iOS逆向实战--018：HOOK原理

作者: 帅驼驼 | 来源:发表于2021-05-08 15:39 被阅读0次

HOOK概述

HOOK，中文译为“挂钩”或“钩子”。在iOS逆向中是指改变程序运行流程的一种技术。通过HOOK可以让别人的程序执行自己所写的代码。在逆向中经常使用这种技术。所以在学习过程中，我们重点要了解其原理，这样能够对恶意代码进行有效的防护

HOOK示意图

iOS中HOOK技术的几种方式：

Method Swizzle：主要用于OC方法，利用OC的Runtime特性，动态改变SEL（方法编号）和IMP（方法实现）的对应关系，达到OC方法调用流程改变的目的

fishhook：Facebook提供的一个动态修改链接MachO文件的工具。利用MachO文件加载原理，通过修改懒加载和非懒加载两个表的指针，达到对C函数进行HOOK的目的

Cydia Substrate：原名为Mobile Substrate，它的主要作用是针对OC方法、C函数以及函数地址进行HOOK操作。当然它并不是仅仅针对iOS而设计的，安卓一样可以使用。官方地址

Method Swizzle

利用OC的Runtime特性，动态改变SEL（方法编号）和IMP（方法实现）的对应关系，达到OC方法调用流程改变的目的。主要用于OC方法。

在OC中，SEL和IMP之间的关系，就好像一本书的“目录”

SEL是方法编号，就像“标题”一样

IMP是方法实现的真实地址，就像“页码”一样

它们是一一对应的关系

Runtime提供了交换两个SEL和IMP对应关系的函数
OBJC_EXPORT void
method_exchangeImplementations(Method _Nonnull m1, Method _Nonnull m2) 
   OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);
通过这个函数交换两个SEL和IMP对应关系的技术，我们称之为Method Swizzle（方法欺骗）

多种HOOK方式

class_addMethod方式：让原始方法可以被调用，不至于因为找不到SEL而崩溃

class_replaceMethod方式：直接给原始的方法替换IMP

method_setImplementation方式：直接重新赋值新的IMP

Cydia Substrate

MobileHooker

顾名思义用于HOOK。它定义一系列的宏和函数，底层调用objc的runtime和fishhook来替换系统或者目标应用的函数

其中有两个函数：

MSHookMessageEx：主要作用于Objective-C方法
void MSHookMessageEx(Class class, SEL selector, IMP replacement, IMP result) 
MSHookFunction：主要作用于C和C++函数，Logos语法的%hook就是对以下函数做了一层封装
void MSHookFunction(void function, void* replacement, void** p_original)

MobileLoader

MobileLoader用于加载第三方dylib在运行的应用程序中。启动时MobileLoader会根据规则把指定目录的第三方的动态库加载进去，第三方的动态库也就是我们写的破解程序

safe mode

破解程序本质是dylib，寄生在别人进程里。系统进程一旦出错，可能导致整个进程崩溃，崩溃后就会造成iOS瘫痪。所以Cydia Substrate引入了安全模式，在安全模式下所有基于Cydia Substratede的三方dylib都会被禁用，便于查错与修复

fishHook

获取代码
git clone https://github.com/facebook/fishhook.git
关键函数
FISHHOOK_VISIBILITY
int rebind_symbols(struct rebinding rebindings[], size_t rebindings_nel);
rebindings：存放rebinding结构体的数组，可以同时交换多个函数

rebindings_nel：数组的长度

rebinding结构体
struct rebinding {
 const char *name;
 void *replacement;
 void **replaced;
};
name：需要HOOK的函数名称，C字符串

replacement：新函数的地址

replaced：原始函数地址的指针

案例1：

HOOK系统NSLog函数

打开ViewController.m文件，定义新函数
void my_NSLog(NSString *format, ...) {    
   format = [format stringByAppendingString:@"~~~🍺🍺🍺🍺🍺"];
   sys_NSLog(format);
}
定义函数指针，用于保存NSLog系统函数地址
static void (*sys_NSLog)(NSString *format, ...);
viewDidLoad方法中，写入以下代码：
- (void)viewDidLoad {
   [super viewDidLoad];

   struct rebinding reb;
   reb.name="NSLog";
   reb.replacement=my_NSLog;
   reb.replaced=(void *)&sys_NSLog;
   
   struct rebinding rebs[] = { reb };
   rebind_symbols(rebs, 1);
}
添加touchesBegan方法
-(void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event {
   NSLog(@"hahaha");
}
真机运行项目，点击屏幕，输出以下内容：
fishhookDemo[2072:399007] hahaha~~~🍺🍺🍺🍺🍺

fishHook可以HOOK我们的C函数，但是我们知道函数是静态的，也就是说在编译的时候，编译器就知道了它的实现地址，这也是为什么C函数只写函数声明调用时会报错。那么为什么fishHook还能够改变C函数的调用呢？难道函数也有动态的特性存在？

