【Android】深入Binder拦截

随笔6个月前发布诺顿电子商务

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基于底层动态拦截技术，实现对Android平台下应用进程Binder通信协议的动态分析和拦截。

项目已开源：
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说明

Binder作为Android系统跨进程通信的核心机制。网上也有很多深度讲解该机制的文章，如：

Android跨进程通信详解Binder机制原理
Android系统核心机制Binder【系列】

这些文章和系统源码可以很好帮助我们理解Binder的实现原理和设计理念，为拦截做准备。借助Binder拦截可以我们可以扩展出那些能力呢：

虚拟化的能力，多年前就出现的应用免安装运行类产品如：VirtualApp/DroidPlugin/平行空间/双开大师/应用分身等。
测试验证的能力，通常为Framework层功能开发。
检测第三方SDK或模块系统服务调用访问情况（特别是敏感API调用）。
逆向分析应用底层服务接口调用实现。
第三方ROM扩展Framework服务。

现有方案

一直以来实时分析和拦截进程的Binder通信是通过Java层的AIDL接口代理来实现的。借助于Android系统Binder服务接口设计的规范，上层的接口均继承于IBinder。

如一下为代理目标对象的所有的接口API的方法：

import java.lang.reflect.InvocationHandler;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.lang.reflect.Proxy;

private static void getInterface(Class<?> cls, final HashSet<Class<?>> ss) {
    Class<?>[] ii;
    do {
        ii = cls.getInterfaces();
        for (final Class<?> i : ii) {
            if (ss.add(i)) {
                getInterface(i, ss);
            }
        }
        cls = cls.getSuperclass();
    } while (cls != null);
}

private static Class<?>[] getInterfaces(Class<?> cls) {
    final HashSet<Class<?>> ss = new LinkedHashSet<Class<?>>();
    getInterface(cls, ss);
    if (0 < ss.size()) {
        return ss.toArray(new Class<?>[ss.size()]);
    }
    return null;
}

public static Object createProxy(Object org, InvocationHandler cb) {
    try {
        Class<?> cls = org.getClass();
        Class<?>[] cc = getInterfaces(cls);
        return Proxy.newProxyInstance(cls.getClassLoader(), cc, cb);
    } catch (Throwable e) {
        Logger.e(e);
    } finally {
        // TODO release fix proxy name
    }
    return null;
}

1、对于已经生成的Binder服务对象，在应用进程可参与实现逻辑之前就已经缓存了，我们需要找到并且进行替换（AMS、PMS、WMS等），如AMS在Android 8.0之后的缓存如下：

// source code: http://aospxref.com/android-9.0.0_r61/xref/frameworks/base/core/java/android/app/ActivityManager.java
package android.app;

public class ActivityManager {

    public static IActivityManager getService() {
        return IActivityManagerSingleton.get();
    }

    private static final Singleton<IActivityManager> IActivityManagerSingleton =
            new Singleton<IActivityManager>() {
                @Override
                protected IActivityManager create() {
                    final IBinder b = ServiceManager.getService(Context.ACTIVITY_SERVICE);
                    final IActivityManager am = IActivityManager.Stub.asInterface(b);
                    return am;
                }
            };
}

因此我们需要找到并且替换它，如：

Object obj;
if (Build.VERSION.SDK_INT < 26) {// <= 7.0
    obj = ReflectUtils.getStaticFieldValue("android.app.ActivityManagerNative", "gDefault");
} else {// 8.0 <=
    obj = ReflectUtils.getStaticFieldValue("android.app.ActivityManager", "IActivityManagerSingleton");
}
Object inst = ReflectUtils.getFieldValue(obj, "mInstance");
ReflectUtils.setFieldValue(obj, "mInstance", createProxy(inst));

2、对于后续运行过程中才获取的Binder服务，则需要代理ServiceManager，源码如下：

// source code: http://aospxref.com/android-9.0.0_r61/xref/frameworks/base/core/java/android/os/ServiceManager.java
package android.os;

public final class ServiceManager {
    private static final String TAG = "ServiceManager";

    private static IServiceManager sServiceManager;
}

因此我们的代理如下：

Class<?> cls = ReflectUtils.findClass("android.os.ServiceManager");
Object org = ReflectUtils.getStaticFieldValue(cls, "sServiceManager");
Object pxy = new createProxy(org);
if (null != pxy) {
    ReflectUtils.setStaticFieldValue(getGlobalClass(), "sServiceManager", pxy);
}

