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TaintDroid剖析之DVM變量級污點跟蹤(下篇)
作者：簡行、走位@阿裡聚安全
在上一章節中我們詳細分析了TaintDroid對DVM方法參數和方法變量的變量級污點跟蹤機制，現在我們將繼續分析TaintDroid對類的靜態域、實例域以及數組的污點跟蹤。
由於DVM師從JVM，所以DVM中所有類的祖先也是Object類，該類定義在dalvik/vm/oo/Object.h中。其實不僅僅是Object類，DVM所有的基本類都定義在Object.h文件中。
眾所周知，Object類共分三種類型：
1）Class Objects，它是java.lang.Class的實例，此類object的公共基類是ClassObject；
2）Array Objects，由new Array指令創建，此類object的公共基類是ArrayObject；
3）Data Objects，除了上面兩種Object之外的所有object，公共基類是DataObject。
這裡有一個特例需要注意，那就是String Objects！String Objects當前等同於Data Objects，但鑒於該類在DVM中大量使用，因此DVM單獨定義了一個類StringObject，它直接繼承至Object。
了解了類的數據結構，再去分析TaintDroid對類的靜態域、實例域和數組的污點跟蹤就不會覺得無從下手了。
要想實現對類的實例域和靜態域的污點跟蹤，最簡單粗暴的方式就是對類中相關的數據結構進行修改。TaintDroid就是這麼做的。
1)首先，修改了ClassObject::Object:
struct ClassObject : Object {
/* leave space for instance data; we could access fields directly if we freeze the definition of java/lang/Class */
#ifdef WITH_TAINT_TRACKING
// x2 space for interleaved taint tags
u4 instanceData[CLASS_FIELD_SLOTS*2];
#else
u4 instanceData[CLASS_FIELD_SLOTS];
#endif /*WITH_TAINT_TRACKING*/
TaintDroid將其中的u4 instanceData[CLASS_FILED_SLOTS]改為u4 instanceData[CLASS_FILED_SLOTS * 2]。這裡CLASS_FILED_SLOTS默認為4。倍增的空間用於交叉存儲各個實例域的污點。聯想到類的實例域有兩種類型：1）諸如int之類的基本類型；2）類對象的引用。所以我們可以知道，TaintDroid為每個引用也分配了一個tag，用於表示該引用的污點信息。充分理解這一點，對我們後續分析復雜污點傳播邏輯很有幫助。
2)其次，修改了靜態域StaticField:Field:
struct StaticField : Field {
JValue value; /* initially set from DEX for primitives */
#ifdef WITH_TAINT_TRACKING
Taint taint;
#endif
};
在JValue之後添加了Taint tiant成員。Taint成員定義在vm/interp/Taint.h文件中定義如下：
typedef struct Taint{ u4 tag}Taint;
通過這樣的修改，再對涉及到操作這些數據結構的方法進行修復就能實現類的實例域和靜態域的污點跟蹤了。這裡以computeFieldOffsets函數為例，此函數定義在dalvik/vm/oo/Class.cpp中，由於代碼較多，僅截取部分修復相關部分：
……
if (clazz->super != NULL)
fieldOffset = clazz->super->objectSize;
else
fieldOffset = OFFSETOF_MEMBER(DataObject, instanceData);
……
/*Start by moving all reference fields to the front */
for (i = 0; i < clazz->ifieldCount; i++) {
InstField* pField = &clazz->ifields[i];
char c = pField->signature[0];
if (c != '[' && c != 'L') {
while (j > i) {
InstField* refField = &clazz->ifields[j--];
char rc = refField->signature[0];
if (rc == '[' || rc == 'L'] {
swapField(pField, refField);
c = rc;
clazz->ifieldRefCount++;
break;
}
}
/* We may or may not have swapped a field.*/
} else {
/* This is a reference field.*/
clazz->ifieldRefCount++;
}
/*If we've hit the end of the reference fields, break.*/
if (c != '[' && c != 'L')
break;
pField->byteOffset = fieldOffset;
#ifdef WITH_TAINT_TRACKING
fieldOffset += sizeof(u4) + sizeof(u4); /* interleaved tag */
#else
fieldOffset += sizeof(u4);
#endif
LOGVV(" --- offset1 '%s'=%d", pField->name,pField->byteOffset);
}
……
/* Alignment is good, shuffle any double-wide fields forward, and finish assigning field offsets to all fields.*/
