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Android软件安全开发实践

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发表于 2017-6-3 11:25:44 | 显示全部楼层 |阅读模式
Android开发是当前最火的话题之一,但很少有人讨论这个领域的安全问题。本系列将分两期,探讨Android开发中常见的安全隐患和解决方案。第一期将从数据存储、网络通信、密码和认证策略这三个角度,带你走上Android软件安全开发实践之旅。
过去两年,研究人员已发现Android上的流行软件普遍存在安全缺陷或安全漏洞。漏洞频发的原因可能有很多,例如以下几种。



与一切都是集中管理的iOS相比,Android提供了一种开放的环境,在获得了灵活性、可以满足各种定制需求的同时,也损失了部分安全性。


开发团队通常将精力集中在产品设计、功能实现、用户体验和系统效率等方面,而很少考虑安全问题。


Android提供的安全机制比较复杂,开发者需要理解它们,并对常见的攻击思路和攻击方法有所了解,才能有效地保护软件。


一方面,目前很少出现对特定移动软件安全漏洞的大规模针对性攻击,在真实的攻击出现之前,许多人对此并不重视。另一方面,利用这些漏洞展开攻击并不太难,许 多攻击方法和工具都已经成熟。一旦出现这种攻击,用户的个人隐私数据可能发生泄漏,账户信息可能被盗取,如果与钓鱼等攻击结合,甚至可能产生经济损失。产 品开发团队则可能由此面临信任危机和法律风险。

我在此前进行的一些安全评估中,看到不少开发团队已具有非常高的安全开发水平,但也发现有知 名企业的软件存在各种缺陷。在本文中,我们将向大家介绍Android软件中比较常见的安全缺陷或安全漏洞,分析产生问题的原因,介绍可能的攻击方法,并 给出解决问题的建议。希望能抛砖引玉,引起大家对这类问题的关注。
数据存储
Android软件可以使用的存储区域分为外部(SD卡)和内部(NAND闪存)两种。除了大小和位置不同之外,两者在安全权限上也有很大的区别。外部存储的文件没有读写权限的管理,所有应用软件都可以随意创建、读取、修改、删除位于外部存储中的任何文件,而仅仅需要申明READ_EXTERNAL_STORAGE和READ_EXTERNAL_STORAGE权限。内部存储则为每个软件分配了私有区域,并有基于Linux的文件权限控制,其中每个文件的所有者ID均为Android为该软件设立的一个用户ID。通常情况下,其他软件无权读写这些文件。
关于数据存储可能出现的问题包括以下几种。
将隐私数据明文保存在外部存储
例如,聊天软件或社交软件将聊天记录、好友信息、社交信息等存储在SD卡上;备份软件将通信录、短信等备份到SD卡上等。如果这些数据是直接明文保存(包括 文本格式、XML格式、SQLite数据库格式等)的,那么攻击者写的软件可以将其读取出来,并回传至指定的服务器,造成隐私信息泄露。
较好的做法是对这些数据进行加密,密码保存在内部存储,由系统托管或者由用户使用时输入。
将系统数据明文保存在外部存储
例如,备份软件和系统辅助软件可能将用户已安装的其他软件数据保存至SD卡,以便刷机或升级后进行恢复等;或者将一些系统数据缓存在SD卡上供后续使用。同样的,如果这些数据是明文保存的,恶意软件可以读取它们,有可能用于展开进一步的攻击。
将软件运行时依赖的数据保存在外部存储
如果软件将配置文件存储在SD卡上,然后在运行期间读取这些配置文件,并根据其中的数据决定如何工作,也可能产生问题。攻击者编写的软件可以修改这些配置文 件,从而控制这些软件的运行。例如,如果将登录使用的服务器列表存储在SD卡中,修改后,登录连接就会被发往攻击者指定的服务器,可能导致账户泄露或会话 劫持(中间人攻击)。
对这种配置文件,较安全的方法是保存到内部存储;如果必须存储到SD卡,则应该在每次使用前判断它是否被篡改,例如,与预先保存在内部的文件哈希值进行比较。
将软件安装包或者二进制代码保存在外部存储
现在很多软件都推荐用户下载并安装其他软件;用户点击后,会联网下载另一个软件的APK文件,保存到SD卡然后安装。
也有一些软件为了实现功能扩展,选择动态加载并执行二进制代码。例如,下载包含了扩展功能的DEX文件或JAR文件,保存至SD卡,然后在软件运行时,使用 dalvik.system.DexClassLoader类或者java.lang.ClassLoader类加载这些文件,再通过Java反射,执行 其中的代码。
如果在安装或加载前,软件没有对SD卡上的文件进行完整性验证,判断其是否可能被篡改或伪造,就可能出现安全问题。
在这里,攻击者可以使用称 为“重打包”(re-packaging)的方法。目前大量Android恶意代码已采用这一技术。重打包的基本原理是,将APK文件反汇编,得到 Dalvik指令的smali语法表示;然后在其中添加、修改、删除等一些指令序列,并适当改动Manifest文件;最后,将这些指令重新汇编并打包成 新的APK文件,再次签名,就可以给其他手机安装了。通过重打包,攻击者可以加入恶意代码、改变软件的数据或指令,而软件原有功能和界面基本不会受到影 响,用户难以察觉。
如果攻击者对软件要安装的APK文件或要加载的DEX、JAR文件重打包,植入恶意代码,或修改其原始代码;然后在SD 卡上,用其替换原来的文件,或者拷贝到要执行或加载的路径,当软件没有验证这些文件的有效性时,就会运行攻击者的代码。攻击结果有很多可能,例如直接发送 扣费短信,或者将用户输入的账户密码发送给指定的服务器,或者弹出钓鱼界面等。
因此,软件应该在安装或加载位于SD卡的任何文件之前,对其完整性做验证,判断其与实现保存在内部存储中的(或从服务器下载来的)哈希值是否一致。
全局可读写的内部文件
如果开发者使用openFileOutput(String name,int mode)方法创建内部文件时,将第二个参数设置为Context.MODE_WORLD_READABLE或 Context.MODE_WORLD_WRITEABLE,就会让这个文件变为全局可读或全局可写的。
开发者也许是为了实现不同软件之间的数据共享,但这种方法的问题在于无法控制哪个软件可以读写,所以攻击者编写的恶意软件也拥有这一权限。
如果要跨应用共享数据,一种较好的方法是实现一个Content Provider组件,提供数据的读写接口,并为读写操作分别设置一个自定义权限。
内部敏感文件被root权限软件读写
如果攻击者的软件已获得root权限,自然可以随意读写其他软件的内部文件。这种情况并不少见。



