Code_obfuscation

前言

在编译器处理分析生成代码的时候，来 增加一些无用的代码、拆分代码块、使代码扁平化，进而提升静态分析的难度。
Chris Lattner 生于 1978 年，2005年加入苹果，将苹果使用的 GCC 全面转为 LLVM。2010年开始主导开发 Swift 语言。
  • Xcode的编译器前端是clang，clang是llvm的一部分；而llvm本身是开源的，基于llvm 进行代码混淆的工具中，本人最终喜欢的马甲包混淆方案是用Hikari,具体的用法看这里
    • Clang 是 LLVM 的子项目，是 C，C++ 和 Objective-C 编译器 http://clang.llvm.org/docs/
      • 其中的 clang static analyzer 主要是进行语法分析，语义分析和生成中间代码，当然这个过程会对代码进行检查，出错的和需要警告的会标注出来。
      • lld 是 Clang / LLVM 的内置链接器，clang 必须调用链接器来产生可执行文件。
  • LLVM编译一个源文件的过程：预处理 -> 词法分析 -> Token -> 语法分析 -> AST -> 代码生成 -> LLVM IR -> 优化 -> 生成汇编代码 -> Link -> 目标文件
    • 1、预处理
      • 符号化 (Tokenization)
      • 宏定义的展开
      • #include 的展开
      • 语法和语义分析
    • 2、将符号化后的内容转化为一棵解析树 (parse tree)
      • 解析树做语义分析
      • 输出一棵抽象语法树（Abstract Syntax Tree* (AST)）
      • 生成代码和优化
    • 3、将 AST 转换为更低级的中间码 (LLVM IR)
      • 对生成的中间码做优化
        • LLVM IR 有三种表示格式，第一种是 bitcode 这样的存储格式，以 .bc 做后缀，第二种是可读的以 .ll，第三种是用于开发时操作 LLVM IR 的内存格式
      • 生成特定目标代码
      • 输出汇编代码
    • 4、汇编器
      • 将汇编代码转换为目标对象文件。
    • 5、链接器
      • 将多个目标对象文件合并为一个可执行文件 (或者一个动态库)

可以用Clang做什么？

1\编译的完整步骤

  • 1）编译信息写入辅助文件，创建文件架构 .app 文件
  • 2）处理文件打包信息
  • 3）执行 CocoaPod 编译前脚本，checkPods Manifest.lock
  • 4）编译.m文件，使用 CompileC 和 clang 命令
  • 5）链接需要的 Framework
  • 6）编译 xib
  • 7）拷贝 xib ，资源文件
  • 8）编译 ImageAssets
  • 9）处理 info.plist
  • 10）执行 CocoaPod 脚本
  • 11）拷贝标准库
  • 12）创建 .app 文件和签名

2\clang 命令参数

  • -x 编译语言比如objective-c
  • -arch 编译的架构，比如arm7
  • -f 以-f开头的。
  • -W 以-W开头的，可以通过这些定制编译警告
  • -D 以-D开头的，指的是预编译宏，通过这些宏可以实现条件编译
  • -iPhoneSimulator10.1.sdk 编译采用的iOS SDK版本
  • -I 把编译信息写入指定的辅助文件
  • -F 需要的Framework
  • -c 标识符指明需要运行预处理器，语法分析，类型检查，LLVM生成优化以及汇编代码生成.o文件
  • -o 编译结果

3\xcode 编译器的相关设置

  • Build Phases：构建可执行文件的规则
    • 1）指定 target 的依赖项目，在 target build 之前需要先 build 的依赖。在 Compile Source 中指定所有必须编译的文件，
    • 2）在 Link Binary With Libraries 里会列出所有的静态库和动态库，它们会和编译生成的目标文件进行链接。
    • 3）build phase 还会把静态资源拷贝到 bundle 里。
    • 4)可以通过在 build phases 里添加自定义脚本来做些事情，比如像 CocoaPods 所做的那样。
  • Build Rules: 指定不同文件类型如何编译
  • Build Settings : 在 build 的过程中各个阶段的选项的设置