案例2：

HOOK自定义函数

打开ViewController.m文件，定义自定义函数
void test(NSString *format, ...){
   NSLog(@"hahaha");
}
定义新函数
void my_test(NSString *format, ...){
   format = [format stringByAppendingString:@"~~~🍺🍺🍺🍺🍺"];
   sys_test(format);
}
定义函数指针，用于保存test自定义函数地址
static void (*sys_test)(NSString *format, ...);
viewDidLoad方法中，写入以下代码：
- (void)viewDidLoad {
   [super viewDidLoad];

   struct rebinding reb;
   reb.name="test";
   reb.replacement=my_test;
   reb.replaced=(void *)&sys_test;
   
   struct rebinding rebs[] = { reb };
   rebind_symbols(rebs, 1);
}
添加touchesBegan方法
-(void)touchesBegan:(NSSet<UITouch *> *)touches withEvent:(UIEvent *)event {
   test(@"hahaha");
}
真机运行项目，点击屏幕，输出以下内容：
fishhookDemo[2117:410009] hahaha
在案例2中，HOOK自定义test函数并没有效果。NSLog是系统函数，而test是当前MachO中的函数，它们之间有什么区别？

fishHook原理探究

一般来说，静态语言通过地址直接访问，例如案例2中的test函数。但对于NSLog系统函数来说，它属于外部调用函数，编译时并不能找到它的真实地址

NSLog存储在Fundation框架中，App运行在不同系统版本的不同设备上，每个设备中NSLog的函数地址都各不相同

再有，当App启动时，会涉及ASLR（地址空间配置随机加载），导致程序运行它的虚拟内存地址都不一样

这些原因，都会造成外部函数的真实地址，在编译时期是无法确定的

那外部函数是如何被调用的？

当App启动时，dyld读取主程序MachO文件，会加载共享缓存中的系统库，将用到的函数真实地址告诉MachO

对于MachO中的代码段来说，它是只读的。在运行时，无法直接修改外部函数的真实地址

对于上述情况，苹果采用PIC技术（位置独立代码），在MachO调用外部函数时，在可读可写的数据段，定义符号，占8字节，用来存放外部函数的地址。编译时，暂存占位地址。运行时，dyld将符号绑定真实函数地址。对于代码段来说，并没有任何改变

故此，外部调用函数，并不是直接地址访问，而是通过符号找到地址。这跟OC中SEL与IMP的对应关系非常相似。这种机制，可以让开发者动态HOOK外部调用函数

在OC中动态改变SEL与IMP的对应关系，对于外部调用函数，动态改变的是符号和地址的对应关系，上述操作称为：符号表重绑定

案例1

查看NSLog加载前的占位地址

查看MachO文件

NSLog函数，存储在懒加载符号表中。dyld加载MachO时，绑定非懒加载符号和弱引用符号，而懒加载符号，则是在首次使用时动态绑定

打开ViewController.m文件，修改viewDidLoad代码
- (void)viewDidLoad {
   [super viewDidLoad];
   
   NSLog(@"begin");

   struct rebinding reb;
   reb.name="NSLog";
   reb.replacement=my_NSLog;
   reb.replaced=(void *)&sys_NSLog;

   struct rebinding rebs[] = { reb };
   rebind_symbols(rebs, 1);
   
   NSLog(@"end");
}
在begin和end设置两处断点，真机运行项目

使用image list命令，找到程序虚拟内存的首地址

首地址：0x102c48000

ASLR：0x2c48000

查看NSLog在MachO中的偏移地址和占位地址

偏移地址：0xC000

占位地址：0x1000064C0

在lldb中，使用程序首地址 + 偏移地址，找到NSLog加载前的占位地址

在lldb中，获取的NSLog占位地址为0x102c4e4c0，和MachO中看到的0x1000064C0并不一样

因为MachO中的占位地址，还要加上程序启动时的ASLR随机偏移地址

占位地址 + ASLR = 0x102c4e4c0，和lldb中读取出的地址一致

案例2

查看NSLog加载后的真实地址

承接案例1，断点向下执行

在lldb中，使用程序首地址 + 偏移地址，找到NSLog加载后的真实地址

之前的占位地址0x102c4e4c0，被真实地址0x19d9327f0替换

使用dis -s 0x19d9327f0命令，读取地址中的代码
dis -s 0x000000019d9327f0
-------------------------
Foundation`NSLog:
   0x19d9327f0 <+0>:  sub    sp, sp, #0x20             ; =0x20 
   0x19d9327f4 <+4>:  stp    x29, x30, [sp, #0x10]
   0x19d9327f8 <+8>:  add    x29, sp, #0x10            ; =0x10 
   0x19d9327fc <+12>: adrp   x8, 311278
   0x19d932800 <+16>: ldr    x8, [x8, #0xb70]
   0x19d932804 <+20>: ldr    x8, [x8]
   0x19d932808 <+24>: str    x8, [sp, #0x8]
   0x19d93280c <+28>: add    x8, x29, #0x10            ; =0x10 
指向NSLog代码

