Android应用加固原理

·  阅读 13513

Author:杨空明 Date:2019-9-10

一、前言

Android开发者常常面临的一个问题就是防破解、 防二次打包。现如今,安全问题越来越重要,越来越多 的Android开发者也开始寻求安全的保护方案。请看一下下面的几张图片:

1.1

image

1.2

image

1.3

image

二、什么是加壳?

移动平台攻防技术的发展基本是沿着PC端发展轨迹在进行,从windows平台的加壳脱壳反调试反到Andriod的平台apk加固,反调试代码混淆,加强壳

加壳是在二进制的程序中植入一段代码,在运行的时候优先取得程序的控制权,做一些额外的工作。大多数病毒就是基于此原理。PC EXE文件加壳的过程如下:

image

三、加壳作用和分类

作用:

加壳的程序可以有效阻止对程序的反汇编分析,以达到它不可告人的目的。这种技术也常用来保护软件版权,防止被软件破解。

分类:

从App的加固技术来看:主流分为dex加密和so加密,目前来看保护dex文件更为重要,应为dex反编译后的java代码可读性更强。

四、Android Dex文件加壳原理

4.1.APK文件结构

images

每个文件及文件夹的作用如下表所示。

文件或目录 说明
assets文件夹 存放资源文件的目录
lib文件夹 存放ndk编译出来的so文件
META-INF文件夹 1. 该目录下存放的是签名信息,用来保证apk包的完整性和系统的安全性 2. CERT.RS 保存着该应用程序的证书和授权信息 3. CERT.SF 保存着SHA-1信息资源列表 4. MANIFEST.MF 清单信息
res文件夹 存放资源文件的目录
AndroidManifest.xml 一个清单文件,它描述了应用的名字、版本、权限、注册的服务等信息。
classes.dex java源码编译经过编译后生成的dalvik字节码文件,主要在Dalvik虚拟机上运行的主要代码部分
resources.arsc 编译后的二进制资源文件索引。

4.2DEX文件格式

4.2.1什么是DEX文件?

他是Android系统的可执行文件,包含应用程序的全部操作指令以及运行时数据

由于dalvik是一种针对嵌入式设备而特殊设计的java虚拟机,所以dex文件与标准的class文件在结构设计上有着本质的区别

当java程序编译成class后,还需要使用dx工具将所有的class文件整合到一个dex文件,目的是其中各个类能够共享数据,在一定程度上降低了冗余,同时也是文件结构更加经凑,实验表明,dex文件是传统jar文件大小的50%左右

image

4.2.2dex文件结构

Dex文件整体结构如下:

images

Dex文件整体结构说明:

数据名称 解释
dex_header dex文件头部记录整个dex文件的相关属性
string_table 字符串数据索引,记录了每个字符串在数据区的偏移量
type_table 类似数据索引,记录了每个类型的字符串索引
proto_table 原型数据索引,记录了方法声明的字符串,返回类型字符串,参数列表
field_table 字段数据索引,记录了所属类,类型以及方法名
method_table 类方法索引,记录方法所属类名,方法声明以及方法名等信息
class_def 类定义数据索引,记录指定类各类信息,包括接口,超类,类数据偏移量
data_section 数据区,保存了各个类的真是数据

下面是DEX文件目录:

image

这里面,有3个成员我们需要特别关注,这在后面加固里会用到,它们分别是checksum、signature和fileSize。

checksum字段

checksum是校验码字段,占4bytes,主要用来检查从该字段(不包含checksum字段,也就是从12bytes开始算起)开始到文件末尾,这段数据是否完整,也就是完整性校验。它使用alder32算法校验。

signature字段

signature是SHA-1签名字段,占20bytes,作用跟checksum一样,也是做完整性校验。之所以有两个完整性校验字段,是由于先使用checksum字段校验可以先快速检查出错的dex文件,然后才使用第二个计算量更大的校验码进行计算检查。

fileSize字段

占4bytes,保存classes.dex文件总长度。

这3个字段当我们修改dex文件的时候,这3个字段的值是需要更新的,否则在加载到Dalvik虚拟机的时候会报错。

为什么说我们只需要关注这三个字段呢?