4\Clang 使用的例子 : 从源码到可执行文件

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  • 1、 先通过-E查看clang在预编译处理这步做了什么: 包括宏的替换，macro宏的展开 import/include头文件的导入，以及#if等处理
    • clang -E main.m 
    • 后来Xcode新建的项目里面去掉了pch文件，引入了moduels的概念，把一些通用的库打成modules的形式，然后导入，默认会加上-fmodules参数。
      • clang -E -fmodules main.m
        • 这样的话，只需要@import一下就能导入对应库的modules模块了。
  • 2、预处理完成后就会进行词法分析，这里会把代码切成一个个 Token，比如大小括号，等于号还有字符串等
    • clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m
  • 3、然后是语法分析，验证语法是否正确，然后将所有节点组成抽象语法树 AST
    • clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m
  • 4、IR中间代码的生成：CodeGen 会负责将语法树自顶向下遍历逐步翻译成 LLVM IR，IR 是编译过程的前端的输出后端的输入
    • 可以在中间代码层次去做一些优化工作，我们在Xcode的编译设置里面也可以设置优化级别-O1,-O3,-Os。 还可以去写一些自己的Pass，这里需要解释一下什么是Pass。
      • Pass就是LLVM系统转化和优化的工作的一个节点，每个节点做一些工作，这些工作加起来就构成了LLVM整个系统的优化和转化。
    • 2、如果开启了 bitcode 苹果会做进一步的优化，有新的后端架构还是可以用这份优化过的 bitcode 去生成。
      • 生成字节码 (LLVM Bitcode)
      • 在Xcode7中默认生成bitcode就是这种的中间形式存在， 开启了bitcode，那么苹果后台拿到的就是这种中间代码，苹果可以对bitcode做一个进一步的优化，如果有新的后端架构，仍然可以用这份bitcode去生成
      • clang -emit-llvm -c main.m -o main.bc
  • 5、生成汇编
    • clang -S -fobjc-arc main.m -o main.s
  • 6、 生成目标文件
    • clang -fmodules -c main.m -o main.o
  • 7、生成可执行文件
    • clang main.o -o main
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8\整体的流程
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5\Clang Static Analyzer静态代码分析： https://code.woboq.org/llvm/clang/

  • 静态分析前会对源代码分词成 Token，这个过程称为词法分析（Lexical Analysis）
    • 编译的概念（词法->语法->语义->IR->优化->CodeGen） 在 clang static analyzer 里到处可见。 
  • Token 可以分为以下几类
    • 关键字：语法中的关键字，if else while for 等。
    • 标识符：变量名
    • 字面量：值，数字，字符串
    • 特殊符号：加减乘除等符号
  • 语法分析（Semantic Analysis）将 token 先按照语法组合成语义生成 VarDecl 节点，然后将这些节点按照层级关系构成抽象语法树 Abstract Syntax Tree (AST)。

6\CodeGen 生成 IR 代码

  • 1）各种类，方法，成员变量等的结构体的生成，并将其放到对应的Mach-O的section中。
  • 2）Non-Fragile ABI 合成 OBJCIVAR$_ 偏移值常量。
  • 3）ObjCMessageExpr 翻译成相应版本的 objc_msgSend，super 翻译成 objc_msgSendSuper。
  • 4）strong，weak，copy，atomic 合成 @property 自动实现 setter 和 getter。
  • 5）@synthesize 的处理。
  • 6）生成 block_layout 数据结构
  • 7）block 和 weak
  • 8）_block_invoke
  • 9）ARC 处理，插入 objc_storeStrong 和 objc_storeWeak 等 ARC 代码。ObjCAutoreleasePoolStmt 转 objc_autorealeasePoolPush / Pop。自动添加 [super dealloc]。给每个 ivar 的类合成 .cxx_destructor 方法自动释放类的成员变量。

7\ IR 结构

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  • llc 编译器是专门编译 LLVM IR 的编译器用来生成汇编文件。
  • Driver
  • Driver 是 Clang 面对用户的接口，用来解析 Option 设置，判断决定调用的工具链，最终完成整个编译过程。
  • Translate:Translate 就是把相关的参数对应到不同平台上不同的工具。
  • 每次编译后生成的 dSYM 文件 -
    • dSYM 文件里存储了函数地址映射，这样调用栈里的地址可以通过 dSYM 这个映射表能够获得具体函数的位置。一般都会用来处理 crash 时获取到的调用栈 .crash 文件将其符号化

I \什么是LLVM？

llvm 是一系列 分模块和可重用的编译工具链，他提供了一种代码编写良好的中间表示（IR），可以作为多种语言的后端，还可以提供与编程无关的优化和针对多种CPU的代码生成功能。
  • LLVM架构的主要组成部分
    • 前端：前端用来获取源代码然后将它转变为某种中间表示，我们可以选择不同的编译器来作为LLVM的前端，如gcc，clang。
    • Pass(通常翻译为“流程”)：Pass用来将程序的中间表示之间相互变换。一般情况下，Pass可以用来优化代码，这部分通常是我们关注的部分。
    • 后端：后端用来生成实际的机器码
    • The LLVM Project is a collection of modular and reusable compiler and toolchain technologies.

