基于污點(diǎn)傳播動(dòng)態(tài)分析的Android安全系統(tǒng)研究

潘志安

摘 要： 隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，Android系統(tǒng)得到了大量用戶和開(kāi)發(fā)人員的青睞。針對(duì)Android系統(tǒng)的惡意軟件層出不窮，由此引發(fā)的危害也越來(lái)越嚴(yán)重。目前針對(duì)Android系統(tǒng)應(yīng)用程序的檢測(cè)多采用靜態(tài)分析技術(shù)，通過(guò)分析代碼發(fā)現(xiàn)其惡意行為，因此準(zhǔn)確度并不是很高，而且對(duì)于新的惡意軟件變種的檢測(cè)存在較多問(wèn)題，而動(dòng)態(tài)分析技術(shù)恰好可以彌補(bǔ)這一不足?；谖埸c(diǎn)傳播的動(dòng)態(tài)分析技術(shù)，在應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)監(jiān)測(cè)其行為并記錄相關(guān)信息進(jìn)行分析，確定其是否具有惡意軟件性質(zhì)。不僅對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)載較小，也便于系統(tǒng)移植進(jìn)行多平臺(tái)的開(kāi)發(fā)測(cè)試。

關(guān)鍵詞： Android系統(tǒng)； 惡意軟件； 動(dòng)態(tài)分析； 污點(diǎn)標(biāo)記

中圖分類號(hào)： TN929.5?34； TM417 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）23?0039?04

針對(duì)目前Android系統(tǒng)惡意軟件檢測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀，對(duì)Android 安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)，在應(yīng)用程序框架層和Dalvik虛擬機(jī)層監(jiān)控、記錄應(yīng)用程序行為的方式，構(gòu)建了新的污點(diǎn)傳播監(jiān)控系統(tǒng)，跟蹤被污點(diǎn)標(biāo)記的敏感數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的傳播過(guò)程并進(jìn)行信息記錄分析，確定應(yīng)用程序行為是否具有惡意軟件性質(zhì)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)基于Android 4.1.1系統(tǒng)和Pandaboard 內(nèi)核設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的Dalvik虛擬機(jī)和應(yīng)用程序框架層的修改，實(shí)現(xiàn)了污點(diǎn)數(shù)據(jù)定義、污點(diǎn)數(shù)據(jù)標(biāo)記、污點(diǎn)標(biāo)記傳播、污點(diǎn)標(biāo)記提取和應(yīng)用程序行為分析等功能。

在圖1中，污點(diǎn)數(shù)據(jù)定義模塊的功能是定義和存儲(chǔ)敏感數(shù)據(jù)源類型，用于污點(diǎn)標(biāo)記不同類型的數(shù)據(jù)；污點(diǎn)標(biāo)記模塊在應(yīng)用程序調(diào)用系統(tǒng)API進(jìn)行數(shù)據(jù)操作時(shí)對(duì)其讀取的敏感數(shù)據(jù)類型進(jìn)行污點(diǎn)標(biāo)記；污點(diǎn)傳播模塊在應(yīng)用程序和系統(tǒng)組件之間的傳遞依靠系統(tǒng)中的Binder IPC完成；污點(diǎn)標(biāo)記提取模塊負(fù)責(zé)在污點(diǎn)數(shù)據(jù)到達(dá)目標(biāo)應(yīng)用程序時(shí)記錄污點(diǎn)傳播路徑；最后通過(guò)應(yīng)用程序分析模塊篩選Android系統(tǒng)中l(wèi)ogcat應(yīng)用程序的相關(guān)行為信息并輸出。

2 系統(tǒng)詳細(xì)實(shí)現(xiàn)

