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Android逆向之旅---SO(ELF)文件格式详解

来源：程序员人生发布时间：2016-02-29 16:56:35 阅读次数：3462次

第1、前言

从今天开始我们正式开始Android的逆向之旅，关于逆向的相干知识，想必大家都不陌生了，逆向领域是1个充满挑战和神秘的领域。作为1名Android开发者，每一个人都想去探索这个领域，由于1旦你破解了他人的内容，成绩感肯定爆棚，不过相反的是，我们不但要研究破解之道，也要研究加密之道，由于加密和破解是相生相克的。但是我们在破解的进程中可能最头疼的是native层，也就是so文件的破解。所以我们先来详细了解1下so文件的内容下面就来看看我们今天所要介绍的内容。今天我们先来介绍1下elf文件的格式，由于我们知道Android中的so文件就是elf文件，所以需要了解so文件，必须先来了解1下elf文件的格式，对如何详细了解1个elf文件，就是手动的写1个工具类来解析1个elf文件。

第2、准备资料

我们需要了解elf文件的格式，关于elf文件格式详解，网上已有很多介绍资料了。这里我也不做太多的解释了。不过有两个资料还是需要介绍1下的，由于网上的内容真的很多，很杂。这两个资料是最全的，也是最好的。我就是看这两个资料来操作的：

第1个资料是非虫大哥的经典之作：

看吧，是否是超级详细？后面我们用Java代码来解析elf文件的时候，就是依照这张图来的。但是这张图有些数据结构解释的还不是很清楚，所以第2个资料来了。

第2个资料：北京大学实验室出的标准版

http://download.csdn.net/detail/jiangwei0910410003/9204051

这里就不对这个文件做详细解释了，后面在做解析工作的时候，会截图说明。

关于上面的这两个资料，这里还是多数两句：1定要仔细认真的浏览。这个是经典之作。也是后面工作的基础。

第3、工具

固然这里还需要介绍1个工具，由于这个工具在我们下面解析elf文件的时候，也非常有用，而且是检查我们解析elf文件的模板。

就是很出名的：readelf命令

不过Window下这个命令不能用，由于这个命令是Linux的，所以我们还得做个工作就是安装Cygwin。关于这个工具的安装，大家可以看看这篇文章：

http://blog.csdn.net/jiangwei0910410003/article/details/17710243

不过在下载的进程中，我担心小朋友们会遇到挫折，所以很贴心的，放到的云盘里面：

http://pan.baidu.com/s/1C1Zci

下载下来以后，需要改1个东西才能用：

该1下这个文件：

这个路径要改成你本地cygwin64中的bin目录的路径，不然运行毛病的。改好以后，直接运行Cygwin.bat就能够了。

关于readelf工具我们这里不做太详细的介绍，只介绍我们要用到的命令：

1、readelf -h xxx.so

查看so文件的头部信息

2、readelf -S xxx.so

查看so文件的段(Section)头的信息

3、readelf -l xxx.so

查看so文件的程序段头信息(Program)

4、readelf -a xxx.so

查看so文件的全部内容

还有很多命令用法，这里就不在细说了，网上有很多介绍的~~

第4、实际操作解析Elf文件(Java代码&C++代码)

上面我们介绍了elf文件格式资料，elf文件的工具，那末下面我们就来实际操作1下，来用Java代码手把手的解析1个libhello-jni.so文件。关于这个libhello-jni.so文件的下载地址：