大量的第三方定制ROM提供了root权限管理工具,如果攻击者构造的软件伪造成一些功能强大的工具,可以欺骗用户授予它root权限。


即便手机安装的官方系统,国内用户也大多乐于解锁、刷recovery并刷入root管理工具。


在Android 2.2和2.3中,存在一些可以用于获取root权限的漏洞,并且对这种漏洞的利用不需要用户的确认。

因此,我们并不能假设其他软件无法获取root权限。即便是存在内部的数据,依然有被读取或修改的可能。
前面提到,重要、敏感、隐私的数据应使用内部存储,现在又遇到root后这些数据依然可能被读取的问题。我对这个问题的观点是,如果攻击者铤而走险获得root权限(被用户觉察或者被安全软件发现的风险),那理论上他已拥有了系统的完整控制权,可以直接获得联系人信息、短信记录等。此时,攻击者感兴趣的 软件漏洞利用更可能是获得其他由软件管理的重要数据,例如账户密码、会话凭证、账户数据等。例如,早期Google钱包将用户的信用卡数据明文存储,攻击 者获取这些数据后,可以伪装成持卡人进行进一步攻击以获得账号使用权。这种数据就是“其他由软件管理的重要数据”。
这个问题并没有通用的解决方法。开发者可能需要根据实际情况寻找方案,并在可用性与安全性之间做出恰当的选择。
网络通信
Android软件通常使用WiFi网络与服务器进行通信。WiFi并非总是可信的。例如,开放式网络或弱加密网络中,接入者可以监听网络流量;攻击者可以自己设置WiFi网络钓鱼。此外,在获得root权限后,还可以在Android系统中监听网络数据。
不加密地明文传输敏感数据
最危险的是直接使用HTTP协议登录账户或交换数据。例如,攻击者在自己设置的钓鱼网络中配置DNS服务器,将软件要连接的服务器域名解析至攻击者的另一台服务器;这台服务器就可以获得用户登录信息,或者充当客户端与原服务器的中间人,转发双方数据。
早期,国外一些著名社交网站的Android客户端的登录会话没有加密。后来出现了黑客工具FaceNiff,专门嗅探这些会话并进行劫持(它甚至支持在WEP、WPA、WPA2加密的WiFi网络上展开攻击!)。这是目前我所知的唯一一个公开攻击移动软件漏洞的案例。
这类问题的解决方法很显然—对敏感数据采用基于SSL/TLS的HTTPS进行传输。
SSL通信不检查证书有效性
在SSL/TLS通信中,客户端通过数字证书判断服务器是否可信,并采用证书中的公钥与服务器进行加密通信。
然而,有开发者在代码中不检查服务器证书的有效性,或选择接受所有的证书。例如,开发者可以自己实现一个X509TrustManager接口,将其中的 checkServerTrusted()方法实现为空,即不检查服务器是否可信;或者在SSLSocketFactory的实例中,通过 setHostnameVerifier(SSLSocketFactory.ALLOW_ALL_HOSTNAME_VERIFIER),接受所有证 书。做出这两种选择的可能原因是,使用了自己生成了证书后,客户端发现证书无法与系统可信根CA形成信任链,出现了
CertificateException等异常。
这种做法可能导致的问题是中间人攻击。
在钓鱼WiFi网络中,同样地,攻 击者可以通过设置DNS服务器使客户端与指定的服务器进行通信。攻击者在服务器上部署另一个证书,在会话建立阶段,客户端会收到这张证书。如果客户端忽略 这个证书的异常,或者接受这个证书,就会成功建立会话、开始加密通信。但攻击者拥有私钥,因此可以解密得到客户端发来数据的明文。攻击者还可以模拟客户 端,与真正的服务器联系,充当中间人做监听。
解决问题的一种方法是从可信CA申请一个证书。但在移动软件开发中,不推荐这种方法。除了申请 证书的时间成本和经济成本外,这种验证只判断了证书是否CA可信的,并没有验证服务器本身是否可信。例如,攻击者可以盗用其他可信证书,或者盗取CA私钥 为自己颁发虚假证书,这样的攻击事件在过去两年已有多次出现。
