.ActivityThread->performLaunchActivity
android.app.ActivityThread->handleLaunchActivity
android.app.ActivityThread->access$800
android.app.ActivityThread$H->handleMessage
android.os.Handler->dispatchMessage
android.os.Looper->loop
android.app.ActivityThread->main
java.lang.reflect.Method->invokeNative
java.lang.reflect.Method->invoke
com.android.internal.os.ZygoteInit$MethodAndArgsCaller->run
com.android.internal.os.ZygoteInit->main
dalvik.system.NativeStart->main

但是假如有Xposed框架hook了com.example.hookdetection.DoStuff.getSecret方法，那么調用棧會有2個變化：

• 在dalvik.system.NativeStart.main方法后出現de.robv.android.xposed.XposedBridge.main調用
• 如果Xposed hook了調用棧里的一個方法，還會有de.robv.android.xposed.XposedBridge.handleHookedMethod 和de.robv.android.xposed.XposedBridge.invokeOriginalMethodNative調用

所以如果hook了getSecret方法，調用棧就會如下：

#!bash
com.example.hookdetection.DoStuff->getSecret

de.robv.android.xposed.XposedBridge->invokeOriginalMethodNative
de.robv.android.xposed.XposedBridge->handleHookedMethod

com.example.hookdetection.DoStuff->getSecret
com.example.hookdetection.MainActivity->onCreate
android.app.Activity->performCreate
android.app.Instrumentation->callActivityOnCreate
android.app.ActivityThread->performLaunchActivity
android.app.ActivityThread->handleLaunchActivity
android.app.ActivityThread->access$800
android.app.ActivityThread$H->handleMessage
android.os.Handler->dispatchMessage
android.os.Looper->loop
android.app.ActivityThread->main
java.lang.reflect.Method->invokeNative
java.lang.reflect.Method->invoke
com.android.internal.os.ZygoteInit$MethodAndArgsCaller->run
com.android.internal.os.ZygoteInit->main

de.robv.android.xposed.XposedBridge->main

dalvik.system.NativeStart->main

下面看下Substrate hook com.example.hookdetection.DoStuff.getSecret方法后，調用棧會有什么變化：

• dalvik.system.NativeStart.main調用后會出現2次com.android.internal.os.ZygoteInit.main，而不是一次。
• 如果Substrate hook了調用棧里的一個方法，還會出現com.saurik.substrate.MS$2.invoked，com.saurik.substrate.MS$MethodPointer.invoke還有跟Substrate擴展相關的方法（這里是com.cigital.freak.Freak$1$1.invoked）。

所以如果hook了getSecret方法，調用棧就會如下：

#!bash
com.example.hookdetection.DoStuff->getSecret

com.saurik.substrate._MS$MethodPointer->invoke
com.saurik.substrate.MS$MethodPointer->invoke
com.cigital.freak.Freak$1$1->invoked
com.saurik.substrate.MS$2->invoked

com.example.hookdetection.DoStuff->getSecret
com.example.hookdetection.MainActivity->onCreate
android.app.Activity->performCreate
android.app.Instrumentation->callActivityOnCreate
android.app.ActivityThread->performLaunchActivity
android.app.ActivityThread->handleLaunchActivity
android.app.ActivityThread->access$800
android.app.ActivityThread$H->handleMessage
android.os.Handler->dispatchMessage
android.os.Looper->loop
android.app.ActivityThread->main
java.lang.reflect.Method->invokeNative
java.lang.reflect.Method->invoke
com.android.internal.os.ZygoteInit$MethodAndArgsCaller->run
com.android.internal.os.ZygoteInit->main

com.android.internal.os.ZygoteInit->main

dalvik.system.NativeStart->main

在知道了調用棧的變化之后，就可以在Java層寫代碼進行檢測：

#!java
try {
    throw new Exception("blah");
}
catch(Exception e) {
    int zygoteInitCallCount = 0;
    for(StackTraceElement stackTraceElement : e.getStackTrace()) {
        if(stackTraceElement.getClassName().equals("com.android.internal.os.ZygoteInit")) {
            zygoteInitCallCount++;
            if(zygoteInitCallCount == 2) {
                Log.wtf("HookDetection", "Substrate is active on the device.");
            }
        }
        if(stackTraceElement.getClassName().equals("com.saurik.substrate.MS$2") && 
                stackTraceElement.getMethodName().equals("invoked")) {
            Log.wtf("HookDetection", "A method on the stack trace has been hooked using Substrate.");
        }
        if(stackTraceElement.getClassName().equals("de.robv.android.xposed.XposedBridge") && 
                stackTraceElement.getMethodName().equals("main")) {
            Log.wtf("HookDetection", "Xposed is active on the device.");
        }
        if(stackTraceElement.getClassName().equals("de.robv.android.xposed.XposedBridge") && 
                stackTraceElement.getMethodName().equals("handleHookedMethod")) {
            Log.wtf("HookDetection", "A method on the stack trace has been hooked using Xposed.");
        }

    }
}

0x03 檢測并不應該native的native方法

Xposed框架會把hook的Java方法類型改為"native"，然后把原來的方法替換成自己的代碼（調用hookedMethodCallback）。可以查看XposedBridge_hookMethodNative的實現，是修改后app_process里的方法。

利用Xposed改變hook方法的這個特性（Substrate也使用類似的原理），就可以用來檢測是否被hook了。注意這不能用來檢測ART運行時的Xposed，因為沒必要把方法的類型改為native。

假設有下面這個方法：

#!java
public class DoStuff {
    public static String getSecret() {
        return "ChangeMePls!!!";
    }
}