for ( ; i < clazz->ifieldCount; i++) {
InstField* pField = &clazz->ifields[i];
char c = pField->signature[0];
if (c != 'D' && c != 'J') {
while (j > i) {
InstField* doubleField = &clazz->ifields[j--];
char rc = doubleField->signature[0];
if (rc == 'D' || rc == 'J') {
swapField(pField, doubleField);
c = rc;
break;
}
}
} else {
}
pField->byteOffset = fieldOffset;
#ifdef WITH_TAINT_TRACKING
fieldOffset += sizeof(u4) + sizeof(u4); /* room for tag */
if (c == 'J' || c == 'D')
fieldOffset += sizeof(u4) + sizeof(u4); /* keep 64-bit aligned */
#else
fieldOffset += sizeof(u4);
if (c == 'J' || c == 'D')
fieldOffset += sizeof(u4);
#endif /* ndef WITH_TAINT_TRACKING */
}
顯然，在計算類中各個實例域的偏移值的時候,由於TaintDroid對實例域的空間進行了倍增(交叉存儲污點)，所以這裡應該加上2*sizeof(u4)。另外需要注意的是對於Double和Long類型的數據，要加上4*sizeof(u4)!
至此類的實例域和靜態域的污點跟蹤分析完畢，下一步輪到數組了。
3)對數組對象ArrayObject:Object的修改：
struct ArrayObject : Object {
/* number of elements; immutable after init */
u4 length;
#ifdef WITH_TAINT_TRACKING
Taint taint;
#endif
u8 contents[1];
};
在length成員之後添加Taint tiant成員。之所以這樣做，是因為出於性能的考慮：如果數組中每個成員都存儲一個tag的話，對性能的影響就太大了，所以TaintDroid對每個ArrayObject對象只分配一個tag。
同樣的，修改了ArrayObject的結構體，就必須同步修改涉及到對ArrayObject進行操作的函數。這裡以oo/Array.cpp中的allocArray函數為例：
static ArrayObject* allocArray(ClassObject* arrayClass, size_t length,
size_t elemWidth, int allocFlags)
{
……
ArrayObject* newArray = (ArrayObject*)dvmMalloc(totalSize, allocFlags);
if (newArray != NULL) {
DVM_OBJECT_INIT(newArray, arrayClass);
newArray->length = length;
#ifdef WITH_TAINT_TRACKING
newArray->taint.tag = TAINT_CLEAR;
#endif
dvmTrackAllocation(arrayClass, totalSize);
}
}
在分配一個新的數組的時候，TaintDroid將它的taint成員賦值為TAINT_CLEAR(即清空污點信息)。
4)特殊類StringObject的結構分析。它的結構體如下：
struct StringObject : Object {
/* variable #of u4 slots; u8 uses 2 slots */
u4 instanceData[1];
/** Returns this string's length in characters. */
int length() const;
/**
* Returns this string's length in bytes when encoded as modified UTF-8.
* Does not include a terminating NUL byte.
*/
int utfLength() const;
/** Returns this string's char[] as an ArrayObject. */
ArrayObject* array() const;
/** Returns this string's char[] as a u2*. */
const u2* chars() const;
};
由於StringObject提供了一個方法array()，此方法返回一個ArrayObject型指針，所以在獲取和設置StringObject的污點信息的時候，需要通過StringObject.array()->taint.tag進行操作。
在前一章節中，我們分析了兩參數相加的DVM opcode(OP_ADD_INT_2ADDR)，這是因為我們當時對類的靜態域、實例域以及數組的污點存儲並不熟悉，所以也就僅僅能捏一捏這類軟柿子而已，現在我們挑戰一下更高難度的數組操作相關的opcode——OP_AGET_OBJECT(即aget-obj)。該opcode的匯編實現在dalvik/vm/mterp/armv*te_taint/OP_AGET_OBJECT.S文件中：
%verify "executed"
%include "armv5te_taint/OP_AGET.S"
轉到OP_AGET.S：
%default { "load":"ldr", "shift":"2" } //表示移位基准為2位，即乘以4
%verify "executed"
/*
* Array get, 32 bits or less. vAA <- vBB[vCC].