http://download.csdn.net/detail/jiangwei0910410003/9204087

1、首先定义elf文件中各个结构体内容

这个我们需要参考elf.h这个头文件的格式了。这个文件网上也是有的，这里还是给个下载链接吧：

http://download.csdn.net/detail/jiangwei0910410003/9204081

我们看看Java中定义的elf文件的数据结构类：

package com.demo.parseso; import java.util.ArrayList; public class ElfType32 { public elf32_rel rel; public elf32_rela rela; public ArrayListsymList = new ArrayList(); public elf32_hdr hdr;//elf头部信息 public ArrayListphdrList = new ArrayList();//可能会有多个程序头 public ArrayListshdrList = new ArrayList();//可能会有多个段头 public ArrayListstrtbList = new ArrayList();//可能会有多个字符串值 public ElfType32() { rel = new elf32_rel(); rela = new elf32_rela(); hdr = new elf32_hdr(); } /** * typedef struct elf32_rel { Elf32_Addr r_offset; Elf32_Word r_info; } Elf32_Rel; * */ public class elf32_rel { public byte[] r_offset = new byte[4]; public byte[] r_info = new byte[4]; @Override public String toString(){ return "r_offset:"+Utils.bytes2HexString(r_offset)+";r_info:"+Utils.bytes2HexString(r_info); } } /** * typedef struct elf32_rela{ Elf32_Addr r_offset; Elf32_Word r_info; Elf32_Sword r_addend; } Elf32_Rela; */ public class elf32_rela{ public byte[] r_offset = new byte[4]; public byte[] r_info = new byte[4]; public byte[] r_addend = new byte[4]; @Override public String toString(){ return "r_offset:"+Utils.bytes2HexString(r_offset)+";r_info:"+Utils.bytes2HexString(r_info)+";r_addend:"+Utils.bytes2HexString(r_info); } } /** * typedef struct elf32_sym{ Elf32_Word st_name; Elf32_Addr st_value; Elf32_Word st_size; unsigned char st_info; unsigned char st_other; Elf32_Half st_shndx; } Elf32_Sym; */ public static class Elf32_Sym{ public byte[] st_name = new byte[4]; public byte[] st_value = new byte[4]; public byte[] st_size = new byte[4]; public byte st_info; public byte st_other; public byte[] st_shndx = new byte[2]; @Override public String toString(){ return "st_name:"+Utils.bytes2HexString(st_name) +" st_value:"+Utils.bytes2HexString(st_value) +" st_size:"+Utils.bytes2HexString(st_size) +" st_info:"+(st_info/16) +" st_other:"+(((short)st_other) & 0xF) +" st_shndx:"+Utils.bytes2HexString(st_shndx); } } public void printSymList(){ for(int i=0;i> 4) #define ELF_ST_TYPE(x) (((unsigned int) x) & 0xf) */ /** * typedef struct elf32_hdr{ unsigned char e_ident[EI_NIDENT]; Elf32_Half e_type; Elf32_Half e_machine; Elf32_Word e_version; Elf32_Addr e_entry; // Entry point Elf32_Off e_phoff; Elf32_Off e_shoff; Elf32_Word e_flags; Elf32_Half e_ehsize; Elf32_Half e_phentsize; Elf32_Half e_phnum; Elf32_Half e_shentsize; Elf32_Half e_shnum; Elf32_Half e_shstrndx; } Elf32_Ehdr; */ public class elf32_hdr{ public byte[] e_ident = new byte[16]; public byte[] e_type = new byte[2]; public byte[] e_machine = new byte[2]; public byte[] e_version = new byte[4]; public byte[] e_entry = new byte[4]; public byte[] e_phoff = new byte[4]; public byte[] e_shoff = new byte[4]; public byte[] e_flags = new byte[4]; public byte[] e_ehsize = new byte[2]; public byte[] e_phentsize = new byte[2]; public byte[] e_phnum = new byte[2]; public byte[] e_shentsize = new byte[2]; public byte[] e_shnum = new byte[2]; public byte[] e_shstrndx = new byte[2]; @Override public String toString(){ return "magic:"+ Utils.bytes2HexString(e_ident) +" e_type:"+Utils.bytes2HexString(e_type) +" e_machine:"+Utils.bytes2HexString(e_machine) +" e_version:"+Utils.bytes2HexString(e_version) +" e_entry:"+Utils.bytes2HexString(e_entry) +" e_phoff:"+Utils.bytes2HexString(e_phoff) +" e_shoff:"+Utils.bytes2HexString(e_shoff) +" e_flags:"+Utils.bytes2HexString(e_flags) +" e_ehsize:"+Utils.bytes2HexString(e_ehsize) +" e_phentsize:"+Utils.bytes2HexString(e_phentsize) +" e_phnum:"+Utils.bytes2HexString(e_phnum) +" e_shentsize:"+Utils.bytes2HexString(e_shentsize) +" e_shnum:"+Utils.bytes2HexString(e_shnum) +" e_shstrndx:"+Utils.bytes2HexString(e_shstrndx); } } /** * typedef struct elf32_phdr{ Elf32_Word p_type; Elf32_Off p_offset; Elf32_Addr p_vaddr; Elf32_Addr p_paddr; Elf32_Word p_filesz; Elf32_Word p_memsz; Elf32_Word p_flags; Elf32_Word p_align; } Elf32_Phdr; */ public static class elf32_phdr{ public byte[] p_type = new byte[4]; public byte[] p_offset = new byte[4]; public byte[] p_vaddr = new byte[4]; public byte[] p_paddr = new byte[4]; public byte[] p_filesz = new byte[4]; public byte[] p_memsz = new byte[4]; public byte[] p_flags = new byte[4]; public byte[] p_align = new byte[4]; @Override public String toString(){ return "p_type:"+ Utils.bytes2HexString(p_type) +" p_offset:"+Utils.bytes2HexString(p_offset) +" p_vaddr:"+Utils.bytes2HexString(p_vaddr) +" p_paddr:"+Utils.bytes2HexString(p_paddr) +" p_filesz:"+Utils.bytes2HexString(p_filesz) +" p_memsz:"+Utils.bytes2HexString(p_memsz) +" p_flags:"+Utils.bytes2HexString(p_flags) +" p_align:"+Utils.bytes2HexString(p_align); } } public void printPhdrList(){ for(int i=0;i这个没甚么问题，也没难度，就是在看elf.h文件中定义的数据结构的时候，要记得每一个字段的占用字节数就能够了。