2.1 污點(diǎn)數(shù)據(jù)定義模塊

針對(duì)污點(diǎn)數(shù)據(jù)源dalvik＼vm＼interp＼Taint.h和dalvik＼ src＼main＼java＼dalvik＼system＼Taint.java，Taint.java的作用在于提供Dalvik虛擬機(jī)的污點(diǎn)接口，并在taint類中聲明污點(diǎn)數(shù)據(jù)源的定義，其代碼如下所示，其中TAINT_CLEAR表示為空值。

public static final int TAINT_CLEAR =0x00000000； //空值

public static final int TAINT_LOCATION = 0x00000001；

//位置

public static final int TAINT_CONTACTS = 0x00000002；

//聯(lián)系人

public static final int TAINT_MIC = 0x00000004； //話筒輸入

public static final int TAINT_PHONE_NUMBER= 0x00000008； //電話號(hào)碼

public static final int TAINT_LOCATION_GPS= 0x00000010； //GPS

public static final int …

將污點(diǎn)數(shù)據(jù)源定義為32位值的原因在于Android系統(tǒng)的應(yīng)用程序運(yùn)行在Dalvik虛擬機(jī)中。Dalvik虛擬機(jī)是Google專門(mén)為Android平臺(tái)開(kāi)發(fā)的Java虛擬機(jī)，但是它不兼容java字節(jié)碼格式，而是首先將java應(yīng)用程序轉(zhuǎn)換成.dex格式再執(zhí)行。因此需要將污點(diǎn)數(shù)據(jù)源定義為.dex文件中的數(shù)據(jù)類型。

在Taint.java文件中完成污點(diǎn)數(shù)據(jù)源的聲明之后，需要在Taint.h文件中完成污點(diǎn)數(shù)據(jù)源在Dalvik解釋器中的定義。首先對(duì)污點(diǎn)數(shù)據(jù)類型進(jìn)行了定義，其結(jié)構(gòu)體為：

typedef struct Taint { u4 tag； } Taint；

在完成污點(diǎn)數(shù)據(jù)源的定義之后，就可以進(jìn)行Dalvik虛擬機(jī)和應(yīng)用程序框架層的修改，完成污點(diǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的其他功能。

2.2 污點(diǎn)數(shù)據(jù)標(biāo)記模塊

通過(guò)分析Android系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)現(xiàn)，要實(shí)現(xiàn)污點(diǎn)數(shù)據(jù)標(biāo)記功能應(yīng)該在Dalvik虛擬機(jī)層完成，但是又涉及到應(yīng)用程序框架層API的改動(dòng)，因而需要使用JNI技術(shù)。通過(guò)JNI技術(shù)，Java程序中的函數(shù)可以調(diào)用本地語(yǔ)言，例如C/C++等語(yǔ)言編寫(xiě)的函數(shù)，而本地語(yǔ)言中的函數(shù)方法也可以調(diào)用Java層的函數(shù)。在本監(jiān)控系統(tǒng)中，具體的方法實(shí)現(xiàn)是：首先在Java類使用native關(guān)鍵字聲明本地的方法并作為類的靜態(tài)成員；之后通過(guò)編譯生成.class文件和.h頭文件，在C/C++語(yǔ)言中完成具體的實(shí)現(xiàn)方法；最后通過(guò)編譯生成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)lib*.so文件用于系統(tǒng)調(diào)用。整個(gè)流程如圖2所示。

在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行污點(diǎn)標(biāo)記之前，需要了解Dalvik虛擬機(jī)中各種對(duì)象的存儲(chǔ)方式。一個(gè).dex文件通常需要由類加載器加載原生類和Java類，然后通過(guò)解釋器根據(jù)指令集對(duì)Dalvik字節(jié)碼進(jìn)行解釋和執(zhí)行。在加載具體的類之前，需要使用mmap函數(shù)對(duì).dex文件進(jìn)行解析，將.dex文件映射到內(nèi)存中即可進(jìn)行讀/寫(xiě)操作。在完成文件解析之后，需要加載class，而加載的類則需要ClassObject數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)。

在完成函數(shù)聲明之后，在dalvik＼vm＼native中新建dalvik_system_Taint.cpp，完成上述兩個(gè)函數(shù)的定義。

在完成了Dalvik虛擬機(jī)層的修改之后，還需要對(duì)應(yīng)用程序框架層中的API進(jìn)行修改。首先通過(guò)惡意軟件樣本得到了惡意軟件經(jīng)常調(diào)用的API，如表1所示。

