李萍

（廣東省輕工業(yè)技師學(xué)院，廣州 513000）

Android應(yīng)用防篡改機(jī)制的研究

李萍

（廣東省輕工業(yè)技師學(xué)院，廣州 513000）

面對(duì)開發(fā)者所編寫的Android應(yīng)用被第三方惡意破解、篡改、盜版的現(xiàn)狀，為了找出如何保護(hù)Android應(yīng)用的機(jī)制，先從篡改者的攻擊手段入手，分析應(yīng)用篡改的基本原理，結(jié)合Android系統(tǒng)自身的相關(guān)機(jī)制，針對(duì)性地提出如何保護(hù)應(yīng)用的防御手段和檢測手段，同時(shí)也說明這些技術(shù)手段的局限性以及引起局限性的根本原因，最終提出了針對(duì)一般破解者的防御策略。

Android應(yīng)用；防篡改；機(jī)制

當(dāng)前Android系統(tǒng)占據(jù)了智能系統(tǒng)市場的主要份額，但其盜版問題日益嚴(yán)重，影響了開發(fā)者的收益，推動(dòng)了惡意木馬的傳播，惡化了整個(gè)應(yīng)用的生態(tài)圈。本文著重分析Android應(yīng)用被篡改的主要手段和機(jī)制，結(jié)合之前已有的保護(hù)手段，進(jìn)一步研究更加有效的應(yīng)用保護(hù)機(jī)制。

一、Android應(yīng)用篡改機(jī)制分析

分析篡改機(jī)制之前，首先需要對(duì)Android應(yīng)用的打包機(jī)制和包結(jié)構(gòu)做一些簡單的說明。

（一）Android打包機(jī)制說明

Android的安裝包稱為APK（android package file）的縮寫。APK文件是標(biāo)準(zhǔn)的Zip文件，構(gòu)造方式和JAR文件類似，包含一個(gè)Android應(yīng)用運(yùn)行所需的執(zhí)行文件、動(dòng)態(tài)鏈接庫、資源文件、證書、清單文件，即：

1.AndroidManifest.xml:清單文件

2．Lib目錄：存放動(dòng)態(tài)鏈接庫（so）文件

3.META-INF：簽名信息的存放目錄

4．res：資源存放目錄（布局、圖片、字符串）

5.Classes.dex：DEX格式的可執(zhí)行文件

6.Resources.arsc：編譯后的二進(jìn)制資源文件

Android的應(yīng)用開發(fā)主要使用兩種語言：Java和C／C＋＋，前者用于構(gòu)造應(yīng)用的主體，后者也是Android中NDK（native develop kit）所使用的語言，主要用于生成動(dòng)態(tài)鏈接庫（so）。此外還有AIDL（Android Interface definition language），用于編寫進(jìn)程間通信用的接口文件。

Android應(yīng)用打包過程就是將以上相關(guān)代碼和文件編譯整合的過程[1]:

1.通過aapt工具打包資源文件，生成R.java

2.編譯AIDL生成java文件

3.編譯所有Java代碼，生成class文件

4.通過dx工具轉(zhuǎn)換class文件為一個(gè)dex文件

5.將資源、清單、dex、so統(tǒng)一打包為apk文件

6.通過jarsigner選擇證書對(duì)apk簽名

7.使用zipalign對(duì)apk做對(duì)齊操作

可以看到，APK文件結(jié)構(gòu)是公開、易于分析修改，對(duì)于資源文件完全沒有保護(hù)，因此也就為篡改應(yīng)用打開了方便之門。

（二）篡改應(yīng)用的手段

針對(duì)APK文件的篡改，通常有以下做法：

1.替換資源：由于APK文件中對(duì)于資源文件未做任何保護(hù)，篡改者可以輕易獲取所有資源文件，找到對(duì)應(yīng)的圖片、文字等信息，將其替換，從而使得應(yīng)用改頭換面。

2.修改實(shí)現(xiàn)：對(duì)Dex文件通過反編譯等手段，定位到關(guān)鍵業(yè)務(wù)代碼，修改判斷條件分支，使原有邏輯失效。這種一般用于游戲應(yīng)用破解，繞開注冊(cè)檢查、計(jì)費(fèi)檢查等，生成所謂破解版，使開發(fā)者利益受損。

3.代碼注入：通過靜態(tài)注入代碼等手段，修改和替換原有業(yè)務(wù)邏輯。常見的篡改方式有：替換原有廣告為自己的，加入惡意扣費(fèi)代碼、木馬數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程下載數(shù)據(jù)，竊取隱私數(shù)據(jù)。這種篡改的危害很大，不但開發(fā)者收益受損，還威脅到使用者的信息安全。這里篡改的核心技術(shù)手段就是對(duì)Dex文件的反編譯和修改，而第三方工具的提供，使得這項(xiàng)工作的難度大為降低，甚至可以自動(dòng)進(jìn)行。