有了结构定义，下面就来看看如何解析吧。

在解析之前我们需要将so文件读取到byte[]中，定义1个数据结构类型

public static ElfType32 type_32 = new ElfType32(); byte[] fileByteArys = Utils.readFile("so/libhello-jni.so"); if(fileByteArys == null){ System.out.println("read file byte failed..."); return; }

2、解析elf文件的头部信息

关于这些字段的解释，要看上面提到的那个pdf文件中的描写

这里我们介绍几个重要的字段，也是我们后面修改so文件的时候也会用到：

1)、e_phoff

这个字段是程序头(Program Header)内容在全部文件的偏移值，我们可以用这个偏移值来定位程序头的开始位置，用于解析程序头信息

2)、e_shoff

这个字段是段头(Section Header)内容在这个文件的偏移值，我们可以用这个偏移值来定位段头的开始位置，用于解析段头信息

3)、e_phnum

这个字段是程序头的个数，用于解析程序头信息

4)、e_shnum

这个字段是段头的个数，用于解析段头信息

5)、e_shstrndx

这个字段是String段在全部段列表中的索引值，这个用于后面定位String段的位置

依照上面的图我们就能够很容易的解析

/** * 解析Elf的头部信息 * @param header */ private static void parseHeader(byte[] header, int offset){ if(header == null){ System.out.println("header is null"); return; } /** * public byte[] e_ident = new byte[16]; public short e_type; public short e_machine; public int e_version; public int e_entry; public int e_phoff; public int e_shoff; public int e_flags; public short e_ehsize; public short e_phentsize; public short e_phnum; public short e_shentsize; public short e_shnum; public short e_shstrndx; */ type_32.hdr.e_ident = Utils.copyBytes(header, 0, 16);//魔数 type_32.hdr.e_type = Utils.copyBytes(header, 16, 2); type_32.hdr.e_machine = Utils.copyBytes(header, 18, 2); type_32.hdr.e_version = Utils.copyBytes(header, 20, 4); type_32.hdr.e_entry = Utils.copyBytes(header, 24, 4); type_32.hdr.e_phoff = Utils.copyBytes(header, 28, 4); type_32.hdr.e_shoff = Utils.copyBytes(header, 32, 4); type_32.hdr.e_flags = Utils.copyBytes(header, 36, 4); type_32.hdr.e_ehsize = Utils.copyBytes(header, 40, 2); type_32.hdr.e_phentsize = Utils.copyBytes(header, 42, 2); type_32.hdr.e_phnum = Utils.copyBytes(header, 44,2); type_32.hdr.e_shentsize = Utils.copyBytes(header, 46,2); type_32.hdr.e_shnum = Utils.copyBytes(header, 48, 2); type_32.hdr.e_shstrndx = Utils.copyBytes(header, 50, 2); }

依照对应的每一个字段的字节个数，读取byte就能够了。

3、解析段头(Section Header)信息

这个结构中字段见pdf中的描写吧，这里就不做解释了。后面我们会手动的构造这样的1个数据结构，到时候在详细说明每一个字段含义。

依照这个结构。我们解析也简单了：

/** * 解析段头信息内容 */ public static void parseSectionHeaderList(byte[] header, int offset){ int header_size = 40;//40个字节 int header_count = Utils.byte2Short(type_32.hdr.e_shnum);//头部的个数 byte[] des = new byte[header_size]; for(int i=0;i这里需要注意的是，我们看到的Section Header1般都是多个的，这里用1个List来保存