表1 Android惡意軟件常用API示例

[API＼&說(shuō)明＼&addPermisson（） ＼&為系統(tǒng)增加一個(gè)權(quán)限＼&getCellLocation（）＼&獲取當(dāng)期設(shè)備位置＼&getDeviceId（） ＼&獲取惟一的設(shè)備 ID＼&getSimState（）＼&獲取 SIM 卡狀態(tài)＼&sendTextMessage（）＼&向單個(gè)收件人發(fā)送短信息＼&sendBoradcast（）＼&向接收器廣播消息＼&]

對(duì)應(yīng)用程序框架層API的修改主要在Cursor包裝庫(kù)，短信息管理類以及獲取設(shè)備信息管理等類。其中CursorWrapper類是Cursor類的包裝類。它提供了多種對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢結(jié)果進(jìn)行訪問(wèn)的接口方法，因此可以通過(guò)修改Cursor類Wrapper類，使得任何調(diào)用該類的函數(shù)對(duì)象都會(huì)被進(jìn)行污點(diǎn)標(biāo)記，其實(shí)現(xiàn)方法為：首先在CursorWrapper類中定義進(jìn)行污點(diǎn)標(biāo)記的功能函數(shù)；之后修改getString（）等方法。

getString（）方法用于接收參數(shù)，其返回值同樣也為String類型。此方法多用于從Android系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取查詢結(jié)果，因此通過(guò)修改該方法，將污點(diǎn)標(biāo)記功能嵌入其中，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢結(jié)果中String類型數(shù)據(jù)的污點(diǎn)標(biāo)記，其實(shí)現(xiàn)代碼為：

public String getString（int columnIndex）

{

//開(kāi)始污點(diǎn)標(biāo)記

String retString = mCursor.getString（columnIndex）；

if（taint_ ！= Taint.TAINT_CLEAR）

{

Taint.addTaintString（retString， taint_）；

}

//結(jié)束污點(diǎn)標(biāo)記

return retString；

}

由于針對(duì)Android系統(tǒng)原生的API的擴(kuò)展，因此在完成修改之后，需要更新frameworks/base/api/下的current.txt文件，使得修改后的API生效，操作命令為在編譯Android系統(tǒng)之前，在終端輸入make update?api。

2.3 污點(diǎn)數(shù)據(jù)傳播模塊

在Android系統(tǒng)中，有關(guān)Binder的實(shí)現(xiàn)在各個(gè)層都有，主要的Binder庫(kù)由本地原生代碼實(shí)現(xiàn)。Java和C++層都定義有相同功能的Binder接口，供應(yīng)用程序使用，他們實(shí)際都是調(diào)用原生Binder庫(kù)的實(shí)現(xiàn)。Binder的系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

在源代碼中定義了Parcel類，并對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)位置讀取寄存器中值的方法定義進(jìn)行了修改：

public final int readInt（）

{

//開(kāi)始污點(diǎn)數(shù)據(jù)追蹤

int start = dataPosition（）；

int val1 = nativeReadInt（mNativePtr）；

int end = dataPosition（）；

int len = end ? start；

int tag = getTaint（start， len）；

int val2 = Taint.addTaintInt（val1， tag）；

return val2；

//結(jié)束污點(diǎn)數(shù)據(jù)追蹤

}

同時(shí)在cmds＼servicemanager＼binder.c下添加在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)進(jìn)行污點(diǎn)標(biāo)記的命令函數(shù)。在完成IPC的污點(diǎn)設(shè)計(jì)之后，系統(tǒng)需要對(duì)應(yīng)用程序框架層的API進(jìn)行修改。以讀取視頻數(shù)據(jù)為例，在源代碼中插入了污點(diǎn)追蹤代碼。

