iOS之逆向Hook的原理方法和安全防护

Hook简介

• Hook就是一种改变程序执行流程的一种技术的统称；
• 一段程序的执行流程是 A --> B --> C，现在我们在 A 和 B 之间插入一段代码或者直接改变 B ，这样程序原有的执行流程就发生了改变。如下图所示：
  
• Hook的方式：Method Swizzle，fishhook，Cydia Substrate；

Hook原理

一、Method Swizzle 原理

• 利用OC的Runtime特性，动态去改变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。
• Hook中主要用到的方法(参数： Class、SEL、IMP、Method)：

// 1、方法交换
OBJC_EXPORT void
method_exchangeImplementations(Method _Nonnull m1, Method _Nonnull m2)
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);

// 2、替换方法
OBJC_EXPORT IMP _Nullable
class_replaceMethod(Class _Nullable cls, SEL _Nonnull name, IMP _Nonnull imp,
                    const char * _Nullable types)
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);

// 3、setIMP & getIMP
OBJC_EXPORT IMP _Nonnull
method_setImplementation(Method _Nonnull m, IMP _Nonnull imp)
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);

OBJC_EXPORT IMP _Nullable
class_getMethodImplementation(Class _Nullable cls, SEL _Nonnull name)
    OBJC_AVAILABLE(10.5, 2.0, 9.0, 1.0, 2.0);

• Class 一个 objc_class 类型的结构体指针，用于说明对象是哪个类；
• Method 一个 objc_method 类型的结构体指针，用于定义一个方法，在objc源码中定义如下：

struct objc_method {
    SEL _Nonnull method_name       OBJC2_UNAVAILABLE;
   	char * _Nullable method_types  OBJC2_UNAVAILABLE;
   	IMP _Nonnull method_imp        OBJC2_UNAVAILABLE;
}                                  OBJC2_UNAVAILABLE;

• SEL 可以发现在 Method 的定义中，也能看见SEL。在苹果官方文档中定义这种类型:

typedef struct objc_selector *SEL;

• IMP 同样在 Method 的定义中也能看到，在苹果官方文档的定义如下：

id (IMP *)(id, SEL, ...)

• SEL是一个C String，用于表示一个方法的名称，IMP是一个方法实现首地址，默认有两个参数 self 和 _cmd。其实SEL和IMP的关系可以类比一本书的目录，SEL就是目录中的内容标题，IMP是后面的页码。一个方法调用时，通过SEL找到对应的IMP，进而找到方法的实现。如下图：
  
• 在Hook一个OC方法时，只需要改变其SEL所指向的IMP时，就可以实现方法的交换的目的，或者使用class_replaceMethod 和 method_setImplementation 改变一个类原有方法的实现，原理如下图：
  
• 逆向中，Hook一个OC方法其实就是改变其SEL所指向的IMP，从而找到另一个实现地址，执行另一个方法实现。但这种方法的局限在于，其只能针对OC方法进行Hook，对于C函数则无法Hook。

二、fishHook 原理

• fishHook是由faceBook开发的，是一个动态修改MachO文件的工具，主要是通过修改懒加载和非懒加载表里的指针的指向来达到hook的目的，因此一般用它来hook系统的C函数。
• DATA区有两个section和动态符号链接相关：__nl_symbol_ptr 、__la_symbol_ptr；__nl_symbol_ptr为一个指针数组，直接对应non-lazy绑定数据。__la_symbol_ptr也是一个指针数组，通过dyld_stub_binder辅助链接。
• 示例

static void (* old_log)(NSString* str);
void newLog(NSString * str){
    str = [str stringByAppendingString:@"\n 勾住了"];
    old_log(str);
}
// hook
rebind_symbols((struct rebinding [1]){{"NSLog",newLog,(void *)&old_log}}, 1);

• rebind_symbols的简单逻辑
  假设：
  A -> 原方法 ，B -> 新方法 ，Temp -> 中间变量
  Temp = A；
  A = B；
  hook后需要调用原方法就调用Temp
• 具体如下：
  1 > 首先，MachO文件是被dyld(dynamic load)动态加载的，也就是说，MachO文件被加载到内存的时候是不固定的，它有一个ASLR随机值；
  2 > 同样，依赖的系统库的加载也是随机的，因此，当MachO文件加载到内存之前根本不知道系统库在哪；
  3 > 因此 ，苹果采用了PIC技术(位置代码独立，位置和代码无关)；
• 假设要调用NSLog函数：首先会在映射表中增加一个间接指针，指向外部的NSLog函数；然后dyld会动态的去绑定，将指针指向外部的函数地址。

三、Cydia Substrate原理

① 原理

• 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。
• 跟method Swizzle类似，也是用的OC的动态性，知识Method Swizzle是用的方法交换，Cydia Substrate 是用的method_getImplementation和 method_setImplementation这两个方法，获取方法实现和设置方法实现。

② 函数组成

Cydia Substrate主要由3部分组成：

• MobileHooker
  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。主要有两个函数：MSHookMessageEx 主要作用于Objective-C方法，MSHookFunction 主要作用于C和C++函数；
  MSHookMessageEx函数的作用对象是Objective-C函数，其原理是调用Objective-C中高等级的运行时函数API:class_getInstanceMethod、method_setImplementation、method_exchangeImplementations等来替换原函数的逻辑，其实MobileHooker就是对fishhook和runtime做了封装，就是和AFNetworking和NSURLSession的关系是一样的；