*
* Note: using the usual FETCH/and/shift stuff, this fits in exactly 17
* instructions. We use a pair of FETCH_Bs instead.
*
* for: aget, aget-object, aget-boolean, aget-byte, aget-char, aget-short
*/
/* op vAA, vBB, vCC */
FETCH_B(r2, 1, 0) @ r2<- BB
mov r9, rINST, lsr #8 @ r9<- AA
FETCH_B(r3, 1, 1) @ r3<- CC
GET_VREG(r0, r2) @ r0<- vBB (array object)
GET_VREG(r1, r3) @ r1<- vCC (requested index)
cmp r0, #0 @ null array object?
beq common_errNullObject @ yes, bail
// begin WITH_TAINT_TRACKING
bl .L${opcode}_taint_prop_1
// end WITH_TAINT_TRACKING
ldr r3, [r0, #offArrayObject_length] @ r3<- arrayObj->length
add r0, r0, r1, lsl #$shift @ r0<- arrayObj + index*width
cmp r1, r3 @ compare unsigned index, length
// begin WITH_TAINT_TRACKING
// bcs common_errArrayIndex @ index >= length, bail // in subroutine
// FETCH_ADVANCE_INST(2) @ advance rPC, load rINST // in subroutine
bl .L${opcode}_taint_prop_2
// end WITH_TAINT_TRACKING
$load r2, [r0, #offArrayObject_contents] @ r2<- vBB[vCC]
GET_INST_OPCODE(ip) @ extract opcode from rINST
SET_VREG(r2, r9) @ vAA<- r2
GOTO_OPCODE(ip) @ jump to next instruction
%break
.L${opcode}_taint_prop_1:
ldr r2, [r0, #offArrayObject_taint] @獲取數組對象vBB的taint，賦給r2
SET_TAINT_FP(r10)
GET_VREG_TAINT(r3, r3, r10) @獲取索引數據vCC的taint，賦給r3
orr r2, r3, r2 @ r2<- r2 | r1
bx lr
.L${opcode}_taint_prop_2:
bcs common_errArrayIndex @ index >= length, bail
FETCH_ADVANCE_INST(2) @ advance rPC, load rINST
SET_TAINT_FP(r3)
SET_VREG_TAINT(r2, r9, r3) @將r2(即此時的污點信息)賦值給vAA的taint tag
bx lr
顯然重點在*_taint_prop_1和*_taint_prop_2兩個代碼段。簡要概括它們的功能：
1）taint_prop_1首先取得數組對象vBB的taint。注意這裡offArrayObject_taint定義在dalvik/vm/common/asm-constants.h中：
#ifdef WITH_TAINT_TRACKING
MTERP_OFFSET(offArrayObject_taint, ArrayObject, taint, 12) //結合ArrayObject數據結構，不難理解此代碼
#endif
MTERP_OFFSET宏的定義如下：
# define MTERP_OFFSET(_name, _type, _field, _offset) \
if (OFFSETOF_MEMBER(_type, _field) != _offset) { \
ALOGE("Bad asm offset %s (%d), should be %d", \
#_name, _offset, OFFSETOF_MEMBER(_type, _field)); \
failed = true; \
}
獲取了vBB的taint tag之後，再獲取索引vCC的taint tag，然後將兩者相或，最終結果賦給r2寄存器；
2）taint_prop_2再將此時的r2寄存器中的tag信息賦值給vAA的taint tag。這樣就完成了aget-object的污點傳播了。
至此整個DVM的變量級污點跟蹤機制我們都已經分析完畢，下一步就是分析Native層的方法級污點跟蹤，這裡給各位讀者預留一個問題：為什麼在DVM中可以實現變量街污點跟蹤，但是native層卻只能實現方法級污點跟蹤呢？
作者：簡行、走位@阿裡聚安全，更多技術文章，請訪問阿裡聚安全博客
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