这样每次在第一次访问该服务时，就会调用IServiceManager中的getService的方法，而该方法已经被我们代理拦截，我们可以通过参数可以识别当前获取的是哪个服务，然后将获取的服务对象代理后在继续返回即可。

但是：这样的方案并不能拦截进程中所有的Binder服务。我们面临几大问题：

首先，Android源码越来越庞大，了解所有的服务工作量很大，因此有哪些服务已经被缓存排查非常困难。
其次，厂商越来越钟情于扩展自定义服务，这些服务不开源，识别和适配更加耗时。

再次，有一部分服务只有native实现，并不能通过Java层的接口代理进行拦截（如：Sensor/Audio/Video/Camera服务等）。

// source code: http://aospxref.com/android-13.0.0_r3/xref/frameworks/av/camera/ICamera.cpp

class BpCamera: public BpInterface<ICamera>
{
public:
    explicit BpCamera(const sp<IBinder>& impl)
        : BpInterface<ICamera>(impl)
    {
    }
  
    // start recording mode, must call setPreviewTarget first
    status_t startRecording()
    {
        ALOGV("startRecording");
        Parcel data, reply;
        data.writeInterfaceToken(ICamera::getInterfaceDescriptor());
        remote()->transact(START_RECORDING, data, &reply);
        return reply.readInt32();
    }
}

新方案：基于底层拦截

原理

我们都知道Binder在应用进程运行原理如下图：

【Android】深入Binder拦截

不管是Java层还是native层的接口调用，最后都会通过ioctl函数访问共享内存空间，达到跨进程访问数据交换的目的。因此我们只要拦截ioctl函数，即可完成对所有Binder通信数据的拦截。底层拦截有以下优势：

1）可以拦截所有的Binder通信。

2）底层拦截稳定，高兼容性。从Android 4.x至Android 14，近10年的系统版本演进，涉及到Binder底层通信适配仅两次；一次是支持64位进程（当时需要同时兼容32位和64位进程访问Binder服务）。另一次是华为鸿蒙系统的诞生，华为ROM在Binder通信协议中增加了新的标识字段。

要解决的问题

如何拦截

C/C++层的函数拦截，并不像Java层一样系统提供了较为稳定的代理工具，在这里不是我们本期讨论的重点，可以直接采用网上开源的Hook框架：

https://github.com/bytedance/android-inline-hook
https://github.com/bytedance/bhook
https://github.com/asLody/whale

如何过滤

ioctl函数为系统底层设备访问函数，调用及其频繁，而Binder通信调用只是其中调用者之一，因此需要快速识别非Binder通信调用，不影响程序性能。

函数定义：

#include <sys/ioctl.h>

int ioctl(int fildes, unsigned long request, ...);

request的参数定义：

// source code: http://aospxref.com/android-14.0.0_r2/xref/bionic/libc/kernel/uapi/linux/android/binder.h
#define BINDER_WRITE_READ _IOWR('b', 1, struct binder_write_read)
#define BINDER_SET_IDLE_TIMEOUT _IOW('b', 3, __s64)
#define BINDER_SET_MAX_THREADS _IOW('b', 5, __u32)
#define BINDER_SET_IDLE_PRIORITY _IOW('b', 6, __s32)
#define BINDER_SET_CONTEXT_MGR _IOW('b', 7, __s32)
#define BINDER_THREAD_EXIT _IOW('b', 8, __s32)
#define BINDER_VERSION _IOWR('b', 9, struct binder_version)
#define BINDER_GET_NODE_DEBUG_INFO _IOWR('b', 11, struct binder_node_debug_info)
#define BINDER_GET_NODE_INFO_FOR_REF _IOWR('b', 12, struct binder_node_info_for_ref)
#define BINDER_SET_CONTEXT_MGR_EXT _IOW('b', 13, struct flat_binder_object)
#define BINDER_FREEZE _IOW('b', 14, struct binder_freeze_info)
#define BINDER_GET_FROZEN_INFO _IOWR('b', 15, struct binder_frozen_status_info)
#define BINDER_ENABLE_ONEWAY_SPAM_DETECTION _IOW('b', 16, __u32)
#define BINDER_GET_EXTENDED_ERROR _IOWR('b', 17, struct binder_extended_error)