事实上,移动软件大多只和固定的服务器通信,因此可以在代码中更精确地直接验 证是否某张特定的证书,这种方法称为“证书锁定”(certificate pinning)。实现证书锁定的方法有两种:一种是前文提到的实现X509TrustManager接口,另一种则是使用KeyStore。具体可参考 Android开发文档中HttpsURLConnection类的概览说明。
使用短信注册账户或接收密码
也有软件使用短信进行通信,例如自动发送短信来注册、用短信接收初始密码、用短信接收用户重置的密码等。
短 信并不是一种安全的通信方式。恶意软件只要申明了SEND_SMS、RECEIVE_SMS和READ_SMS这些权限,就可以通过系统提供的API向任 意号码发送任意短信、接收指定号码发来的短信并读取其内容,甚至拦截短信。这些方法已在Android恶意代码中普遍使用,甚至2011年就已出现拦截并 回传短信中的网银登录验证码(mTANs)的盗号木马Zitmo。
因此,这种通过短信注册或接收密码的方法,可能引起假冒注册、恶意密码重置、密码窃取等攻击。此外,这种与手机号关联的账户还可能产生增值服务,危险更大。较好的实现方式还是走Internet。
密码和认证策略
明文存储和编码存储密码
许多软件有“记住密码”的功能。如果开发者依字面含义将密码存储到本地,可能导致泄漏。
另 外,有的软件不是直接保存密码,而是用Base64、固定字节或字符串异或、ProtoBuf等方法对密码编码,然后存储在本地。这些编码也不会增加密码 的安全性。采用smali、dex2jar、jd-gui、IDA Pro等工具,攻击者可以对Android软件进行反汇编和反编译。攻击者可以借此了解软件对密码的编码方法和编码参数。
较好的做法是,使用基于凭据而不是密码的协议满足这种资源持久访问的需求,例如OAuth。
对外服务的弱密码或固定密码
另一种曾引起关注的问题是,部分软件向外提供网络服务,而不使用密码或使用固定密码。例如,系统辅助软件经常在WiFi下开启FTP服务。部分软件对这个FTP服务不用密码或者用固定密码。在开放或钓鱼的WiFi网络下,攻击者也可以扫描到这个服务并直接访问。
还有弱密码的问题。例如,早期Google钱包的本地访问密码是4位数字,这个密码的SHA256值被存储在内部存储中。4位数字一共只有10000种情况,这样攻击软件即便是在手机上直接暴力破解,都可以在短时间内获得密码。
使用IMEI或IMSI作为唯一认证凭据
IMEI、IMSI是用于标识手机设备、手机卡的唯一编号。如果使用IMSI或IMEI作为用户认证的唯一凭据,可能导致假冒用户的攻击。
首先,应用要获取手机的IMEI、手机卡的IMSI并不需要特殊权限。事实上,许多第三方广告库回传它们用于用户统计。其次,得到IMEI或IMSI后,攻 击者有多种方法伪造成用户与服务器进行通信。例如,将原软件重打包,使其中获取IMEI、IMSI的代码始终返回指定的值;或修改Android代码,使 相关API始终返回指定的值,编译为ROM在模拟器中运行;甚至可以分析客户端与服务器的通信协议,直接模拟客户端的网络行为。
因此,若使用IMEI或IMSI作为认证的唯一凭据,攻击者可能获得服务器中的用户账户及数据。
组件间通信
组件间通信的安全问题是Android所独有的,也是目前软件中最常出现的一种问题。
我们先回顾一下组件间通信机制。Android有四类组件:activity、service、broadcast receiver和content provider。在同一个软件之中或不同软件之间,前三种组件使用Intent相互调用,使用ContentResolver对象访问content provider,共同实现软件的功能。使用Intent,可以显式或隐式地调用:

显式(explicit):调用者知道要调用谁,通过组件名指定具体的被调用者;隐式(implicit):调用者不知道要调用谁,只知道执行的动作,由系统选择组件处理这个请求。
如下面的代码所示:

无论是显式还是隐式,如果要跨应用调用,还需要被调用的组件是对外暴露的。默认情况下,service、broadcast receiver和content provider是暴露的,申明了Intent-filter的actvity也是暴露的。
抽象地说,组件A要调用组件B,以期待B完成某个功能;它可以发送一些数据给组件B,也可以获得B执行后的返回结果。在这个模型中,问题出现在A和B之间不一定互相可信。
如果B是暴露的,任何软件都可以调用它,包括攻击者编写的软件。攻击者可能但并非总能成功:

直接调用暴露的B,以获得其执行结果;构造特定的数据,并用于调用暴露的B,从而试图影响B的执行;调用暴露的B,并获取它执行完返回的结果。
如果A用的是隐式调用,任何软件都可以实现它的action从而响应调用。攻击者可能(但并非总能成功):

构造伪造的组件C,响应A的Intent,以读取A要发给B的数据;构造伪造的组件C,响应A的Intent,弹出虚假的用户界面以展开进一步攻击(例如钓鱼);构造伪造的组件C,响应A的Intent,返回伪造的执行结果。
这样说可能比较抽象。下面我们对这两种情况分别讨论。
组件暴露的问题
看一个例子。在一个第三方深度定制的ROM中,预装了名为Cit.apk的软件,用于手机的硬件测试。它的AndroidManifest.xml局部如下:

可以看到,它申明一个名为.CitBroadcastReceiver的receiver,响应名为android.provider.Telephony.SECRET_CODE的action,并且指定了URI格式。
再来看这个receiver的代码片段(下面的代码是我反编译得到的,不一定与软件源码完全一致):

可以看到,当调用这个receiver,并且提供的URI中host字段为284时,会以root权限调用本地的bugreport工具,并将结果输出至m_logFileName指定的文件中。
默认情况下receiver是暴露的,因此这个receiver可以被其他软件调用,代码如下:

当这四行代码执行时,就会触发CitBroadcast-Receiver的那段代码。从上下文看,输出文件m_logFileName位于SD卡,任何软件都可以随意读写。因此,攻击者可以获得bugreport的输出结果,其中包含大量系统数据和用户数据。
请注意,在这个例子中,攻击者的软件不需要任何特殊权限,尤其是不需要root权限。这种由于组件暴露获得额外权限的攻击,被称之为permission re-delegation(权限重委派)。
怎么避免由于组件暴露产生的安全问题?有的组件必须暴露,例如入口activity,或者确实对外提供服务或跨软件协作;但也有的组件没必要暴露。接下来我们分别讨论。
不需要暴露的组件
再次回顾,默认情况下,service、broadcast receiver和content provider是暴露的,申明了Intent-filter的actvity也是暴露的。如果它们只被同一个软件中的代码调用,应该设置为不暴露。很容

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易做到—在AndroidManifest.xml中为这个组件加上属性android:exported=”false”即可。
需要暴露的组件
如果组件需要对外暴露,应该通过自定义权限限制对它的调用。
首先,在实现了被调用组件的软件的Android-Manifest.xml中自定义一个权限:

接下来,为被调用组件添加这个权限限制,即在AndroidManifest.xml中为这个组件添加android:permission属性:

另一种方法是在组件的实现代码中使用Context.checkCallingPermission()检查调用者是否拥有这个权限。
最后,要调用这个暴露的组件,调用者所在的软件应该申明使用这个权限,即在AndroidManifest.xml中添加相应的use-permission申明。
进一步地,还可以将这种组件暴露的需求分为两种情况。

如果这个组件只打算给自己开发的其他软件使用,而不希望暴露给第三方软件,在定义权限时,protectionLevel字段应该选择signature。 这种设置要求权限使用者(即调用者)与权限定义者(即被调用者)必须由相同的证书进行签名,因此第三方无法使用该权限,也就无法调用该组件。如果这个组件要暴露给第三方,则protection-Level应使用normal或dangerous。此时,任何软件都可以使用该权限,只在安装时会 通知用户。考虑到用户一般会忽略权限提示,此时自定义权限实际失去了保护效果,我们依然要仔细审查该组件的代码,避免出现能力泄露或权限重委派等问题。
此外,对content provider,可以更细粒度地为读取数据和写入数据设置不同的权限,对应的manifest标签分别为android:readPermission和android:writePermission。
隐式调用的问题
隐式调用的主要问题是被劫持,或Intent携带的数据被读取。
为了劫持调用,攻击者可以实现一个恶意的组件,申明相同的Intent-filter。在多个组件都可以响应同一个Intent的情况下,如果是调用 activity,系统会弹出界面要求用户对多个软件做出选择,攻击者可以模仿真实软件的图标和名称吸引用户点击;如果是调用service,系统会随机 选择一个service;如果是调用receiver,系统会逐一地将Intent发给这些receiver。
劫持了调用后,攻击者可以(但并非总能成功):

启动一个虚假的软件界面,展开钓鱼攻击(例如要求用户输入账户密码)读取Intent携带的数据拦截broadcast的进一步发送,导致真正的receiver无法收到消息,从而拒绝服务如果是用startActivityForResult()调用了虚假的activity,可以返回恶意或虚假的结果给调用者执行其他恶意代码
限于篇幅,对这些情形我们不提供示例代码。来看一下怎么解决这类问题。
不需要隐式调用
除了基于Intent类中已有ACTIONs的隐式调用,绝大部分隐式调用都属于这两种情况:同一软件中不同组件的调用;同一开发者不同软件间的调用。
这两种情况下,事实上,开发时都已可以确定要调用的组件是哪个。因此可以避免隐式调用,改为基于组件名的显式调用。
需要隐式调用
发送broadcast除了使用sendBroadcast(Intent),还有一个方法是sendBroadcast(Intent, String),它的第二个参数可以指定接受者需要的权限。
如果是调用activity或者service,目前我所知,还没有简单的方法实现接收者的权限限制。在Android文档中提出可以自定义Binder和AIDL实现通信双方的互相验证,但真正实现并不容易,也不为官方所推荐。
数据验证
无论是客户端还是服务器,在处理外部获得的数据之前,都应先判断和验证数据的有效性。这里主要指是否包含畸形的数据。
在 Web开发中,服务器需要对用户提交的数据进行有效性验证,否则很容易出现众所周知的SQL注入等攻击。在移动开发中也不例外。虽然客户端与服务器在底层 通信协议上对用户是透明、不可见的,但开发者不应因此就假设双方传输的数据永远会和预先设计的一致。类似的,在读取用户从UI元素输入的输入、读取存储在 本地的数据后,使用前也应进行有效性验证。
软件版权保护
攻击者对Android软件进行逆向分析,除了寻找其中的安全漏洞,还可以直接攻击软件本身。