（三）通過反編譯手段靜態(tài)分析應(yīng)用

常見的反編譯工具主要有：

1.Apktool：Google官方提供的一款反編譯和打包工具，以java實(shí)現(xiàn)，通過jar包提供使用。該工具可以將APK直接反編譯為smali文件，還可以將修改后的文件重新打包為APK。

2.Dex2Jar：Dex2Jar是針對(duì)APK文件中的可執(zhí)行文件classes.dex進(jìn)行反編譯，并生成為jar文件的工具。它的優(yōu)勢是，直接將dalvik字節(jié)碼轉(zhuǎn)換為更具有可讀性的java字節(jié)碼，然后就可以通過第三方j(luò)ava字節(jié)碼的反編譯工具來閱讀和理解。

反編譯命令：

反編譯完成后，可以使用jd-gui等java反編譯工具來直接查看閱讀代碼。

3.Baksmali/Smali：用于將classes.dex反編譯為smali文件，以及將smali文件反編譯為classes.dex文件。

反編譯命令：

重編譯命令：

（四）動(dòng)態(tài)分析應(yīng)用

反編譯獲取的smali文件或者jar文件在應(yīng)用邏輯復(fù)雜的情況下，很難快速定位和分析，因此篡改者往往會(huì)運(yùn)行應(yīng)用，通過以下手段來動(dòng)態(tài)分析：

1.日志分析：通過adb logcat可以查看應(yīng)用的輸出日志，如果應(yīng)用未輸出日志，則可以通過代碼注入的方式在所需分析的smali文件中加入打印日志語句來獲取所需信息。

2.動(dòng)態(tài)調(diào)試：使用IDA Pro、gdb等工具動(dòng)態(tài)加載應(yīng)用，并動(dòng)態(tài)調(diào)試（設(shè)置斷點(diǎn)、單步跟蹤、查看寄存器數(shù)據(jù)等）。

根據(jù)Android官方文檔說明，如果需要調(diào)試Android應(yīng)用，需要滿足以下兩個(gè)條件之一：AndroidManifest.xml中的Application標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)具備屬性：android:debuggable=”true”或系統(tǒng)default.prop文件中的ro.debuggable的值為1。見圖1。

二、現(xiàn)有保護(hù)機(jī)制

目前Android對(duì)開發(fā)者提供了基本的保護(hù)手段：代碼混淆。它是Java代碼的傳統(tǒng)保護(hù)機(jī)制，不但可以降低代碼在反編譯后的可讀性，還可以減少應(yīng)用的大小，提高運(yùn)行效率，可以說是一舉多得。Android開發(fā)環(huán)境從2.3版本后集成了Proguard作為混淆工具，打開開關(guān)即可完成默認(rèn)配置的混淆效果[2]，見圖2。

此外，第三方也提供了一些加強(qiáng)版的混淆工具(如DexGuard、Allatori)，不但可以對(duì)函數(shù)名、類名、變量名做混淆，還可以對(duì)其中的字符串做混淆，將調(diào)用改為反射調(diào)用，對(duì)資源加密等。但這些工具一方面要收取不菲的費(fèi)用，另一方面，仍然只是降低了可讀性，并未完全保護(hù)應(yīng)用。見圖3。

三、應(yīng)用防篡改機(jī)制

鑒于Android自身的保護(hù)機(jī)制的不完善，這里進(jìn)一步提出其他防篡改的機(jī)制：

（一）檢測機(jī)制：

1.校驗(yàn)簽名：檢查Android的簽名機(jī)制是檢測應(yīng)用有無被篡改的最有效手段。由于簽名證書的安全性，私鑰不會(huì)公開，第三方也無法獲取私鑰，從而無法偽造證書簽名，只能使用其他證書進(jìn)行簽名。因此，只要在運(yùn)行時(shí)校驗(yàn)當(dāng)前應(yīng)用的簽名證書是否是原始證書即可，當(dāng)然原始證書的信息（公鑰信息）也可以保存在服務(wù)器端，通過遠(yuǎn)程驗(yàn)證方式來進(jìn)一步確保其安全性。

APK的簽名信息保存在META-INF目錄的RSA文件中。校驗(yàn)簽名的思路是：應(yīng)用啟動(dòng)后，從安裝后的APK文件中讀取RSA文件，并從中拿到證書信息，然后與正確的證書信息比對(duì)，以下代碼是讀取RSA文件簽名的代碼示例：