4、解析程序头(Program Header)信息

这里的字段，这里也不做解释了，看pdf文档。

我们依照这个结构来进行解析：

/** * 解析程序头信息 * @param header */ public static void parseProgramHeaderList(byte[] header, int offset){ int header_size = 32;//32个字节 int header_count = Utils.byte2Short(type_32.hdr.e_phnum);//头部的个数 byte[] des = new byte[header_size]; for(int i=0;i

固然还有其他结构的解析工作，这里就不在逐一介绍了，由于这些结构我们在后面的介绍中不会用到，但是也是需要了解的，详细参见pdf文档。

5、验证解析结果

那末上面我们的解析工作做完了，为了验证我们的解析工作是不是正确，我们需要给每一个结构定义个打印函数，也就是从写toString方法便可。

然后我们在使用readelf工具来查看so文件的各个结构内容，对照就能够知道解析的是不是成功了。

解析代码下载地址：http://download.csdn.net/detail/jiangwei0910410003/9204119

上面我们用的是Java代码来进行解析的，为了照顾广大程序猿，所以给出1个C++版本的解析类：

#include #include #include #include "elf.h" /** 非常重要的1个宏，功能很简单： P:需要对其的段地址 ALIGNBYTES:对其的字节数功能：将P值补充到时ALIGNBYTES的整数倍这个函数也叫：页面对其函数 eg: 0x3e45/0x1000 == >0x4000 */ #define ALIGN(P, ALIGNBYTES) ( ((unsigned long)P + ALIGNBYTES ⑴)&~(ALIGNBYTES⑴) ) int addSectionFun(char*, char*, unsigned int); int main() { addSectionFun("D:libhello-jni.so", ".jiangwei", 0x1000); return 0; } int addSectionFun(char *lpPath, char *szSecname, unsigned int nNewSecSize) { char name[50]; FILE *fdr, *fdw; char *base = NULL; Elf32_Ehdr *ehdr; Elf32_Phdr *t_phdr, *load1, *load2, *dynamic; Elf32_Shdr *s_hdr; int flag = 0; int i = 0; unsigned mapSZ = 0; unsigned nLoop = 0; unsigned int nAddInitFun = 0; unsigned int nNewSecAddr = 0; unsigned int nModuleBase = 0; memset(name, 0, sizeof(name)); if(nNewSecSize == 0) { return 0; } fdr = fopen(lpPath, "rb"); strcpy(name, lpPath); if(strchr(name, .)) { strcpy(strchr(name, .), "_new.so"); } else { strcat(name, "_new"); } fdw = fopen(name, "wb"); if(fdr == NULL || fdw == NULL) { printf("Open file failed"); return 1; } fseek(fdr, 0, SEEK_END); mapSZ = ftell(fdr);//源文件的长度大小 printf("mapSZ:0x%x ", mapSZ); base = (char*)malloc(mapSZ * 2 + nNewSecSize);//2*源文件大小+新加的Section size printf("base 0x%x ", base); memset(base, 0, mapSZ * 2 + nNewSecSize); fseek(fdr, 0, SEEK_SET); fread(base, 1, mapSZ, fdr);//拷贝源文件内容到base if(base == (void*) ⑴) { printf("fread fd failed"); return 2; } //判断Program Header ehdr = (Elf32_Ehdr*) base; t_phdr = (Elf32_Phdr*)(base + sizeof(Elf32_Ehdr)); for(i=0;ie_phnum;i++) { if(t_phdr->p_type == PT_LOAD) { //这里的flag只是1个标志位，去除第1个LOAD的Segment的值 if(flag == 0) { load1 = t_phdr; flag = 1; nModuleBase = load1->p_vaddr; printf("load1 = %p, offset = 0x%x ", load1, load1->p_offset); } else { load2 = t_phdr; printf("load2 = %p, offset = 0x%x ", load2, load2->p_offset); } } if(t_phdr->p_type == PT_DYNAMIC) { dynamic = t_phdr; printf("dynamic = %p, offset = 0x%x ", dynamic, dynamic->p_offset); } t_phdr ++; } //section header s_hdr = (Elf32_Shdr*)(base + ehdr->e_shoff); //获得到新加section的位置，这个是重点,需要进行页面对其操作 printf("addr:0x%x ",load2->p_paddr); nNewSecAddr = ALIGN(load2->p_paddr + load2->p_memsz - nModuleBase, load2->p_align); printf("new section add:%x ", nNewSecAddr); if(load1->p_filesz < ALIGN(load2->p_paddr + load2->p_memsz, load2->p_align) ) { printf("offset:%x ",(ehdr->e_shoff + sizeof(Elf32_Shdr) * ehdr->e_shnum)); //注意这里的代码的履行条件，这里其实就是判断section header是否是在文件的末尾 if( (ehdr->e_shoff + sizeof(Elf32_Shdr) * ehdr->e_shnum) != mapSZ) { if(mapSZ + sizeof(Elf32_Shdr) * (ehdr->e_shnum + 1) > nNewSecAddr) { printf("没法添加节 "); return 3; } else { memcpy(base + mapSZ, base + ehdr->e_shoff, sizeof(Elf32_Shdr) * ehdr->e_shnum);//将Section Header拷贝到原来文件的末尾 ehdr->e_shoff = mapSZ; mapSZ += sizeof(Elf32_Shdr) * ehdr->e_shnum;//加上Section Header的长度 s_hdr = (Elf32_Shdr*)(base + ehdr->e_shoff); printf("ehdr_offset:%x",ehdr->e_shoff); } } } else { nNewSecAddr = load1->p_filesz; } printf("还可添加 %d 个节 ", (nNewSecAddr - ehdr->e_shoff) / sizeof(Elf32_Shdr) - ehdr->e_shnum - 1); int nWriteLen = nNewSecAddr + ALIGN(strlen(szSecname) + 1, 0x10) + nNewSecSize;//添加section以后的文件总长度：原来的长度 + section name + section size printf("write len %x ",nWriteLen); char *lpWriteBuf = (char *)malloc(nWriteLen);//nWriteLen :最后文件的总大小 memset(lpWriteBuf, 0, nWriteLen); //ehdr->e_shstrndx是section name的string表在section表头中的偏移值,修改string段的大小 s_hdr[ehdr->e_shstrndx].sh_size = nNewSecAddr - s_hdr[ehdr->e_shstrndx].sh_offset + strlen(szSecname) + 1; strcpy(lpWriteBuf + nNewSecAddr, szSecname);//添加section name //以下代码是构建1个Section Header Elf32_Shdr newSecShdr = {0}; newSecShdr.sh_name = nNewSecAddr - s_hdr[ehdr->e_shstrndx].sh_offset; newSecShdr.sh_type = SHT_PROGBITS; newSecShdr.sh_flags = SHF_WRITE | SHF_ALLOC | SHF_EXECINSTR; nNewSecAddr += ALIGN(strlen(szSecname) + 1, 0x10); newSecShdr.sh_size = nNewSecSize; newSecShdr.sh_offset = nNewSecAddr; newSecShdr.sh_addr = nNewSecAddr + nModuleBase; newSecShdr.sh_addralign = 4; //修改Program Header信息 load1->p_filesz = nWriteLen; load1->p_memsz = nNewSecAddr + nNewSecSize; load1->p_flags = 7; //可读可写可履行 //修改Elf header中的section的count值 ehdr->e_shnum++; memcpy(lpWriteBuf, base, mapSZ);//从base中拷贝mapSZ长度的字节到lpWriteBuf memcpy(lpWriteBuf + mapSZ, &newSecShdr, sizeof(Elf32_Shdr));//将新加的Section Header追加到lpWriteBuf末尾 //写文件 fseek(fdw, 0, SEEK_SET); fwrite(lpWriteBuf, 1, nWriteLen, fdw); fclose(fdw); fclose(fdr); free(base); free(lpWriteBuf); return 0; }

看了C++代码解析以后，这里不能不多说两句了，看看C++中的代码多么简单，缘由很简单：在做文件字节操作的时候，C++中的指针真的很牛逼的，这个也是Java望成莫及的。。

C++代码下载：http://download.csdn.net/detail/jiangwei0910410003/9204139

第5、总结

关于Elf文件的格式，就介绍到这里，通过自己写1个解析类的话，可以很深入的了解elf文件的格式，所以我们在以后遇到1个文件格式的了解进程中，最好的方式就是手动的写1个工具类就行了。那末这篇文章是逆向之旅的第1篇，也是以后篇章的基础，下面1篇文章我们会介绍如何来手动的在elf中添加1个段数据结构，纵情期待~~

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