破解软件的收费机制、License验证或功能限制;修改软件代码,去掉广告库,或者修改广告库(一般是改变推介ID字段),或者增加广告库,然后重新打包并分发;重新打包,植入恶意代码并分发;逆向分析,学习软件特色功能的实现方法,或者获得可复用的代码;
可以采取多种措施来增加破解、修改和逆向分析的难度,减少被攻击的可能。这些措施包括:

使用代码混淆工具,例如SDK带的ProGuard以及其他Java混淆器。采用NDK开发核心模块。使用官方或第三方的软件保护方案,例如SDK的android.drm包、Google Play的软件许可(Application Licensing)支持。去掉开发时的调试代码,关闭调试开关,删除多余的Log代码。
然而,采取了这些措施并不等于就万无一失了。例如,用NDK开发的Native代码,也可以使用IDA Pro及其插件来反汇编、反编译和调试;用Google的DRM方案,也有AntiLVL这样的破解工具。理论上,现有防御手段都可能找到方法继续攻击, 其价值只是提高攻击难度和成本。
总结
已出现和将要出现的威胁
到 目前为止,在学术研究以外,针对Android软件漏洞的攻击只出现一起—劫持国外多个社交网站客户端登陆会话的黑客工具FaceNiff。但随着攻击者 制造传播恶意代码的成本增加和收益降低,以及移动终端隐私数据逐渐成为地下产业链的交易资源,针对Android流行软件漏洞的攻击在未来几年之内几乎一 定会出现并爆发。
统一的安全模型
限于篇幅,本文只介绍了几种常见且简单的安全问题,还存在许多我们知道的、还不知道的漏洞。如何找到和解决这些问题?
回顾已介绍的内容,我们可以发现它们有类似的安全模型:通信双方的信任问题。

在数据存储中,读写数据的代码和存储在本地的数据互相不可信。在数据通信中,发送者和接受者互相不可信。在登录认证中,发起认证请求的用户的和接受认证请求的服务器互相不可信。在组件间通信中,发起Intent的组件与接收Intent的组件互相不可信。在数据验证中,处理数据的模块不能相信产生数据的源。
面对将来的问题,我们也可以尝试抽象出这种模型,区分互相不可信的实体,然后在不可信、不安全的基础上,尽可能地实现相对的可信和安全。
进一步学习和行动
Android 的开发文档Best Practices: Designing for Security和源码文档Tech Info: Security分别从开发和系统实现的角度介绍了系统的安全机制。另外,viaForensics提供了名为42+ Best Practices: Secure mobile development for iOS and Android的在线教程,更详细地介绍了移动软件面临的安全威胁,并给出了安全开发实践策略。
社区方面,从Android安全开发的角 度,Stack-Overflow并不一定是很好的选择—其中一些最佳回答没有考虑安全,直接使用可能产生问题。Google Group的anroid-security-discuss讨论组则更为专业和准确。OWASP成立了一个Mobile Security工作组,目前已发布Top Ten Mobile Risks等多份白皮书,并举办了AppSec会议。这个工作组的效率虽然不高,但产出质量非常棒。
学术方面,2011和2012年的四大会议及其work-shop上均有移动软件漏洞挖掘和攻击阻止的论文出现,从它们的related works部分可以综合快速地了解学术界的思路。
目前的移动开发还没有形成如此成熟的体系,这也许与其轻快敏捷的互联网产品开发风格有关。但我相信,真正实效的移动软件安全开发,最终依然会融合到需求分析、系统设计、开发实现、测试验证、部署运维等每一个环节,从而与PC平台的SDL殊途同归。
作者肖梓航,网名Claud,安天实验室高级研究员,主要方向是移动反病毒和移动软件安全,发起或参与了多个移动安全开源项目。博客:http://claudxiao.net
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