传统的编译器的架构如下

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LLVM的架构如下

img
基于LLVM进行代码混淆时，只需关注中间层表示（IR）

基于LLVM，我们可以做什么？

  • 做语法树分析，实现语言转换OC转Swift、JS or 其它语言，字符串加密。
  • 编写ClangPlugin，命名规范，代码规范，扩展功能。
  • 编写Pass，代码混淆优化。

II \ 安装编译LLVM

下载

编译

最新的LLVM只支持cmake来编译了，首先安装cmake。
编译：
  • 编译生成Xcode项目的命令
    • 打开Xcode的时候，选择munually manage sechme,选择需要编译的Target（clang），接下来执行command+R
  • 编译完成后，就能在build/bin/目录下面找到生成的工具了。
    • clang 的版本和Xcode的版本不一样，苹果在开源的LLVM中增加了自己的修改

III 、PassDemo

配置编译环境

  • 在lib/Transforms/新建一个文件夹 Hello
  • 配置编译脚本去编译源代码
      • 修改.../Transforms/CMakeLists.txt, 加上刚刚写的模块hello
      • 编译脚本指定使用编译源文件 Hello.cpp 生成  $(LEVEL)/lib/LLVMHello.dylib 动态库，该文件可以被opt 通过-load 参数动态加载。
        image
  • open Xcode 重新build，在项目里面添加LLVMHello 的target为secheme；在过程中找到 loadable modules 下面LLVMHello 里面的hello.cpp ，开始编写代码。

编写代码

image
  • 编写一个pass操作function，输出一些相关信息，需要使用如下头文件
    • #include "llvm/IR/Function.h" 
    • #include "llvm/Pass.h" 
    • #include "llvm/Support/raw_ostream.h" 
      • 这些头文件里面的方法属于LLVM命名空间，需要声明使用LLVM命名空间
  • 编写一个匿名空间；C++的匿名空间和c的static 关键词一样，定义在匿名空间中的变量仅对当前文件可见。
    • code
  • 初始化passID
    • code: 因为LLVM将使用ID的地址去识别一个pass，因此初始化的value不重要
  • 注册pass hello，指定命令行参数为“hello”，名字说明为“hello world pass”
    • code
  • 选中target LLVMhello 执行command+B，生成build/debug/lib/LLVMHello.dylib
  • hello2 : Hello World Pass (with getAnalysisUsage implemented) 
    • code

使用opt 加载动态库，并指定参数

之前在代码中通过RegisterPass 注册了pass，现在可以准备一个测试用的源文件，通过opt -load 命令去加载动态库并指定参数hello
  • 测试的源文件test.mm
    • code
  • 编译源文件 生成bitcode: 因为Pass是作用于中间代码，所以我们首先要生成一份中间代码
    • path/to/build/deBug/bin/clang -emit-llvm -c test.mm -o test.bc
  • 然后加载Pass
    • 在Xcode中将opt的target添加到scheme中。编辑scheme的启动参数，按command+R执行。
    • ../build/bin/opt -load ../build/lib/LLVMHello.dylib -simplepass < test.bc > after_test.bc
  • 通过-help 参数查看注册的pass参数
  • passManager 提供了-time-passes参数用于输出pass的时间占比
  • 编辑/llvm-3.9.0.src/tools/opt/CMakeLists.txt 将LLVMHello模块添加到opt 的依赖，这样在执行opt的时候能自动检测LLVMHello模块有没有被修改，如果被修改了。需要重新编译LLVMHello模块

其他操作

1、如果编写的pass用到了其他pass提供的函数功能，需要在getAnalysisUsage 中进行声明

  • 例如想获取程序中存在的循环信息
    • 导入头文件llvm/Analysis/LoopInfo.h,并在getAnalysisUsage 中进行调用
    • code
      • 通过它提供的接口就可以获取循环的个数