2.4 污點(diǎn)標(biāo)記提取模塊

污點(diǎn)標(biāo)記的提取發(fā)生在污點(diǎn)數(shù)據(jù)到達(dá)目標(biāo)應(yīng)用程序時(shí)，與敏感數(shù)據(jù)離開(kāi)應(yīng)用程序時(shí)進(jìn)行污點(diǎn)標(biāo)記類似，可以通過(guò)擴(kuò)展應(yīng)用程序框架層和Dalvik虛擬機(jī)中的相關(guān)函數(shù)，完成污點(diǎn)標(biāo)記的提取。在完成Dalvik虛擬機(jī)污點(diǎn)標(biāo)記提取的功能之后，需要擴(kuò)展應(yīng)用程序框架層API功能，使其可以根據(jù)污點(diǎn)標(biāo)記的來(lái)源判斷應(yīng)用程序行為是否屬于惡意行為。

以發(fā)送短信方法SmsManager為例，由于Android系統(tǒng)中發(fā)送短信和數(shù)據(jù)都要使用SmsManager類的API，因此經(jīng)常被惡意軟件調(diào)用，將用戶敏感信息發(fā)送給遠(yuǎn)程主機(jī)或者直接發(fā)送短信息到高額扣費(fèi)號(hào)碼。通過(guò)擴(kuò)展SmsManager類中sendTextMessage方法，使其可以判斷變量類型的來(lái)源。

2.5 應(yīng)用程序分析模塊

在整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)完成之后，就可以將Android應(yīng)用程序放入該系統(tǒng)中運(yùn)行。在程序運(yùn)行期間記錄其操作，并輸出到系統(tǒng)外部。因此該模塊設(shè)計(jì)分為兩部分。

2.5.1 Logcat輸出日志

Logcat是Android系統(tǒng)中集成的一個(gè)命令行工具，Android系統(tǒng)日志存儲(chǔ)在循環(huán)緩沖區(qū)中，通過(guò)logcat就可以記錄和查看這些系統(tǒng)信息，其默認(rèn)命令為[adb] logcat [] ... [] ...。

每一個(gè)輸出的Android日志信息都有一個(gè)標(biāo)簽和優(yōu)先級(jí)，Android系統(tǒng)中默認(rèn)的標(biāo)簽其優(yōu)先級(jí)由高到低分別為Verbose，Debug，Info，Warning，Error，F(xiàn)atal，Silent。其中最高級(jí)的Silent一般沒(méi)有信息輸出。監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過(guò)改造之后，在logcat中新增了taintlong標(biāo)簽，通過(guò)adb logcat dalvikvm：W OSNetworkSystem：W*：S以及進(jìn)一步操作，就可以在logcat日志中提取出污點(diǎn)數(shù)據(jù)傳播的相關(guān)信息。

2.5.2 自動(dòng)化程序安裝測(cè)試

要運(yùn)行應(yīng)用程序，首先要啟動(dòng)其主活動(dòng)main avtivity。在Android應(yīng)用程序中，AndroidManifest.xml描述了main activity等信息。因此系統(tǒng)首先通過(guò)Python語(yǔ)言中的zipfile模塊解壓apk文件，然后通過(guò)AXMLPrinter對(duì)AndroidManifest.xml進(jìn)行讀取。通常定義為“android.intent.action.MAIN”標(biāo)簽的活動(dòng)即為其main activity。

3 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析

測(cè)試環(huán)境基于Ubuntu 12.04系統(tǒng)，Android系統(tǒng)為修改后的4.1.1版本。同時(shí)為了移植到Pandaboard進(jìn)行測(cè)試，需要下載適用于Pandaboard的OMAP?Panda內(nèi)核。

在程序運(yùn)行時(shí)，會(huì)自動(dòng)完成發(fā)送SMS、網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)、讀寫(xiě)文件、解密以及撥打電話的功能。在程序運(yùn)行時(shí)運(yùn)行腳本collect.py，在Ubuntu系統(tǒng)終端可以獲得應(yīng)用程序的全部行為信息。