如果getSecret方法被hook了，在運行的時候就會像下面的定義：

#!java
public class DoStuff {
        // calls hookedMethodCallback if hooked using Xposed
    public native static String getSecret(); 
}

基于上面的原理，檢測的步驟如下：

• 定位到應用的DEX文件
• 枚舉所有的class
• 通過反射機制判斷運行時不應該是native的方法

下面的Java展示了這個技巧。這里假設了應用本身沒有通過JNI調用本地代碼，大多數應用都不需要調用本地方法。不過如果有JNI調用的話，只需要把這些native方法添加到一個白名單中即可。理論上這個方法也可以用于檢測Java庫或者第三方庫，不過需要把第三方庫的native方法添加到一個白名單。檢測代碼如下：

#!java
for (ApplicationInfo applicationInfo : applicationInfoList) {
    if (applicationInfo.processName.equals("com.example.hookdetection")) {      
        Set classes = new HashSet();
        DexFile dex;
        try {
            dex = new DexFile(applicationInfo.sourceDir);
            Enumeration entries = dex.entries();
            while(entries.hasMoreElements()) {
                String entry = entries.nextElement();
                classes.add(entry);
            }
            dex.close();
        } 
        catch (IOException e) {
            Log.e("HookDetection", e.toString());
        }
        for(String className : classes) {
            if(className.startsWith("com.example.hookdetection")) {
                try {
                    Class clazz = HookDetection.class.forName(className);
                    for(Method method : clazz.getDeclaredMethods()) {
                        if(Modifier.isNative(method.getModifiers())){
                            Log.wtf("HookDetection", "Native function found (could be hooked by Substrate or Xposed): " + clazz.getCanonicalName() + "->" + method.getName());
                        }
                    }
                }
                catch(ClassNotFoundException e) {
                    Log.wtf("HookDetection", e.toString());
                }
            }
        }
    }
}

0x04 通過/proc/[pid]/maps檢測可疑的共享對象或者JAR

/proc/[pid]/maps記錄了內存映射的區域和訪問權限，首先查看Android應用的映像，第一列是起始地址和結束地址，第六列是映射文件的路徑。

#!bash
#cat /proc/5584/maps

40027000-4002c000 r-xp 00000000 103:06 2114      /system/bin/app_process
4002c000-4002d000 r--p 00004000 103:06 2114      /system/bin/app_process
4002d000-4002e000 rw-p 00005000 103:06 2114      /system/bin/app_process
4002e000-4003d000 r-xp 00000000 103:06 246       /system/bin/linker
4003d000-4003e000 r--p 0000e000 103:06 246       /system/bin/linker
4003e000-4003f000 rw-p 0000f000 103:06 246       /system/bin/linker
4003f000-40042000 rw-p 00000000 00:00 0 
40042000-40043000 r--p 00000000 00:00 0 
40043000-40044000 rw-p 00000000 00:00 0 
40044000-40047000 r-xp 00000000 103:06 1176      /system/lib/libNimsWrap.so
40047000-40048000 r--p 00002000 103:06 1176      /system/lib/libNimsWrap.so
40048000-40049000 rw-p 00003000 103:06 1176      /system/lib/libNimsWrap.so
40049000-40091000 r-xp 00000000 103:06 1237      /system/lib/libc.so
... Lots of other memory regions here ...

因此可以寫代碼檢測加載到當前內存區域中的可疑文件：

#!java
try {
    Set libraries = new HashSet();
    String mapsFilename = "/proc/" + android.os.Process.myPid() + "/maps";
    BufferedReader reader = new BufferedReader(new FileReader(mapsFilename));
    String line;
    while((line = reader.readLine()) != null) {
        if (line.endsWith(".so") || line.endsWith(".jar")) {
            int n = line.lastIndexOf(" ");
            libraries.add(line.substring(n + 1));
        }
    }
    for (String library : libraries) {
        if(library.contains("com.saurik.substrate")) {
            Log.wtf("HookDetection", "Substrate shared object found: " + library);
        }
        if(library.contains("XposedBridge.jar")) {
            Log.wtf("HookDetection", "Xposed JAR found: " + library);
        }
    }
    reader.close();
}
catch (Exception e) {
    Log.wtf("HookDetection", e.toString());
}

Substrate會用到幾個so：

#!bash
Substrate shared object found: /data/app-lib/com.saurik.substrate-1/libAndroidBootstrap0.so
Substrate shared object found: /data/app-lib/com.saurik.substrate-1/libAndroidCydia.cy.so
Substrate shared object found: /data/app-lib/com.saurik.substrate-1/libDalvikLoader.cy.so
Substrate shared object found: /data/app-lib/com.saurik.substrate-1/libsubstrate.so
Substrate shared object found: /data/app-lib/com.saurik.substrate-1/libsubstrate-dvm.so
Substrate shared object found: /data/app-lib/com.saurik.substrate-1/libAndroidLoader.so

Xposed會用到一個Jar：

#!bash
Xposed JAR found: /data/data/de.robv.android.xposed.installer/bin/XposedBridge.jar

0x05 繞過檢測的方法

上面討論了幾個anti-hooking的方法，不過相信也會有人提出繞過的方法，這里對應每個檢測方法如下：

• hook PackageManager的getInstalledApplications，把Xposed或者Substrate的包名去掉
• hook Exception的getStackTrace，把自己的方法去掉
• hook getModifiers，把flag改成看起來不是native
• hook 打開的文件的操作，返回/dev/null或者修改的map文件