Android安全研究进展_卿斯汉.docx
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1、 软件学报 ISSN 1000-9825, CODEN RUXUEW E-mail: Journal of Software,2016,27(1):4571 doi: 10.13328/ki.jos.004914 http:/ 中 国科学院软件研究所版权所有 . Tel: +86-10-62562563 Android 安全研究进展 卿斯汉 1,2,3 1 2 3 (中国科学院 软件研究所 ,北京 100190) (信息安全国家重点实验室 (中国科学院 信息工程研究所 ),北京 100093) (北京大学 软件与微电子学院 ,北京 102600) 通讯作者 : 卿斯汉 , E-mail:
2、摘 要 : Android 是目前最流行的智能手机软件平台 ,报告称 ,2014 年 ,Android 的销售量占到全球份额 81%的绝对 优势 ,首次达到 10 亿部 .其余如苹果、微软、黑莓与火狐等则远远落在后面 .与此同时 ,Android 智能手机的日益流行 也吸引了黑客 ,导致 Android 恶意软件应用的大量增加 .从 Android 体系结构、设计原则、安全机制、主要威胁、恶 意软件分类与检测、静态分析与动态分析、机器学习方法、安全扩展方案等多维角度 ,对 Android 安全的最新研究 进展进行了总结与分析 . 关键词 : Android;安全机制 ;恶意软件 ;静态分析与动
3、态分析 ;安全扩展方案 中图法分类号 : TP309 中 文 引 用 格 式 : 卿 斯 汉 . Android 安 全 研 究 进 展 .软 件 学 报 ,2016,27(1):4571. http:/ 英 文 引 用 格 式 : Qing SH. Research progress on Android security. Ruan Jian Xue Bao/Journal of Software, 2016,27(1):4571 (in Chinese). http:/ Research Progress on Android Security QING Si-Han1,2,3 1 (I
4、nstitute of Software, The Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China) 2 (State Key Laboratory of Information Security (Institute of Information Engineering, The Chinese Academy of Sciences), Beijing 100093, China) 3 (School of Software and Microelectronics, Peking University, Beijing 102600,
5、 China) Abstract: Android is a modern and most popular software platform for smartphones. According to report, Android accounted for a huge 81% of all smartphones in 2014 and shipped over 1 billion units worldwide for the first time ever. Apple, Microsoft, Blackberry and Firefox trailed a long way b
6、ehind. At the same time, increased popularity of the Android smartphones has attracted hackers, leading to massive increase of Android malware applications. This paper summarizes and analyzes the latest advances in Android security from multidimensional perspectives, covering Android architecture, d
7、esign principles, security mechanisms, major security threats, classification and detection of malware, static and dynamic analyses, machine learning approaches, and security extension proposals. Key words: Android; security mechanism; malware; static and dynamic analyses; security extension proposa
8、l 在智能移动终端如火如荼发展的同 时 ,其安全态势也日益严峻 .Alcatel Lucent 旗下的 Motive Security Labs 发布的恶意软件分析报告 1指出 ,2014 年 ,全球受恶意软件感染的移动设备为 1 600 万台 ,占全部移动设备的 0.68%,同比增长了 25%,高于 2013 年的 20%.图 1 说明 ,自 2012 年 12 月 2014 年 12 月之间移动设备感染率增 基金项目 : 国家自然科学基金 (61170282) Foundation item: National Natural Science Foundation of China (61
