任小波 張長(zhǎng)勝

摘要： 本文為探討安卓系統(tǒng)醫(yī)用程序的安全性能，對(duì)不同方式的拓展框架進(jìn)行了對(duì)比和分析，研究結(jié)果顯示I-ARM-Droid框架的優(yōu)越性能。本文展示了此框架下安卓應(yīng)用程序的部分代碼和Dalvik bytecode；對(duì)深入了解I-ARM-Droid框架，并在重寫(xiě)安卓應(yīng)用程序相關(guān)工具中發(fā)揮作用具體應(yīng)用價(jià)值。

Abstract： This paper makes a comparative analysis of the safety performance of the medical program of Android system， and analyzes the development framework of different ways. The results show that the I-ARM-Droid framework is superior to the performance of the system. This article shows some of the code and bytecode Dalvik of Android application under this framework； to understand the I-ARM-Droid framework， and to rewrite the application of Android application related tools to play a role in specific applications.

關(guān)鍵詞： 安卓應(yīng)用程序；安全測(cè)試；拓展框架

Key words： Android application；security testing；development framework

中圖分類(lèi)號(hào)：[TN915.09] 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）01-0162-03

0 引言

安卓程序的應(yīng)用市場(chǎng)隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的發(fā)展經(jīng)歷著日新月異的改變。目前，就安卓系統(tǒng)來(lái)講，其中正在使用的應(yīng)用程序多達(dá)百萬(wàn)種，因此，對(duì)于安卓系統(tǒng)來(lái)講，如何進(jìn)行安全防控和安全測(cè)試就顯得尤為重要[1]。正因?yàn)檫@樣，諸多帶病毒的相應(yīng)軟件從安卓漏洞當(dāng)中出發(fā)，使得眾多用戶(hù)自身的隱私遭受到了損害。研究者針對(duì)安卓手機(jī)用戶(hù)的安全問(wèn)題進(jìn)行了諸多研究，開(kāi)發(fā)多種形式的拓展框架 （Framework Extension）為其中重要程度很高的方式，在這當(dāng)中，I-ARM-Droid（In-App Reference Monitors for Android Applications）框架承擔(dān)著重寫(xiě)重任[2]，其突出的優(yōu)點(diǎn)便在于用戶(hù)不必更改安卓系統(tǒng)的中間件和Linux內(nèi)核，只需要關(guān)心應(yīng)用APP就可以對(duì)自身電腦進(jìn)行安全防范。之所以使用框架，目的是最大程度上以自定義的方式消除當(dāng)下安卓系統(tǒng)當(dāng)中的相應(yīng)安全隱患。

1 拓展框架的安全防控原理

拓展框架通過(guò)確定目標(biāo)方法的應(yīng)用程序建立引用監(jiān)聽(tīng)，如此目的有二：其一，用戶(hù)自主性較強(qiáng)，可自主就Java源代碼進(jìn)行編寫(xiě)，之后進(jìn)行編譯，得到Dalvikbytecode攔截目標(biāo)；除此之外，對(duì)于用戶(hù)來(lái)講，原有apk（安卓應(yīng)用程序）若以反轉(zhuǎn)編譯方式得到Dalvikbytecode并進(jìn)行修改，使用期調(diào)用用戶(hù)編寫(xiě)的API，將修改的Dalvikbytecode和用戶(hù)創(chuàng)建的Dalvikbytecode集成一體，用戶(hù)簽名創(chuàng)建驗(yàn)證修改的apk。需要注意的是，在安卓系統(tǒng)中通常用證書(shū)的形式驗(yàn)證程序開(kāi)發(fā)者，因此，在這個(gè)過(guò)程中拓展框架成為關(guān)鍵一點(diǎn)，用戶(hù)不必更改安卓系統(tǒng)的中間件和Linux內(nèi)核，只需要關(guān)心應(yīng)用APP就可以添加安全控制措施。并且，通過(guò)測(cè)試證明修改后的部件運(yùn)行性能沒(méi)有收到絲毫影響。