案例3

查看交换后的函数地址

承接案例2，断点向下执行

在lldb中，使用程序首地址 + 偏移地址，找到NSLog交换后的函数地址

原本NSLog的真实地址为0x19d9327f0，交换后变为0x102c4d57c

使用dis -s 0x102c4d57c命令，读取地址中的代码
dis -s 0x102c4d57c
-------------------------
fishhookDemo`my_NSLog:
   0x102c4d57c <+0>:  sub    sp, sp, #0x30             ; =0x30 
   0x102c4d580 <+4>:  stp    x29, x30, [sp, #0x20]
   0x102c4d584 <+8>:  add    x29, sp, #0x20            ; =0x20 
   0x102c4d588 <+12>: sub    x8, x29, #0x8             ; =0x8 
   0x102c4d58c <+16>: mov    x9, #0x0
   0x102c4d590 <+20>: stur   x9, [x29, #-0x8]
   0x102c4d594 <+24>: str    x0, [sp, #0x10]
   0x102c4d598 <+28>: mov    x0, x8
指向my_NSLog代码

由此可见，HOOK外部的C函数，本质就是在修改符号和地址的对应关系

符号绑定的过程

Symbol Table：符号表，⽤来保存符号

String Table：字符串表，⽤来保存符号的名称

Indirect Symbol Table：间接符号表，保存使⽤的外部符号。更准确⼀点就是使⽤的外部动态库的符号。是Symbol Table的子集

代码中的函数名、变量名、方法名，在项目编译后，都会生成一张符号表。符号之间也有差别，分为内部符号和外部符号

内部符号是当前MachO中的符号，而外部符号又称为间接符号，例如：系统库、动态库中的符号

符号按可见性划分，分为全局符号和本地符号

全局符号对整个项目可见

本地符号仅对当前文件可见

案例1：

符号绑定的过程

打开ViewController.m文件，写入以下代码：
#import "ViewController.h"

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
   [super viewDidLoad];
   