对应的源码：

// source code: http://aospxref.com/android-14.0.0_r2/xref/frameworks/native/libs/binder/IPCThreadState.cpp
void IPCThreadState::threadDestructor(void *st) {
    ioctl(self->mProcess->mDriverFD, BINDER_THREAD_EXIT, 0);
}

status_t IPCThreadState::getProcessFreezeInfo(pid_t pid, uint32_t *sync_received, uint32_t *async_received) {
    return ioctl(self()->mProcess->mDriverFD, BINDER_GET_FROZEN_INFO, &info);
}

status_t IPCThreadState::freeze(pid_t pid, bool enable, uint32_t timeout_ms) {
    return ioctl(self()->mProcess->mDriverFD, BINDER_FREEZE, &info) < 0);
}

void IPCThreadState::logExtendedError() {
    ioctl(self()->mProcess->mDriverFD, BINDER_GET_EXTENDED_ERROR, &ee) < 0);
}

status_t IPCThreadState::talkWithDriver(bool doReceive) {
    // 实际Binder调用通信
    return ioctl(mProcess->mDriverFD, BINDER_WRITE_READ, &bwr);
}

快速过滤：

static int ioctl_hook(int fd, int cmd, void* arg) {
    if (cmd != BINDER_WRITE_READ || !arg || g_ioctl_disabled) {
        return g_ioctl_func(fd, cmd, arg);
    }
}

如何解析

目标源码：http://aospxref.com/android-14.0.0_r2/xref/frameworks/native/libs/binder

重点解析发送（即BC_TRANSACTION和BC_REPLY）和接收（即BR_TRANSACTION和BR_REPLY）的类型数据。

如何修改数据

修改数据分为以下几种：

1）修复调用时参数数据。

2）修复调用后返回的结果数据。

如果数据修复不改变当前数据的长度，只是内容的变化，则可以直接通过地址进行修改。否则需要创建新的内存进行修改后将新的数据地址设置到BINDER_WRITE_READ结构的buffer成员。此时处理好内存的释放问题。

3）直接拦截本次调用。

为了保障稳定性，不打断Binder的调用流程（通常这也是拦截和逆向方案保障稳定的最重要原则之一）。我们可以将目标函数code修改成父类处理的通用方法，然后通过修复调用的返回值即可完成拦截。

方案实现

数据解析

Binder调用数据结构如下：

【Android】深入Binder拦截

解析`bwr`

bwr即binder_write_read，从源码中了解到ioctl的BINDER_WRITE_READ类型的arg数据结构为：

struct binder_write_read {
  // 调用时传入的数据
    binder_size_t write_size;// call data
    binder_size_t write_consumed;// call data
    binder_uintptr_t write_buffer;// call data
  
    // 结果返回数据
    binder_size_t read_size;// recv data
    binder_size_t read_consumed;// recv data
    binder_uintptr_t read_buffer;// recv data
};

不管是传入还是返回的数据，都是一组BC命令或BR命令，也就是说一次调用上层会打包几个命令一起传递。因此我们需要通过循环来找到我们的命令。

void binder_find_for_bc(struct binder_write_read& bwr) {
    binder_uintptr_t cmds = bwr.write_buffer;
    binder_uintptr_t end = cmds + (binder_uintptr_t)bwr.write_size;

    binder_txn_st* txn = NULL;
    while (0 < cmds && cmds < end && !txn) {
        // 由于每次Binder通信数据量的限制，Binder设计每次调用有且仅包含一个有效的参数命令，因此只要找到即可，其他类型则直接跳过忽略
        cmds = binder_parse_cmds_bc(cmds, txn);
    }
}

dump数据如下：

write_buffer:0xb400007107d1d400, write_consumed:68, write_size:68
00000000:  00 63 40 40 14 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  .c@@............
00000010:  00 00 00 00 01 00 00 00  12 00 00 00 00 00 00 00  ................
00000020:  00 00 00 00 54 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  ....T...........
00000030:  00 00 00 00 00 4d 3a ac  70 00 00 b4 00 00 00 00  .....M:.p.......
00000040:  00 00 00 00                                       ....
BR_NOOP: 0x720c
BR_TRANSACTION_COMPLETE: 0x7206
BR_REPLY: 0