2.校驗(yàn)應(yīng)用指紋：通過校驗(yàn)APK的HASH值來確保應(yīng)用未被非法修改。從系統(tǒng)路徑找到應(yīng)用對(duì)應(yīng)的APK，通過PackageManager可以得到APK的路徑，對(duì)APK文件計(jì)算HASH值，如對(duì)APK全文做MD5計(jì)算，將結(jié)果送到后臺(tái)進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)成功后，繼續(xù)業(yè)務(wù)邏輯。

3.檢測運(yùn)行環(huán)境是否處于虛擬機(jī)：篡改者的一種策略是在PC上的Android模擬器中運(yùn)行被攻擊應(yīng)用，由于模擬器的環(huán)境可以任意修改，使得篡改者可以擁有更多的權(quán)限和信息。那么可以在應(yīng)用啟動(dòng)時(shí)，加入相關(guān)的檢測邏輯，一旦檢測到當(dāng)前環(huán)境處于模擬環(huán)境，則立刻退出應(yīng)用。由于Android模擬器運(yùn)行時(shí)主要依賴QEMU這個(gè)工具，所以可以檢查當(dāng)前進(jìn)程或者系統(tǒng)變量是否包含相關(guān)信息。

以下的偽代碼是通過獲取系統(tǒng)的屬性ro.kernel. qemu來判斷當(dāng)前是否是模擬器。

（二）靜態(tài)防御機(jī)制：

1.破壞反編譯機(jī)制：其思路是，針對(duì)常見的反編譯工具，構(gòu)造使其不能正常工作的代碼，導(dǎo)致其反編譯失敗。通過測試大量反編譯APK文件，可以找出能夠讓反編譯工具無法正常工作的場景，然后根據(jù)此時(shí)產(chǎn)生的錯(cuò)誤信息，找到線索來重現(xiàn)異常，并將這種機(jī)制放在自身代碼中。但這種做法有一定的局限性：即尋找反編譯工具的漏洞過程比較漫長，且結(jié)果不確定；對(duì)于開發(fā)者的要求較高；反編譯工具會(huì)不停地演化升級(jí)，原有的破壞機(jī)制逐漸失效，需要尋找新的破壞機(jī)制。

2.NDK機(jī)制：NDK是android提供的一套Native語言開發(fā)工具包，也就是使用C/C++編寫業(yè)務(wù)代碼的開發(fā)包。開發(fā)者使用NDK編寫代碼，生成so為擴(kuò)展名的動(dòng)態(tài)鏈接庫，然后在Java層通過JNI調(diào)用so文件中的函數(shù)方法。

NDK機(jī)制的保護(hù)力度比代碼混淆要高得多，但它的缺點(diǎn)也很明顯：即增加開發(fā)成本：開發(fā)人員必須要學(xué)習(xí)C/C++語言，并編寫相關(guān)的實(shí)現(xiàn)；保護(hù)力度有限：只能針對(duì)核心業(yè)務(wù)邏輯(與界面無關(guān))，比如加解密、敏感數(shù)據(jù)、核心算法等進(jìn)行保護(hù)。見圖4。

（三）動(dòng)態(tài)防御機(jī)制：

1.防止動(dòng)態(tài)調(diào)試機(jī)制：Gdb等調(diào)試工具的原理是通過系統(tǒng)調(diào)用ptrace來注入到進(jìn)程中，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)試。為了防止動(dòng)態(tài)調(diào)試，在應(yīng)用啟動(dòng)時(shí)立刻Ptrace自身，這樣如gdb等工具就無法成功ptrace應(yīng)用，從而無法調(diào)試和動(dòng)態(tài)注入。防御的相關(guān)實(shí)現(xiàn)需要放在so文件的JNI_OnLoad方法中，應(yīng)用啟動(dòng)后立刻加載so文件，一旦加載，該邏輯立刻執(zhí)行。

2.加殼機(jī)制：對(duì)于一個(gè)Android應(yīng)用來說，主業(yè)務(wù)邏輯是保存在classes.dex中，可以將真實(shí)的classes. dex文件事先加密保存，而在運(yùn)行之后，解密DEX文件，然后動(dòng)態(tài)加載入內(nèi)存運(yùn)行。這種做法會(huì)使得篡改者針對(duì)應(yīng)用的靜態(tài)分析手段失效。為了保證安全性，主要的業(yè)務(wù)邏輯均需要以NDK編寫，并在JNI_OnLoad方法中實(shí)現(xiàn)。

具體實(shí)現(xiàn)上，加殼流程（見圖5）如下：

*編寫StubApplication，從Application類繼承，代碼主要完成脫殼的操作

*修改原應(yīng)用的清單文件，將其聲明的Application入口改為StubApplication將原應(yīng)用的classes.dex文件通過加密后放在assets目錄下，如果需要對(duì)資源加密，可以做類似處理