1.1 確定目標(biāo)方法

拓展框架進(jìn)行采用的時(shí)候，第一，用戶(hù)應(yīng)了解相應(yīng)的目標(biāo)方法，同時(shí)在此基礎(chǔ)上要滿(mǎn)足用戶(hù)的個(gè)性化需求。以框架為例，框架示意圖如圖1所示，Dalvikbytecode當(dāng)中，標(biāo)識(shí)方面應(yīng)以全名進(jìn)行認(rèn)可，詳細(xì)來(lái)看，即所有方法在全名當(dāng)中都含有多個(gè)方面，比如返回類(lèi)型（returning types）、包名（package name）、和類(lèi)名（class name）[3]。這種方法在用戶(hù)需要攔截兩個(gè)同名目標(biāo)方法時(shí)不會(huì)混淆，盡快兩個(gè)方法的名相同，但是可以明顯看出它們?cè)诓煌陌鼉?nèi)。

1.2 創(chuàng)建Stub/Wedge Java API

當(dāng)?shù)玫较鄳?yīng)的目標(biāo)方法后，對(duì)于用戶(hù)來(lái)講，即可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行自定義，所以，就自定義狀況進(jìn)行闡述時(shí)，需要分析Stub和Wedge這兩個(gè)重要的概念。

在Dalvikbytecode中有靜態(tài)方法（Static method），構(gòu)造方法（Constructor），實(shí)例方法（Instance method）三種主要類(lèi)型可供調(diào)用，在I-ARM-Droid框架中，用戶(hù)可以通過(guò)靜態(tài)方法添加用戶(hù)的自定義行為，因此，這種方法被稱(chēng)為Stub方法。具體而言，靜態(tài)方法是在其方法聲明時(shí)添加Static標(biāo)示符，而Java支持靜態(tài)方法和靜態(tài)變量，所以靜態(tài)方法在被調(diào)用時(shí)需要與其類(lèi)名一同，并不需要提前創(chuàng)建這個(gè)類(lèi)的實(shí)例。舉例來(lái)說(shuō)，I-ARM-Droid框架當(dāng)中應(yīng)就“java. lang. Math. Sqrt”方法進(jìn)行攔截，用戶(hù)方式，則可以同樣的返回種類(lèi)與名字進(jìn)行設(shè)計(jì)，也就是 “pkgprefix. java. lang. Math. sqrt”。然而就實(shí)例和靜態(tài)兩種方式來(lái)講，其是完全不同的，實(shí)例方法便不需要標(biāo)識(shí)符，在被調(diào)用時(shí)，用戶(hù)只有就實(shí)例類(lèi)型進(jìn)行創(chuàng)設(shè)才可使用相應(yīng)的方式。舉例如下：

ClassA classA=new ClassA（）；

classA. instanceMethodName（）。

圖2當(dāng)中展現(xiàn)的為被攔截實(shí)例方式。

“android. app. Activity. setContentView（int）”。

如圖2，其展示的即是用戶(hù)將I-ARM-Droid框架當(dāng)作基礎(chǔ)進(jìn)行攔截的相應(yīng)“android. app. Activity. setContentView（int）”。在這當(dāng)中，用戶(hù)有對(duì)返回種類(lèi)與名字進(jìn)行相應(yīng)的創(chuàng)設(shè)，差別及是新方式當(dāng)中的參數(shù)共有2個(gè)，其一即是被攔截方面的相應(yīng)實(shí)例。和上述方式存在差別的是，所謂構(gòu)造方式，屬于Java創(chuàng)建類(lèi)當(dāng)中的一種實(shí)例，特征即是定義和方法存在相似性，區(qū)別即是類(lèi)名和構(gòu)造方式間是相應(yīng)的，其中沒(méi)有返回類(lèi)型。ClassA classA=new ClassA（args）。圖3中便是攔截的構(gòu)造方法。

觀(guān)察 I-ARM-Droid框架能夠發(fā)現(xiàn)，所謂Wedge方法，即是用戶(hù)就目標(biāo)方法進(jìn)行攔截的相應(yīng)方式，舉例來(lái)講，若用戶(hù)想就“android. app. Activity. setContenView”進(jìn)行攔截的話(huà)，首先應(yīng)建立的是Wedge類(lèi)“pkgprefix. wedge. android. app. Activity”。其中，能夠就setContentView進(jìn)行整體囊括。對(duì)于用戶(hù)來(lái)講，需要做的即是將全部承襲 “android.app.Activity”均改為繼承“pkgprefix.wedge.android.app.Activity” 類(lèi)。圖4即為攔截的“android.app.activity” 類(lèi)。在圖4中，相應(yīng)的用戶(hù)攔截方式是對(duì)為“android. app. Activity. setContent View”進(jìn)行的相應(yīng)調(diào)用，其中Weage整體名稱(chēng)是“pkgprefix. wedge. android. app. Activity. setContentView”。在此基礎(chǔ)上，即可在更改MainActivity的前提下得到Wedge Activity。