因为我们需要将一个文件(加密之后的源Apk)写入到Dex中,那么我们肯定需要修改文件校验码(checksum).因为他是检查文件是否有错误。那么signature也是一样,也是唯一识别文件的算法。还有就是需要修改dex文件的大小。

不过这里还需要一个操作,就是标注一下我们加密的Apk的大小,因为我们在脱壳的时候,需要知道Apk的大小,才能正确的得到Apk。那么这个值放到哪呢?这个值直接放到文件的末尾就可以了。

所以总结一下我们需要做:修改Dex的三个文件头,将源Apk的大小追加到壳dex的末尾就可以了。

4.3APK打包流程

iamges

上图中涉及到的工具及其作用如下:

名称 功能介绍
aapt 打包资源文件,包括res和assets文件夹下的资源、AndroidManifest.xml文件、Android基础类库
aidl 将.aidl接口文件转换成.java文件
javaComiler 编译java文件,生成.class字节码文件
dex 将所有的第三方libraries和.class文件转换成Dalvik虚拟机支持的.dex文件
apkbuilder 打包生成apk文件,但未签名
jarsigner 对未签名的apk文件进行签名
zipalign 对签名后的apk文件进行对其处理

4.4加固原理

images

Dex文件整体加固原理如下:

images

在该过程中涉及到三个对象,分别如下:

l 源程序

源程序也就是我们的要加固的对象,这里面主要修改的是原apk文件中的classes.dex文件和AndroidManifest.xml文件。

l 壳程序

壳程序主要用于解密经过加密了的dex文件,并加载解密后的原dex文件,并正常启动原程序。

l 加密程序

加密程序主要是对原dex文件进行加密,加密算法可以是简单的异或操作、反转、rc4、des、rsa等加密算法。

该加固过程可以分为如下4个阶段:

(1)加密阶段

(2)合成新的dex文件

(3)修改原apk文件并重打包签名

(4)运行壳程序加载原dex文件

4.4.1 加密阶段

加密阶段主要是讲把原apk文件中提取出来的classes.dex文件通过加密程序进行加密。加密的时候如果使用des对称加密算法,则需要注意处理好密钥的问题。同样的,如果采用非对称加密,也同样存在公钥保存的问题。

images

4.4.2 合成新的dex文件

这一阶段主要是讲上一步生成的加密的dex文件和我们的壳dex文件合并,将加密的dex文件追加在壳dex文件后面,并在文件末尾追加加密dex文件的大小数值

images

在壳程序里面,有个重要的类:ProxyApplication类,该类继承Application类,也是应用程序最先运行的类。所以,我们就是在这个类里面,在原程序运行之前,进行一些解密dex文件和加载原dex文件的操作。

4.4.3 修改原apk文件并重打包签名

在这一阶段,我们首先将apk解压,会看到如下图的6个文件和目录。其中,我们需要修改的只有2个文件,分别是classes.dex和AndroidManifest.xml文件,其他文件和文件加都不需要改动。

首先,我们把解压后apk目录下原来的classes.dex文件替换成我们在0x02上一步合成的新的classes.dex文件。然后,由于我们程序运行的时候,首先加载的其实是壳程序里的ProxyApplication类。所以,我们需要修改AndroidManifest.xml文件,指定application为ProxyApplication,这样才能正常找到识别ProxyApplication类并运行壳程序。

images

4.4.4运行壳程序加载原dex文件

Dalvik虚拟机会加载我们经过修改的新的classes.dex文件,并最先运行ProxyApplication类。在这个类里面,有2个关键的方法:attachBaseContext和onCreate方法。ProxyApplication显示运行attachBaseContext再运行onCreate方法。

在attachBaseContext方法里,主要做两个工作:

  1. 读取classes.dex文件末尾记录加密dex文件大小的数值,则加密dex文件在新classes.dex文件中的位置为:len(新classes.dex文件) – len(加密dex文件大小)。然后将加密的dex文件读取出来,解密并保存到资源目录下

  2. 然后使用自定义的DexClassLoader加载解密后的原dex文件

在onCreate方法中,主要做两个工作:

  1. 通过反射修改ActivityThread类,并将Application指向原dex文件中的Application

  2. 创建原Application对象,并调用原Application的onCreate方法启动原程序

images

五、加壳及脱壳代码实现

5.1、加壳程序项目:

images

5.2、核心代码

images

六、常见加固平台

梆梆加固,爱加密,360加固,腾讯加固

市面上常见的加固工具加固之后,他会把你的dex,so 加密存在apk中,然后运行过程会先运行壳的代码,壳的代码再把原来的这个dex、so 解出来加载,不同的厂商有自己的方案,略有差距,但目前多数都是这个思路.