2、LLVMSimplePass（写的Pass只是把a+b简单的替换成了a-(-b),只是一个演示，怎么去写自己的Pass，并且作用于代码）

  • 1.创建头文件 :llvm-3.9.0.src/include/llvm/Transforms 统一存放头文件
    • 写入内容：
  • 2.创建源文件： llvm-3.9.0.src/lib/Transforms 存放源代码
    • CMakeLists.txt
    • LLVMBuild.txt:
    • SimplePass.cpp:
  • 修改.../Transforms/LLVMBuild.txt, 加上刚刚写的模块Obfuscation
  • 修改.../Transforms/CMakeLists.txt, 加上刚刚写的模块Obfuscation
  • 编译生成：LLVMSimplePass.dylib
  • 因为Pass是作用于中间代码，所以我们首先要生成一份中间代码：
  • 然后加载Pass优化：
将Pass加入PassManager管理
上面我们是单独去加载Pass动态库，这里我们将Pass加入PassManager，这样我们就可以直接通过clang的参数去加载我们的Pass了。
  • 首先在llvm/lib/Transforms/IPO/PassManagerBuilder.cpp添加头文件。
  • 添加如下code
  • 然后在populateModulePassManager这个函数中添加如下代码：
  • 最后在IPO这个目录的LLVMBuild.txt中添加库的支持，否则在编译的时候会提示链接错误。具体内容如下：
  • 修改Pass的CMakeLists.txt为静态库形式：
  • 最后再编译一次。
    • 那么我们可以这么去调用：
基于Pass，我们可以做什么？ 我们可以编写自己的Pass去混淆代码，以增加他人反编译的难度。
image

IV、OLLVM 源码分析，并从基于clang4.0 迁移到clang6.0

  • code: 基于llvm的代码混淆技术主要基于中间层代码的pass。
    image
    • /lib/Transforms/CMakeLists.txt
    • lib/Transforms/Obfuscation/CMakeLists.txt
      • 将add_llvm_library 修改为add_llvm_loadable_module编译成动态库，通过opt 加载调试（如果添加到passManager中，编译成静态库，同样可以通过opt加载调试）
    • 主要包含的三个pass，用于不同程序的混淆
      • BogusControlFlow： 增加虚假的控制流程和无用的代码
      • Flattening： 使代码扁平化
      • Substitution： 增肌算术表达式的复杂度

编译生成动态库，分析BogusControlFlow

  • open xcode ,安装command+B ,选择LLVMObfuscation的scheme，编译生成动态库
  • 1） 分析BogusControlFlow
    • 编辑 scheme启动参数，添加-debug 来打印调试信息
    • 在runOnFunction 下断点，该方法会在处理方法的时候自动调用
      • 在runOnFunction 中先判断参数是否合法，在判断是否需要混淆，从而指定全混淆或者在满足某些函数属性的情况下混淆
        • // Check if the percentage is correct
        • // Check if the number of applications is correct
        • // If fla annotations
          • void bogus(Function &F) { 分析
            • // Put all the function’s block in a list 把方法中的所有block放到一个list 中。然后分别取出，调用addBogusFlow增加虚假控制流程
            • addBogusFlow 首先调用createAlteredBasicBlock复制原来的BasicBlock，然后修改其变量，引用并插入一些脏数据，接着创建一个恒为true的条件跳转到原来BasicBlock。false的分支跳转到复制的BasicBlock，复制的BasicBlock跳转回原来的BasicBlock。最后，创建一个恒为true的条件跳转到原BasicBlock的结束位置，false分支跳转到复制的BasicBlock。
              • BasicBlock *alteredBB = createAlteredBasicBlock(originalBB, *var3, &F);
    • 使用Graphviz 查看流程图，设置dot文件的默认打开方式。
    • 调试过程使用po originalBB->dump() 打印对应的结果信息及浏览当前的流程图。
    • po F.viewCFG()
    • build/Debug/llvm-dis test_after.bc -o test_after.ll` 将混淆处理之后的bitcode转换为可读的bitcode代码
  • 2）Flattening.cpp 扁平化功能的实现分析
    • opt -load ./lib/LLVMObfusaction.dylib -debug -flattening path/to/test.bc -o path/to/test_atfer.bc
      • 一旦进入runOnFunction 函数，判断是否需要混淆；如果需要混淆，就调用flatten 方法，保存所有的BasicBlock；如果个数小于等于1 就认为Nothing to flatten 直接返回；然后移除第一个BasicBlockRemove first BB.
      • Get a pointer on the first BB 接着判断第一个BasicBlock是不是条件判断或者分支，如果是就使用splitBasicBlock 将其分开，并移除第一个BasicBlock。
      • 分别创建一个loopEntry和一个loopEnd的BasicBlock，分别将第一个BasicBlock和loopEnd跳转到loopEntry，创建一个指向loopEnd的switchDefault，并将loopEntry 指向switchDefault。
      • Put all BB in the switch 将之前保存的BasicBlock分别添加到switch分支中。
      • 将switch中的所有的BasicBlock 指向loopEnd 并调整switch case。
  • 3）最后一个Substitution 将一些计算指令替换成一些复杂的转换表达式（这种混淆在开启编译器优化之后都会失效，除非指定了不优化函数）