通過(guò)分析測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，該測(cè)試應(yīng)用程序在運(yùn)行時(shí)立刻撥打了電話，同時(shí)在后臺(tái)啟動(dòng)了讀取文件，并且未經(jīng)用戶允許在后臺(tái)發(fā)送了短信。這些行為均會(huì)被惡意軟件濫用，給手機(jī)用戶帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p失。同時(shí)該應(yīng)用程序開(kāi)啟了大量服務(wù)，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行也會(huì)造成一定的負(fù)擔(dān)。

通過(guò)查看該測(cè)試樣本源代碼中聲明的相應(yīng)功能和測(cè)試結(jié)果相對(duì)比，可以看出本系統(tǒng)能比較準(zhǔn)確地反映樣本的行為特征，其中寫(xiě)文件、向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)及信息泄露是惡意軟件的常見(jiàn)特征。

由于本系統(tǒng)對(duì)Android原生系統(tǒng)進(jìn)行了修改，運(yùn)用動(dòng)態(tài)分析技術(shù)監(jiān)測(cè)應(yīng)用程序的行為特征，因此會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行性能產(chǎn)生一定影響。本系統(tǒng)的性能評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)包括開(kāi)機(jī)時(shí)間、程序啟動(dòng)時(shí)間和測(cè)試樣本從運(yùn)行到首次記錄到行為信息的時(shí)間。

首先針對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)機(jī)時(shí)間測(cè)試。一共進(jìn)行了5次測(cè)試，每次的開(kāi)機(jī)時(shí)間如表2所示。

通過(guò)表2可以發(fā)現(xiàn)，原生系統(tǒng)平均開(kāi)機(jī)時(shí)間為50.2 s，監(jiān)控系統(tǒng)平均開(kāi)機(jī)時(shí)間為53.4 s，性能下降6%。由于監(jiān)控系統(tǒng)主要針對(duì)Dalvik虛擬機(jī)和應(yīng)用程序框架層的修改，未對(duì)系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行修改，在開(kāi)機(jī)啟動(dòng)方面監(jiān)控系統(tǒng)與原生系統(tǒng)相差不大，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性未造成影響。

系統(tǒng)運(yùn)行應(yīng)用程序的時(shí)間測(cè)試，包括載入APK、創(chuàng)建聯(lián)系人、撥出電話和拍照四個(gè)方面，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

通過(guò)表3可以發(fā)現(xiàn)，監(jiān)控系統(tǒng)在進(jìn)行相關(guān)操作時(shí)所用時(shí)間均大于原生系統(tǒng)，這是因?yàn)樵谶M(jìn)行相應(yīng)操作時(shí)還需要進(jìn)行污點(diǎn)標(biāo)記的功能，但是整體上未對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)大量負(fù)載。值得注意的是，在進(jìn)行拍照操作時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)比原生系統(tǒng)多耗費(fèi)了47%的時(shí)間，這主要是因?yàn)榕恼詹僮餍枰M(jìn)行額外的針對(duì)文件的污點(diǎn)標(biāo)記。

通過(guò)表4可以發(fā)現(xiàn)，不同應(yīng)用程序首次獲得行為信息的時(shí)間差距很大，這是由應(yīng)用程序完成的不同功能導(dǎo)致的。總體而言，監(jiān)控系統(tǒng)可以較快地響應(yīng)和記錄程序運(yùn)行期間的行為。

4 結(jié) 論

本文應(yīng)用基于污點(diǎn)傳播的動(dòng)態(tài)分析技術(shù)，針對(duì)目前Android系統(tǒng)面臨的隱私泄漏、惡意扣費(fèi)等安全威脅，設(shè)計(jì)了基于行為分析的Android安全監(jiān)控系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)并記錄絕大部分惡意軟件的行為信息，并且運(yùn)行穩(wěn)定能較快地響應(yīng)應(yīng)用程序行為進(jìn)行記錄。

目前使用沙箱進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，采用的是單線程的方式，導(dǎo)致分析的效率還不夠理想，因此下一步還需要研究使用多線程方式一次分析多個(gè)程序的可行性。

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