1.3 更改原始安卓apk

將Wedge與Stub當(dāng)作基礎(chǔ)攔截目標(biāo)的方式，用戶(hù)方面，即可在對(duì)原有的安卓系統(tǒng)應(yīng)用程序當(dāng)中的相應(yīng)目標(biāo)方式進(jìn)行引用，在此基礎(chǔ)上，重寫(xiě)名稱(chēng)的調(diào)用情況，通常來(lái)講，用戶(hù)能得到apk文件，在這時(shí)候，apktool會(huì)因?yàn)榉淳幾g的方式得到Dalvikbytecode。命令操作即是“apktool d APPNAME. Apk DESTINATION FOLDER NAME” 。下述內(nèi)容是詳細(xì)對(duì)Dalvikbyte code攔截方式的闡述。①以Dalvik bytecode方式為基礎(chǔ)，對(duì)靜態(tài)方式進(jìn)行更改；②以Dalvik bytecode為基礎(chǔ)，更改其中的實(shí)例方式；③在Dalvik bytecode中修改構(gòu)造類(lèi)型；④在Dalvik bytecode中修改 Wedge 方法。

1.4 新的未簽名的apk文件由Dalvik bytecode編譯

用戶(hù)方面，若之前的Dalvik bytecode進(jìn)行了相應(yīng)的更改，同時(shí)劃分成兩類(lèi)Dalvik bytecode。則用戶(hù)的做法即是最大程度上將其進(jìn)行合成，而apktool工具即能創(chuàng)設(shè)相應(yīng)的apk文件，一旦命令成功執(zhí)行之后，新的apk文件便創(chuàng)建在apktool＼simpleApp＼dist上。

1.5 簽名測(cè)試安卓應(yīng)用程序

若安卓系統(tǒng)當(dāng)中有沒(méi)有簽名的相應(yīng)apk，則用戶(hù)的證書(shū)即會(huì)驗(yàn)證直白，所以此基礎(chǔ)上可以signapk.Jar為基礎(chǔ)，獲取apk文件。概況而言，Stub和Wedge兩種方式攔截了要傳遞給目標(biāo)方法的參數(shù)，適宜I-ARM-Droid用戶(hù)充分利用現(xiàn)有信息監(jiān)聽(tīng)并制定相應(yīng)的安全策略。

2 基于安卓程序安全視角的I-ARM-Droid拓展框架分析

在不同的包中創(chuàng)建Stub和Wedge方法，并不能用行內(nèi)添加自定義代替[4]。這是因?yàn)?，將其放在不同的包中，能夠極大有利于開(kāi)發(fā)者減少代碼量，并且新的方法只需要進(jìn)行單次添加。換句話(huà)說(shuō)，這樣可以減少代碼冗余，并且管理代碼十分方便。同時(shí)，本文選擇用Dalvik bytecode代替javabytecode植入也頗有深意，這是因?yàn)橹T如dex2jar等類(lèi)似的相應(yīng)編譯工具，均是可通過(guò)Dalvik bytecode進(jìn)行轉(zhuǎn)碼的，之后得到Java字節(jié)碼，卻無(wú)法保證可以把javabytecode更改為Dalvikbytecode并保證其安全性能。