V 、替换Xcode编译器，在编译时将用带混淆工程的clang进行编译工程

要想通过clang 加载pass，就不能采用这种动态库方式（add_llvm_loadable_module），而是要编译成静态库(add_llvm_library)并加入passManager的管理机制定义的clang 传入的参数去调用pass
  • 编辑lib/Transforms/Obfuscation/CMakeLists.txt 将add_llvm_loadable_module 修改为add_llvm_library
  • 复制lib/Transforms/Obfuscation/LLVMBuild.txt到对应的位置
  • 在lib/Transforms/IPO/LLVMBuild.txt 的required_libraries 增加Obfuscation
  • 在lib/Transforms/LLVMBuild.txt 的subdirectories中加入Obfuscation
  • 编辑PassManagerBuilder.cpp，导入头文件以及指定参数
    • 增加混淆参数// Flags for obfuscation
      • 在PassManagerBuilder::PassManagerBuilder() { 中初始化随机生成器// Initialization of the global cryptographicallysecure pseudo-random generator
      • 在void PassManagerBuilder::populateModulePassManager(中增加混淆的pass// Allow forcing function attributes as a debugging and tuning aid.
  • 重新编译生成clang
  • 测试clang
    • build/Debug/bin/clang test.mm -o test -mllvm -sub -fla -mllvm -bcf 看看是否有混淆效果
  • 增加Xcode使用的编译工具链
    • 方式一比较笨，不建议使用
      • setup
      • change: 修改info，plist
        • then
          • change Obfuscator.xcspec
      • then 修改English.lproj 环境配置
        • change
      • then :
      • 修改完成之后，重启Xcode 开始使用
        • Build Settings -> Compiler for C/C++/Objective-C -> Obfuscator 4.0
        • Build Setting -> Enable Index-While-Building Functionality -> ‘default’ change to ‘No’
          • 开源的clang并不能识别：Xcode9 新增的swift_index_store_enable 参数
        • 关闭 bitcode
        • 关闭编译优化 Build Settings -> OPTIMIZATION_LEVEL -> 0
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VI、静态库（StaticLib）混淆—基于编译器混淆的案例

编译器混淆是基于中间代码（bitcode）进行的。那么编译生成一个带bitcode的静态库是不是就可以提取其中的bitcode进行混淆？答案是也是
这样就不需要通过源文件进行编译了，只需要提供一个带bitcode的静态库文件即可进行混淆—商业机密，因此不需要得到源码也可以轻松的混淆了。哈哈哈
  • 新建一个静态工程，为了让其在非archive模式下也生成bitcode，需要在build setting的other c flags 中增加-fembed-bitcode参数
  • 将__LLVM,__bitcode的section里面的bitcode代码提取出来
    • mkdir objects
    • cd objects
    • ar -x ../StaticLib.a
    • segedit ./StaticLib.o -extract "__LLVM" "__bitcode" result.bc
      • /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Toolchains/XcodeDefault.xctoolchain/usr/bin/segedit
  • 使用带混淆功能的clang将其重新编译成目标文件，生存的result.o 就是混淆后的object文件。将其重新打包成.a文件
    • build/Debug/bin/clang -arch arm64 -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneOS.platform/Developer/SDKs -fobjc-arc -c result.bc -mllvm -bcf -mllvm -sub -mllvm -fla -o result.o
    • rm __.SYMDEF\ SORTED
    • ar -crs result.a result.o
    • ranlib result.a
      • ranlib - add or update the table of contents of archive libraries
  • 最后将混淆之后的静态库集成到app中。（此时的静态库没有了bitcode，因此整个主app也不能开启bitcode）
小结： 从静态库提出bitcode ，使用带有混淆功能的clang 重新编译bitcode进行混淆生成混淆之后的目标文件。并将目标文件进行打包成.a

思考题

将核心代码封装成静态库（包含bitcode的静态库），提供给我，进行混淆处理治理之后，再将混淆之后的静态库给他。—–目的是避免提供源代码给我。
接下来他们再将核心的静态库集成到app中进行上架。
  • bitcode 是中间表示形式，常用于代码优化。

尝试使用/Users/devzkn/Library/Developer/Toolchains/Hikari.xctoolchain/usr/bin/clang进行混淆

  • /Users/devzkn/Library/Developer/Toolchains/Hikari.xctoolchain/usr/bin/clang
    • 如果是替换Xcode编译器即采用xctoolchain的形式的时候，对于Xcode而言所有的混淆标记应该加在Target的Other C Flags中
      • 开启混淆
    • 如果是单独使用带有混淆功能的clang，也是一样需要在每一个flag前加上-mllvm
      • build/Debug/bin/clang -arch arm64 -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneOS.platform/Developer/SDKs -fobjc-arc -c result.bc -mllvm -bcf -mllvm -sub -mllvm -fla -o result.o

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