七、App加固的利弊

正面:

1.保护自己核心代码算法,提高破解/盗版/二次打包的难度

2.缓解代码注入/动态调试/内存注入攻击

负面:

1.影响兼容性

2.影响程序运行效率.

3.部分流氓、病毒也会使用加壳技术来保护自己

4.部分应用市场会拒绝加壳后的应用上架

八、App安全未来展望

images

一款app的流水线,从开发到内测到平台到消费者再到破解者再到平台再到消费者,所以每一个环节都不可轻视!!!

九、App安全总结

风险名称 风险 解决方案
1.App防止反编译 被反编译的暴露客户端逻辑,加密算法,密钥,等等 加固
2.java层代码源代码反编译风险 被反编译的暴露客户端逻辑,加密算法,密钥,等等 加固 ,混淆
3.so文件破解风险 导致核心代码泄漏。 so文件加固
4.篡改和二次打包风险 修改文件资源等,二次打包的添加病毒,广告,或者窃取支付密码,拦截短信等 资源文件混淆和校验签名的hash值
5.资源文件泄露风险 获取图片,js文件等文件,通过植入病毒,钓鱼页面获取用户敏感信息 资源混淆,加固等等
6.应用签名未交验风险 反编译或者二次打包,添加病毒代码,恶意代码,上传盗版App 对App进行签名证书校验
7.代码为混淆风险 业务逻辑暴露,加密算法,账号信息等等。 混淆(中文混淆)
8.webview明文存储密码风险 用户使用webview默认存储密码到databases/webview.db root的手机可以产看webview数据库,获取用户敏感信息 关闭wenview存储密码功能
9.明文数字证书风险 APK使用的数字证书用来校验服务器的合法性,保证数据的保密性和完成性 明文存储的证书被篡改造成数据被获取等 客户端校验服务器域名和数字证书等
10.调试日志函数调用风险 日志信息里面含有用户敏感信息等 关闭调试日志函数,删除打印的日志信息
11.AES/DES加密方法不安全使用风险 在使用AES/DES加密使用了ECB或者OFB工作模式,加密数据被选择明文攻击破解等 使用CBC和CFB工作模式等
12.RSA加密算法不安全风险 密数据被选择明文攻击破解和中间人攻击等导致用户敏感信息泄露 密码不要太短,使用正确的工作模式
13.密钥硬编码风险 用户使用加密算法的密钥设置成一个固定值导致密钥泄漏 动态生成加密密钥或者将密钥进程分段存储等
14.动态调试攻击风险 攻击者使用GDB,IDA调试追踪目标程序,获取用户敏感信息等 在so文件里面实现对调试进程的监听
15.应用数据任意备份风险 AndroidMainfest中allowBackup=true 攻击者可以使用adb命令对APP应用数据进行备份造成用户数据泄露 allowBackup=false
16.全局可读写内部文件风险。 实现不同软件之间数据共享,设置内部文件全局可读写造成其他应用也可以读取或者修改文件等 (1).使用MODE_PRIVATE模式创建内部存储文件(2).加密存储敏感数据3.避免在文件中存储明文和敏感信息
17.SharedPrefs全局可读写内部文件风险。 被其他应用读取或者修改文件等 使用正确的权限
18.Internal Storage数据全局可读写风险 当设置MODE_WORLD_READBLE或者设置android:sharedUserId导致敏感信息被其他应用程序读取等 设置正确的模式等
19.getDir数据全局可读写风险 当设置MODE_WORLD_READBLE或者设置android:sharedUserId导致敏感信息被其他应用程序读取等 设置正确的模式等
20.java层动态调试风险 AndroidManifest中调试的标记可以使用jdb进行调试,窃取用户敏感信息。 android:debuggable=“false”
21.内网测试信息残留风险 通过测试的Url,测试账号等对正式服务器进行攻击等 讲测试内网的日志清除,或者测试服务器和生产服务器不要使用同一个
22.随机数不安全使用风险 在使用SecureRandom类来生成随机数,其实并不是随机,导致使用的随机数和加密算法被破解。 (1)不使用setSeed方法(2)使用/dev/urandom或者/dev/random来初始化伪随机数生成器
23.Http传输数据风险 未加密的数据被第三方获取,造成数据泄露 使用Hpps
24.Htpps未校验服务器证书风险,Https未校验主机名风险,Https允许任意主机名风险 客户端没有对服务器进行身份完整性校验,造成中间人攻击 (1).在X509TrustManager中的checkServerTrusted方法对服务器进行校验(2).判断证书是否过期(3).使用HostnameVerifier类检查证书中的主机名与使用证书的主机名是否一致