2.1 拓展框架的局限之處

以Stub與Wedge方式當(dāng)作基礎(chǔ)進(jìn)行創(chuàng)設(shè)，最關(guān)鍵的即是相應(yīng)的開(kāi)發(fā)人員在安卓應(yīng)用程序開(kāi)放上擁有經(jīng)驗(yàn)，就算是I-ARM-Droid可維持安卓系統(tǒng)當(dāng)中的相應(yīng)中間件層，然而開(kāi)發(fā)者方面，仍舊不能很好的就不一樣的目標(biāo)方法的安全敏感性進(jìn)行明確，因此開(kāi)發(fā)者便無(wú)從判定，需要向擁有豐富開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的大公司求助[5]。很顯然，這對(duì)安卓應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)而言是一筆不菲的開(kāi)支，同是，當(dāng)開(kāi)發(fā)者不能維持源代碼準(zhǔn)確性時(shí)，即會(huì)得到全部危險(xiǎn)目標(biāo)方法，特別應(yīng)注意的為， Stub與Wedge兩種方式均需要開(kāi)發(fā)者就原有的相應(yīng)程序代表展開(kāi)變化，舉例來(lái)講，采取Wedge方法時(shí)，開(kāi)發(fā)者方面，應(yīng)就原有的子類(lèi)進(jìn)行變化，承襲其中含有Wedge方式的相應(yīng)類(lèi)，若類(lèi)在安全測(cè)試上沒(méi)有通過(guò)，那么程序的正常性就會(huì)受到威脅。

2.2 拓展框架的優(yōu)越性能

比較而言，I-ARM-Droid的框架是安卓全擴(kuò)展形式的“便攜式”體現(xiàn)，這是因?yàn)榇丝蚣艽嬗趹?yīng)用層當(dāng)中，優(yōu)勢(shì)即是和中間件與Linux內(nèi)核方面的距離較遠(yuǎn)。若框架在進(jìn)行修改的時(shí)候關(guān)系到此兩方面的話(huà)，那么安卓系統(tǒng)的平臺(tái)代碼全部都得更換。在此狀況下，這種更換要比單純的對(duì)應(yīng)用程序代碼進(jìn)行更改的步驟與內(nèi)容更為繁雜，然而，即使是整體進(jìn)行修改，同樣應(yīng)獲取root權(quán)限[6]，而這即會(huì)在很大程度上讓安卓系統(tǒng)平臺(tái)在安全方面受到威脅。所以， I-ARM-Droid優(yōu)勢(shì)是較高的，對(duì)其來(lái)講，需要做的即是對(duì)應(yīng)用層進(jìn)行部分的更改。另外，在注入了stub和wedge API后，對(duì)安卓應(yīng)用程序性能上的影響微乎其微。

以最大程度上展現(xiàn)驗(yàn)證性能為目的，本篇在進(jìn)行試驗(yàn)的時(shí)候，采用的為Stub方法，對(duì)象即是“java.lang.StringBuilderappend（String str）” 調(diào)用過(guò)程，首先創(chuàng)建了靜態(tài)方法，如圖5所示。在此案例中，本文完成相應(yīng)的調(diào)用目標(biāo)方式是“java. lang. StringBuilder. append（String str）”10 000次。原有調(diào)用的相應(yīng)時(shí)間是68μs，納入Stub后，調(diào)用時(shí)間增加到了75μs。這在一定程度上表明幾乎每一次的相應(yīng)調(diào)用時(shí)間會(huì)維持在0.0007μs左右。如圖6所示，Logcat所展示出的是納入stub方法之前與之后，在調(diào)用時(shí)間方面的狀況（“pkgprefix. java. lang. StringBuider. append（java. lang. StringBuilder sb， String str” ）。概而言之，重要性是I-ARM-Droid框架的重要特點(diǎn)，無(wú)論是哪種目標(biāo)方式，其源頭都是Android SDK，或是Java SDK。除此之外，所有安卓應(yīng)用程序當(dāng)中，對(duì)象用戶(hù)均可以用相同的方法攔截目標(biāo)方法，保證安卓應(yīng)用平臺(tái)的安全性和兼容性。

3 結(jié)論

本文通以I-ARM-Droid拓展框架展示了部分代碼和工具，并通過(guò)安卓應(yīng)用程序改進(jìn)測(cè)試。本文研究在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行明確時(shí)，挑選的是難度較低的方式，就Stub與Wedge兩種方式進(jìn)行了創(chuàng)設(shè)，同時(shí)展出了Dalvik bytecode反編譯（改正后）的相應(yīng)方式。就本篇來(lái)講，談到的2類(lèi)方式都可以對(duì)參數(shù)進(jìn)行攔截，所以用戶(hù)即具有較大的便利性，可以相對(duì)明確的方式就目標(biāo)方法展開(kāi)監(jiān)控。

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