   NSLog(@"第一次外部函数的调用!");
   NSLog(@"第二次外部函数的调用!");
}

@end
真机运行项目，来到viewDidLoad方法：

两次NSLog的指令都是bl 0x1022ba4d8

使用image list命令，找到程序虚拟内存的首地址

首地址：0x1022b4000

使用NSLog地址 - 首地址计算偏移地址

偏移地址：0x64d8

打开MachO文件，找到偏移地址为0x64d8的位置

处于__TEXT,__stubs中

__stubs：符号桩，本质上就是一段代码，用于跳转到懒加载符号表中，找到对应符号的值

0x64d8即是NSLog的桩

在fishHook原理探究中，多次提到跳转到占位地址，这种说法并不准确。真实的情况是，会跳转到外部符号的桩，本质上就是一段代码

案例2：

查看桩对应的代码

查看MachO文件，找到桩对应的值

1F2003D530D9025800021FD6：以二进制指令的形式存储的代码

单步调试，来到NSLog函数

使用x 0x1022ba4d8命令，读取地址中的值，以二进制形式显示

1F2003D530D9025800021FD6，和MachO中对应的指令一致

有此可见，1F2003D530D9025800021FD6对应的就是上述三句汇编代码

案例3：

三句汇编代码的含义？

断点执行到br x16指令

br指令：跳转到x16寄存器存储的地址

查看x16寄存器存储的地址，再减去ASLR偏移地址

得到地址：0x10000658c

查看MachO文件，找到0x10000658c地址

指向懒加载符号表中NSLog符号的值

三句汇编代码的含义：找到懒加载符号表中的地址去执行

案例4：

懒加载符号表中的地址，指向的代码是什么？

在MachO中，找到偏移地址0x658c，指向__TEXT,__stubs_helper中的代码

b指令，跳转到偏移地址为0x6574的位置执行代码

在MachO中，找到偏移地址为0x6574的位置

x16寄存器，偏移地址为0x8000

br指令，跳转到偏移地址为0x8000位置执行代码

在MachO中，找到偏移地址为0x8000的位置

处于非懒加载符号表中

执行dyld_stub_binder函数，用于符号绑定

懒加载符号表中的地址，指向寻找并执行dyld_stub_binder函数的代码

案例5：

dyld_stub_binder也是外部函数，它的地址是如何找到的？

在MachO中，可以看到dyld_stub_binder函数的偏移地址为0x8000，但全是0，说明此时还没有值

dyld_stub_binder函数，同样是外部函数，存储在非懒加载表中

当dyld加载主程序时，会绑定非懒加载符号和弱引用符号，所以dyld_stub_binder函数的值，在程序启动时被dyld直接绑定

真机运行项目，读取首地址 + 0x8000地址中的值

使用dis -s 0x19c2e6f94命令，读取地址中的代码
libdyld.dylib`dyld_stub_binder:
   0x19c2e6f94 <+0>:  stp    x29, x30, [sp, #-0x10]!
   0x19c2e6f98 <+4>:  mov    x29, sp
   0x19c2e6f9c <+8>:  sub    sp, sp, #0xf0             ; =0xf0 
   0x19c2e6fa0 <+12>: stp    x0, x1, [x29, #-0x10]
   0x19c2e6fa4 <+16>: stp    x2, x3, [x29, #-0x20]
   0x19c2e6fa8 <+20>: stp    x4, x5, [x29, #-0x30]
   0x19c2e6fac <+24>: stp    x6, x7, [x29, #-0x40]
   0x19c2e6fb0 <+28>: stp    x8, x9, [x29, #-0x50]

案例6：

NSLog函数，首次加载和非首次加载的区别

真机运行项目，首次加载NSLog函数

先找到桩里面的代码

找到懒加载符号表中的地址去执行

指向__stubs_helper中的代码

寻找并执行dyld_stub_binder函数

符号表重绑定

再次加载NSLog函数

找到桩里面的代码

找到懒加载符号表中的地址去执行

首次加载NSLog函数，懒加载符号表中的地址，因重绑定而修改

修改后的值，直接指向NSLog函数的真实地址

通过符号找到字符串

fishHook提供的rebinding结构体，其中name为需要HOOK的函数名称

作用：当找到相应的符号，再通过符号找到字符串，然后和name进行字符串比较，如果匹配成功，则替换函数指针

案例1：

通过懒加载符号表中的符号，找到间接符号表中的相同符号，再找到符号对应的值

__la_symbol_ptr懒加载符号表中的符号和顺序，跟间接符号表一致

在Dynamic Symbol Table中，找到NSLog的值

案例2：

间接符号表中NSLog的值为0xB8，转为10进制为184

184对应的是此符号在符号总表中的角标

在Symbol Table中，通过角标找到符号，再找到String Table Index的值

案例3：

符号表中NSLog的String Table Index值为0xCE，表示在字符串表中的偏移地址

在String Table中，找到首地址

首地址：0x11230

通过首地址 + 偏移值 = 0x112FE，找到对应字符串

_是函数的开始，.是分隔符。5F从_开始，往后读取_NSLog，遇到分隔符结束

总结

HOOK

钩子，改变程序执行流程的一种技术

Method Swizzle
利用OC运行时的特性，修改SEL和IMP的对应关系，达到对OC方法HOOK的目的

IMP，本质上是函数指针

method_exchangeImplementations：交互两个IMP

class_replaceMethod：替换某个SEL的IMP，如果没有该方法，使用class_addMethod添加

method_getImplementation、method_setImplementation：获取和设置某个方法的IMP，很多三方框架都使用这种方式

fishHook

Facebook提供的一个工具，利用MachO文件的加载原理，动态修改懒加载和非懒加载两张符号表

可以HOOK系统函数，但是无法HOOK自定义函数

fishHook原理解析

共享缓存：iOS系统有一块特殊的位置，存放公用动态库。即：动态库共享缓存（dyld shared cache）

PIC技术：由于外部函数调用，在编译时期无法确定内存地址。苹果采用PIC技术（位置独立代码），在MachO文件的DATA段，建立懒加载和非懒加载两张符号表，里面存放执行外部函数的指针

符号绑定过程

外部函数调用，先找到桩里面的代码，__TEXT,__stubs

找到懒加载符号表中的地址去执行

外部函数，首次加载

懒加载符号表中的地址，指向__TEXT,__stubs_helper中的代码

通过代码寻找并执行dyld_stub_binder函数

作用：符号表重绑定

外部函数，非首次加载

懒加载符号表中的地址，因重绑定而修改

修改后的值，直接指向外部函数的真实地址

dyld_stub_binder函数

存储在非懒加载符号表中

当dyld加载主程序时，符号被dyld直接绑定

通过符号找到字符串

fishHook利用Lazy Symbol Table→Indirect Symbol Table→Symbol Table→String Table，通过重绑定修改指针的值达到HOOK目的

iOS逆向实战--018：HOOK原理

HOOK概述

Method Swizzle

Cydia Substrate

fishHook

fishHook原理探究

符号绑定的过程

通过符号找到字符串

总结

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