25.webview绕过证书校验风险 webview使用https协议加密的url没有校验服务器导致中间人攻击 校验服务器证书时候正确
26.界面劫持风险 用户输入密码的时候被一个假冒的页面遮挡获取用户信息等 (1).使用第三方专业防界面劫持SDK(2).校验当前是否是自己的页面
27.输入监听风险 用户输入的信息被监听或者按键位置被监听造成用户信息泄露等 自定义键盘
28.截屏攻击风险 对APP运行中的界面进行截图或者录制来获取用户信息 添加属性getWindow().setFlags(FLAG_SECURE)不让用户截图和录屏
29.动态注册Receiver风险 当动态注册Receiver默认生命周期是可以导出的可以被任意应用访问 使用带权限检验的registerReceiver API进行动态广播的注册
30.Content Provider数据泄露风险 权限设置不当导致用户信息 正确的使用权限
31.Service ,Activity,Broadcast,content provider组件导出风险 Activity被第三方应用访问导致被任意应用恶意调用 自定义权限
32.PendingIntent错误使用Intent风险 使用PendingIntent的时候,如果使用了一个空Intent,会导致恶意用户劫持修改Intent的内容 禁止使用一个空Intent去构造PendingIntent
33.Intent组件隐式调用风险 使用隐式Intent没有对接收端进行限制导致敏感信息被劫持 1.对接收端进行限制 2.建议使用显示调用方式发送Intent
34.Intent Scheme URL攻击风险 webview恶意调用App 对Intent做安全限制
35.Fragment注入攻击风险 出的PreferenceActivity的子类中,没有加入isValidFragment方法,进行fragment名的合法性校验,攻击者可能会绕过限制,访问未授权的界面 (1).如果应用的Activity组件不必要导出,或者组件配置了intent filter标签,建议显示设置组件的“android:exported”属性为false(2).重写isValidFragment方法,验证fragment来源的正确性
36.webview远程代码执行风险 风险:WebView.addJavascriptInterface方法注册可供JavaScript调用的Java对象,通过反射调用其他java类等 建议不使用addJavascriptInterface接口,对于Android API Level为17或者以上的Android系统,Google规定允许被调用的函数,必须在Java的远程方法上面声明一个@JavascriptInterface注解
37.zip文件解压目录遍历风险 Java代码在解压ZIP文件时,会使用到ZipEntry类的getName()方法,如果ZIP文件中包含“../”的字符串,该方法返回值里面原样返回,如果没有过滤掉getName()返回值中的“../”字符串,继续解压缩操作,就会在其他目录中创建解压的文件 (1). 对重要的ZIP压缩包文件进行数字签名校验,校验通过才进行解压。 (2). 检查Zip压缩包中使用ZipEntry.getName()获取的文件名中是否包含”../”或者”..”,检查”../”的时候不必进行URI Decode(以防通过URI编码”..%2F”来进行绕过),测试发现ZipEntry.getName()对于Zip包中有“..%2F”的文件路径不会进行处理。
38.Root设备运行风险 已经root的手机通过获取应用的敏感信息等 检测是否是root的手机禁止应用启动
39.模拟器运行风险 刷单,模拟虚拟位置等 禁止在虚拟器上运行
40.从sdcard加载Dex和so风险 未对Dex和So文件进行安全,完整性及校验,导致被替换,造成用户敏感信息泄露 (1).放在APP的私有目录 (2).对文件进行完成性校验。

##十、参考

从源码到apk

Dex文件格式详解

浅谈安卓app加固那点事

Android APK加壳技术方案【1】

Android APK加壳技术方案【2】

ANDROID原理解密之APK生成过程

Android签名机制之—签名验证过程详解

分类:
Android
标签:
收藏成功!
已添加到「」, 点击更改