解析`txn`

txn即binder_transaction_data，Binder方法调用的方法参数信息定义如下：

struct binder_transaction_data {
 union {
     __u32 handle;
     binder_uintptr_t ptr;
 } target;// 目标服务句柄，server端使用

 binder_uintptr_t cookie;// 缓存的Binder进行访问
 __u32 code;//方法编号

 __u32 flags;// 标识，如是否为 oneway
 __s32 sender_pid;
 __u32 sender_euid;
 binder_size_t data_size;// 数据长度
 binder_size_t offsets_size;// 若包含对象，则对象数据大小
  
 union {
     struct {
         binder_uintptr_t buffer;// Binder方法参数值地址
         binder_uintptr_t offsets;// Binder方法参数对象数据地址
     } ptr;
     __u8 buf[8];
 } data;
};

dumo数据如下：

Trace   : target:       1   cookie:       0   code:      23   flags:   0x12(READ REPLY)
Trace   :    pid:       0      uid:       0   size:     196    offs:8
Trace   : 00000000:  00 00 00 80 ff ff ff ff  54 53 59 53 1c 00 00 00  ........TSYS....
Trace   : 00000010:  61 00 6e 00 64 00 72 00  6f 00 69 00 64 00 2e 00  a.n.d.r.o.i.d...
Trace   : 00000020:  61 00 70 00 70 00 2e 00  49 00 41 00 63 00 74 00  a.p.p...I.A.c.t.
Trace   : 00000030:  69 00 76 00 69 00 74 00  79 00 4d 00 61 00 6e 00  i.v.i.t.y.M.a.n.
Trace   : 00000040:  61 00 67 00 65 00 72 00  00 00 00 00 85 2a 62 73  a.g.e.r......*bs
Trace   : 00000050:  13 01 00 00 00 38 dd 2a  71 00 00 b4 00 05 e9 31  .....8.*q......1
Trace   : 00000060:  71 00 00 b4 01 00 00 0c  1a 00 00 00 63 00 6f 00  q...........c.o.
Trace   : 00000070:  6d 00 2e 00 69 00 66 00  6d 00 61 00 2e 00 74 00  m...i.f.m.a...t.
Trace   : 00000080:  72 00 61 00 6e 00 73 00  65 00 63 00 2e 00 63 00  r.a.n.s.e.c...c.
Trace   : 00000090:  6f 00 6e 00 74 00 61 00  69 00 6e 00 65 00 72 00  o.n.t.a.i.n.e.r.
Trace   : 000000a0:  00 00 00 00 08 00 00 00  73 00 65 00 74 00 74 00  ........s.e.t.t.
Trace   : 000000b0:  69 00 6e 00 67 00 73 00  00 00 00 00 00 00 00 00  i.n.g.s.........
Trace   : 000000c0:  01 00 00 00                                       ....
Trace   : binder object offs:0x4c  type:0x73622a85  flags:0x113  ptr:0x2add3800  cookie:0x31e90500

解析服务名

Binder通信数据头如下，即可解析出目标服务名：

void find_server_name(const binder_txn_st* txn) {
        const int32_t* ptr = reinterpret_cast<const int32_t*>(txn->data.ptr.buffer);
    ++ ptr;// skip strict model
    if (29 <= sdkVersion()) ++ ptr;// 10.0 <=, skip flags(ff ff ff ff)
        
    int32_t nameLen = *ptr;
    const uint16_t* name16 = (const uint16_t*)(ptr+1);
}

解析方法名

Binder通信数据中标识该服务方法的参数是txn->code。AIDL定义类在编译后会为每个方法自动生成静态的方法。

如定义的Binder接口方法为：

interface IDemo {
  void test();
  void test2();
}

则编译后生成的类为：

class IDemo$Stub {
   void test();
   void test2();
   
  static final int TRANSACTION_test = 1;
  static final int TRANSACTION_test2 = 2;
}

因此我们可以通过反射的方式，找到服务名对应的类所有静态成员变量，然后找到与code值相等的成员即为此方法。

这里可能需要解决私有API的限制解除问题。

// 可直接使用工程工具类
TstClassPrinter.printStubByCodes("android.app.IActivityManager", 13, 16, 67);

日志输出如下：

【Android】深入Binder拦截

解析数据

首先需要借助数据封装类Parcel。

// souce code:
// http://aospxref.com/android-14.0.0_r2/xref/frameworks/native/include/binder/Parcel.h
// http://aospxref.com/android-14.0.0_r2/xref/frameworks/native/libs/binder/Parcel.cpp