*將Stub相關(guān)文件實(shí)現(xiàn)編譯為smali或者so

*重新打包

脫殼時(shí)首先解密文件，然后通過Android框架提供的動(dòng)態(tài)加載類DexClassLoader[3]，解密后的dex文件同時(shí)還需要通過反射機(jī)制修改當(dāng)前內(nèi)存中相關(guān)變量，主要是將當(dāng)前應(yīng)用的ClassLoader替換為DexClassLoader。此外，還需要將Application對(duì)象替換為原Application對(duì)象。

Dex文件的加殼機(jī)制相對(duì)以上的其他防御機(jī)制來說是更有效的手段，第三方很難使用靜態(tài)分析的手段來破解應(yīng)用邏輯。但由于Dex文件在應(yīng)用運(yùn)行時(shí)被Dalvik虛擬機(jī)加載到內(nèi)存執(zhí)行，因此攻擊者可以通過運(yùn)行Dump內(nèi)存的手段，將含有Dex文件的內(nèi)存數(shù)據(jù)全部存儲(chǔ)到文件中，然后通過找到Dex文件的Header以及文件長度偏移量，利用dd等工具將Dex文件從中摳取出來，從而獲得了未加密的原始Dex文件。具體的破解步驟如下：

*在設(shè)備中運(yùn)行目標(biāo)應(yīng)用

*在設(shè)備上運(yùn)行g(shù)db，并指向目標(biāo)應(yīng)用的進(jìn)程ID：gdb-pid=xxx

*通過gcore dump出整個(gè)進(jìn)程內(nèi)存，轉(zhuǎn)儲(chǔ)為一個(gè)二進(jìn)制文件

*在PC上使用工具查看該文件，并查找Dex文件頭部（匹配字符串：dex？035）

*使用dd來摳取數(shù)據(jù)：

（四）虛擬機(jī)保護(hù)機(jī)制

由于Android的自身機(jī)制決定可以通過動(dòng)態(tài)注入的方式來獲取原始Dex文件,所以理論上可以通過修改Dalvik虛擬機(jī)生成自己私有的虛擬機(jī)模式，在虛擬機(jī)這一層來做Dex文件的加解密,可以在內(nèi)存中保護(hù)Dex文件，甚至可以使得Dex文件動(dòng)態(tài)組裝、動(dòng)態(tài)修改，使得攻擊者無法通過dump或者注入的方式獲取真實(shí)的Dex文件。這種機(jī)制理論上是最安全的保護(hù)機(jī)制，但其問題也很明顯，即對(duì)Android的兼容性，由于Android 5.0開始，ART取代了Dalvik虛擬機(jī)模式，即APK在安裝后就會(huì)被預(yù)先編譯成本地可執(zhí)行的機(jī)器碼，而不再采用解釋執(zhí)行的虛擬機(jī)模式，從而提高了運(yùn)行效率。而ART模式也決定了通過對(duì)Dex文件動(dòng)態(tài)組裝的虛擬機(jī)保護(hù)模式無法走通。

Android系統(tǒng)具有開放性和強(qiáng)大的擴(kuò)展性，但其安全性尤其是對(duì)應(yīng)用的保護(hù)方面差強(qiáng)人意。開發(fā)者通過混合使用本文中靜態(tài)防御、動(dòng)態(tài)防御、檢測機(jī)制，可以提高破解、篡改者的技術(shù)門檻和篡改成本。但由于Android自身的機(jī)制決定，現(xiàn)有的保護(hù)手段都存在對(duì)應(yīng)的破解方法。一方面，應(yīng)用的保護(hù)機(jī)制越來越深入底層，才能應(yīng)對(duì)各種各樣的破解方法，但另一方面，底層機(jī)制的改動(dòng)會(huì)降低應(yīng)用對(duì)機(jī)型適配和兼容能力，目前來說，這是一個(gè)魚和熊掌不可得兼的局面。如果需要打破這一局面，還是需要谷歌本身重視對(duì)應(yīng)用的保護(hù)，在底層提供更多的保護(hù)機(jī)制給應(yīng)用開發(fā)者。

[1]豐生強(qiáng).Android軟件安全與逆向分析[M].人民郵電出版社，2013.

[2][美]Anmol Misra.Android系統(tǒng)安全與攻防[M]機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[3]柯元旦.Android內(nèi)核剖析[M]電子工業(yè)出版社，2011.

編輯 朱榮華

TN91

A

2095-8528（2015）05-067-04

2015-04-26

李萍（1975-），女，廣東省輕工業(yè)技師學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)講師，研究方向?yàn)锳ndroid平臺(tái)的應(yīng)用安全與保護(hù)機(jī)制。