Replicas of reverse-engineered classes in C++

Bc. Štěpán Dvorský

Bachelor's thesis

Abstract:

Tato práce popisuje návrh a implementaci C++ knihovny replica. Tato knihovna má za cíl zjednodušit proces vytváření a udržování takzvaných replik. Replika je třída, která imituje třídu jinou, jejíž deklarace nemusí být dostupná. To je užitečné při psaní kódu, který interaguje se zpětně inženýrovnými ABI (z anglického Application Binary Interface). Při kompilování do strojového kódu, C++ třída je převedena do nízkoúrovňové reprezentace, která se obvykle skládá ze struktury obdobné těm v jazyce C a sady volných funckí. Interagování s těmito nízkoúrovňovými reprezentacemi vyžaduje psát ekvivalentně nízkoúrovňový kód. Vhodná replika schovává tento nízkoúrovňový kód za rozhraním, které se zvenčí podobá běžným třídám, aby s ní mohlo být zacházeno jako s běžnou třídou. Psaní takovýchto replik manuálně může obnášet značné množství opakujícího se kódu. Knihovna replica řeší tento problém a nabízí stručný a čitelný způsob definování replik. Knihovna dále rozšiřuje tyto repliky o další funkcionalitu, konkrétně podporu hledání vzorů (známé zejména pod anglickým názvem "pattern scanning") a hákování funkcí (anglicky function hooking), což jsou dvě techniky běžně používané spolu s reverzním inženýrstvím. Tato práce představuje problémy, které replica řeší, a techniky, které k tomu používá, a dále vysvětluje rozhodnutí učiněná při návrhu knihovny. Na závěr tato práce zhodnocuje implementaci knihovny s důrazem na použitelnost a výkon, zmiňuje možné její nedostatky a navrhuje oblasti dalšího zlepšení.

Abstract:

This thesis describes the design and implementation of the replica C++ library, which aims to simplify creating and maintaining so called replicas. A replica is a class that mimics another class, whose declaration might not be available. This is useful when writing code that interacts with reverse-engineered application binary interfaces (ABIs). When compiled to native binary, a C++ class is translated into a low-level representation, usually consisting of a C-like struct and a set of free functions. Interacting with these low-level representations requires writing equivalently low-level code. A suitable replica hides this low-level code behind a class-like interface, so that it can be used as if it were a regular class. Writing such replicas manually can involve a significant amount of repetitive code. The replica library addresses this issue by offering a concise and readable way of defining replicas. Furthermore, it augments those replicas with additional features, namely support for pattern scanning and function hooking, which are techniques commonly used alongside reverse-engineering. This thesis introduces the problems the library aims to solve and the techniques it uses to do so. It explains the design choices made during the library's development and evaluates the implementation with focus on usability and performance, highlighting possible shortcomings and suggesting areas of further improvement.

Keywords

C++, replica, class, reverse-engineering, ABI

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 23. 5. 2024

Thesis defence

• Date of defence: 24. 6. 2024
• Supervisor: RNDr. Nikola Beneš, Ph.D.
• Reader: RNDr. Petr Ročkai, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Informatics

Bachelor programme / field:
Programming and development / Programming and development