借助该类可以解析一些比较简单的数据，快速的找到目标内容。而对于比较复杂的数据，如参数值为Intent，该参数类型嵌套了多层的Parcelable成员，因此在native层通过Parcel来解析，兼容性比较差。因此我们选择通过回调到Java层来解析，修改后再格式化为native的buffer数据。这里需要处理好Java和native层的数据交换问题，以及回收。

native层：

// 创建
jobject obtain(JNIEnv* env) {
    jclass jcls = env->FindClass("android/os/Parcel");
    jmethodID method = env->GetStaticMethodID(jcls, "obtain", "()Landroid/os/Parcel;");
    if (!method) return NULL;

    mParcelObj = env->CallStaticObjectMethod(jcls, method);
    if (!mParcelObj) return NULL;

    if (0 < mUparcel->dataSize()) {
        method = env->GetMethodID(sParcelClass, "setDataPosition", "(I)V");
        if (method) {
            unmarshall(env, mUparcel->data(), mUparcel->dataSize());
            env->CallVoidMethod(mParcelObj, method, mUparcel->dataPosition());
        }
    }

    return mParcelObj;
}

// 回收
void recycle(JNIEnv* env) {
    jclass jcls = env->FindClass("android/os/Parcel");
    jmethodID method = env->GetMethodID(jcls, "recycle", "()V");
    if (method) {
        env->CallVoidMethod(mParcelObj, method);
    }
    if (mParcelObj) {
        env->DeleteLocalRef(mParcelObj);
    }
    mParcelObj = NULL;
}

Java层：

public static void clearHttpLink(Parcel p/*IN*/, Parcel q/*OUT*/) {
    try {
        Intent ii = Intent.CREATOR.createFromParcel(pp);
        // TODO something ...
        
        // write new data
        q.appendFrom(p, p.dataPosition(), p.dataAvail());
    } catch (Throwable e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

数据拦截

Binder的数据解析和打印不会改变原数据内容，因此相对简单，如果要对数据进行修改，则相对复杂一些。修复的数据需要替换原数据，因此需要进行如下操作。

1、数据替换。

将txn中方法参数的数据指针指向新创建的数据区。


int binder_replace_txn_for_br(binder_txn_st *txn, ParcelEx* reply, binder_size_t _pos) {
    size_t size = reply->ipcDataSize();
    uint8_t* repData = (uint8_t*)malloc(size + txn->offsets_size);
    memcpy(repData, reply->data(), size);
    if (0 < txn->offsets_size) {
        binder_replace_objects(txn, repData, _pos, ((int)size) - ((int)(txn->data_size)));
    }

    txn->data.ptr.buffer = reinterpret_cast<uintptr_t>(repData);
    txn->data_size = size;
    return 0;
}

2、修正对象指针。

如果传入的参数包含Binder对象，如register方法的Observe。因此修复的数据可能导致偏移的地址前移或者后移，因此需要重新计算偏移，如：

void replaceObjects(binder_txn_st *txn, uint8_t* objData, binder_size_t _pos, int _off) {
    binder_size_t* offs = reinterpret_cast<binder_size_t*>(txn->data.ptr.offsets);
    unsigned count = txn->offsets_size / sizeof(binder_size_t);

    while (0 < count--) {
        if (0 != memcmp(objData + (int)(*offs), (uint8_t*)txn->data.ptr.buffer + (int)(*offs), sizeof(binder_size_t))) {
            *offs += _off;
        }
        ++ offs;
    }
}

3、内存释放。

需要保存原地址A和新的地址AA的映射关系到自定义的内存池中。

当Binder通信命令出现BC_FREE_BUFFER和BR_FREE_BUFFER时，则通过该命令要释放的AA地址，然后从内存池找到与之对应A的地址，并设置回去让上层继续释放，完成内存使用的闭环。

case BC_FREE_BUFFER:
{
    uintptr_t* buffPtr = (uintptr_t *)cmd;
    uintptr_t ptr = MemPool::detach(*buffPtr);
    if (__UNLIKELY(0 != ptr)) {
        *buffPtr = ptr;// set origin buffer
    }
    cmd += sizeof(uintptr_t);// move to next command
}   break;