// MSHookMessageEx 
void MSHookMessageEx(Class class, SEL selector, IMP replacement, IMP result)

// MSHookFunction
void MSHookFunction(voidfunction,void* replacement,void** p_original)

• MobileLoader
  MobileLoader的作用就是去加载第三方dylib，在ios启动的时候，会由launchd将MobileLoader载入内存，然后MobileLoader会根据同名的plist文件指定的作用范围，有选择地在不同的进程当中去通过dlopen函数打开目录/Library/MobileSubstrate/DynamicLibraries/下的所有的dylib。
• safe mode
  因为APP程序质量参差不齐崩溃再所难免，**程序本质是dylib，寄生在别人进程里。 一旦出错，就可能导致整个进程崩溃,而一旦崩溃的是SpringBoard等系统进程，崩溃后就会造成iOS瘫痪。所以CydiaSubstrate引入了安全模式,在安全模式下所有基于CydiaSubstratede 的三方dylib都会被禁用，便于查错与修复。

Hook流程（以Objective-C为例）

在 Objective-C 中，所有的 [receiver message] 都会转换为 objc_msgSend(receiver, @selector(message));

一、寻找 IMP 过程

• 在当前 class 的方法缓存里寻找（cache methodLists）
  找到了跳到对应的方法实现，没找到继续往下执行；
• 从当前 class 的 方法列表里查找（methodLists），找到了添加到缓存列表里，然后跳转到对应的方法实现；没找到继续往下执行；
• 从 superClass 的缓存列表和方法列表里查找，直到找到基类为止；
• 以上步骤还找不到 IMP，则用_objc_msgForward函数指针代替 IMP ，最后执行这个 IMP；

// objc-runtime-new.mm 文件里与 _objc_msgForward 有关的三个函数使用伪代码展示，这也是 obj_msgSend 的实现过程

id objc_msgSend(id self, SEL op, ...) {
    if (!self) return nil;
    IMP imp = class_getMethodImplementation(self->isa, SEL op);
    // 调用这个函数，伪代码...
    imp(self, op, ...); }

//查找IMP
IMP class_getMethodImplementation(Class cls, SEL sel) {
    if (!cls || !sel) return nil;
    IMP imp = lookUpImpOrNil(cls, sel);
    // _objc_msgForward 用于消息转发
    if (!imp) return _objc_msgForward; 
    return imp;
}

IMP lookUpImpOrNil(Class cls, SEL sel) {
    if (!cls->initialize()) {
        _class_initialize(cls);
    }

    Class curClass = cls;
    IMP imp = nil;
    // 先查缓存,缓存没有时重建,仍旧没有则向父类查询
    do { 
        if (!curClass) break;
        if (!curClass->cache) fill_cache(cls, curClass);
        imp = cache_getImp(curClass, sel);
        if (imp) break;
    } while (curClass = curClass->superclass);

    return imp;
}

二、 消息转发流程

• 第一个阶段的具体方法是+(BOOL)resolveInstanceMethod:(SEL)sel 和+(BOOL)resolveClassMethod:(SEL)sel，当方法是实例方法时调用前者，当方法为类方法时，调用后者。这个方法是为了给类利用 class_addMethod 添加方法的机会；
• 第二个阶段是备援接收者阶段，对象的具体方法是-(id)forwardingTargetForSelector:(SEL)aSelector ，此时，运行时询问能否把消息转给其他接收者处理，也就是此时系统给了个将这个 SEL 转给其他对象的机会；
• 第三个阶段是完整消息转发阶段，对应方法-(void)forwardInvocation:(NSInvocation *)anInvocation，这是消息转发流程的最后一个环节（hook方案的核心）。
  

三、主要步骤

• 直接替换原方法的实现为_objc_msgForward。当原来的函数被调用时，就不会在类方法，父类方法列表里查找实现了，直接表示找不到，进入转发流程。用_objc_msgForward来代替原来的函数，代码如下：

class_replaceMethod(class, selector, _objc_msgForward, method_getTypeEncoding(targetMethod));

• 替换forwardInvocation:的实现，当进入转发流程时，阶段一和阶段二都不接手，在阶段三forwardInvocation:里会接手；这里会替换forwardInvocation:的实现，用newForwardInvocation代替，这样就可以hook，完成自己的逻辑后，还要调用被hook的函数原来的逻辑。

    id newForwardInvocation = ^(id self, NSInvocation *invocation) {
        // hook时要添加的代码

        if (originalForwardInvocation == NULL) {
            [self doesNotRecognizeSelector:invocation.selector];
        } else {
            originalForwardInvocation(self, forwardInvocationSEL, invocation);
        }
    };

    class_replaceMethod(class, @selector(forwardInvocation:), imp_implementationWithBlock(newForwardInvocation), "[e-mail]:@");

简单防护

一、防护Method Swizzle

• 我们知道Method Swizzle原理是方法交换，那么可以使用fishHook 修改method_exchangeImplementations函数的指向，这个修改指向要在我们的方法交换之后进行（保证自己能改，别人不能改）。
• 我们的方法交换要在别人hook之前执行，这个地方就需要将我们的方法封装到静态库中，静态库中的load方法会先加载;

二、防护Cydia Substrate

• 它的原理是修改imp的set和get方法，因此我们也可以通过fishHook修改method_getImplementation和method_setImplementation方法。