9、170282) 收稿时间 : 2015-06-20; 修改时间 : 2015-08-31; 采用时间 : 2015-09-11; jos 在线出版时间 : 2015-10-16 CNKI 网络优先出版 : 2015-10-16 11:53:29,ttp:/ Mobileinfectionrate(%) 46 Journal of Software 软件学报 Vol.27, No.1, January 2016 长的情况 . 0.7 0.6 0.5 0.4 Oct. Jan. May Aug. Nov. Mar. Jun. Sep. Dec. Apr. 2012 2013 2014 2015 F
10、ig.1 Mobile infection rate since December 2012 图 1 2012 年 12 月以来移动设备感染率 Android 是目前应用最广的智能手机操作系统 ,它的设计兼顾系统的性能 、可 用性 、安 全性与开发方便性 , 受到广大用户的欢迎 .据权威分析机构 Strategy Analytics 的统计 2,2014 年 ,全球智能手机的年销售增长率大于 30%,达到超记录的 13 亿部 ,其中 ,Android 的销售量占到全球份额 81%的绝对优势 ,首次达到 10 亿部 .其余如苹 果 、微 软 、黑 莓与火狐等则远远落在后面 .另一方面 ,Andr
11、oid 系统的开放性也受到应用开发者的青睐 ,但同 时也 带来更多的安全问题 .Android 设备和 Windows PC 已经成为恶意攻击的主要对象 ,遭恶意软件攻击的次数已经 趋同 .2014 年 ,Android 恶意软件样本的增长率为 161%.图 2 是自 2012 年 6 月以来的统计 1. Mobile malware samples 1400000 1200000 1000000 800000 600000 400000 200000 Jul-12 Oct-12 Jan-13 Apr-13 Jul-13 Oct-13 Jan-14 Apr-14 Jul-14 Oct-14 F
12、ig.2 Android malware samples continue growth 图 2 Android 恶意软件样本量持续增加 然而 ,Android 应用的迅猛发展和安全问题的日益突出与反制措施极不协调 .Zhou 等人 3的研究表明 ,4 个有 代表性的移动反病毒软件 :AVG(AVG antivirus free v2.9),Lookout(lookout security & antivirus v6.9),Norton (norton mobile security lite v2.5.0.379)和 TrendMicro(TrendMicro mobile securit
13、y personal edition v2.0.0.1294)在 最佳和最坏情形下只能分别检测出 79.6%和 20.2%的恶意软件 . 在这种形势下 ,近年来 ,关于 Android 安全的研究大幅度增加 .来自会议 、 期刊和网络的论文覆盖面很广 :智 能手机 (Android,iOS,Windows Phone 等 )安全综述如文献 46、 Android 安全综述如文献 713、某 类问题 的综 述 如针对 Android 恶意软件 1431;Android 的权限机制 3250;机器学习在 Android 中的应用 5161等 .更多的 研究是关于某个具体方向的分析和讨论以及对某个具
14、体问题的深入分析 .例如 :Felt 等人 33对 Google 官方文件 没有仔细阐述的 Android 权限实现机制进行了剖析 ,给出了权限与 API 之间的映射关系 .此外 ,还有厂商提供的 应用工具与安全工具等 ,如 Google 提供的反编译工具 Apktool62和 FireEye 公司 提供的基 于 “多向量虚拟执行 (multi-vector virtual execution,简称 MVX)”引擎的移动威胁保护工具 (FireEye mobile threat prevention,简称 MTP)63. Android 的安全问题并非都是其独有的 ,Android 继承了许多
15、发生过的类似安全问题 ,自然地也继承了其底Home Dialer SMS/ Package manager Telephony USB driver Keypad driver WiFi driver Audio drivers Power 卿斯汉 :Android 安全研究进展 47 层 Linux 中的安全问题 .例如 ,“Setuid()-RLIMIT_NPROC 交互 ”型漏洞经常发生在 Linux(以及 Unix)中各种 root 守护进程与 setuid-root 程序之中 ,该漏洞源于没有正确检查 setuid()函数的返回值 .setuid()执行成功或失败时 ,分 别返回 0
16、 和 1.当程序以 root 身份运行并正常执行 setuid(UID)后 ,将降低权限为普通用户 .但因未检查 setuid() 的返回值 ,当 setuid 失败时 ,程序仍将继续以 root 身份运行 ,就会产生许多安全问题 .Zimperlich64恶意软件 (参看 第 3.1.2 节 )正是利用了上述漏洞 ,成功地攻击了 Android 系统 . 下面 ,本文将从 Android 体系结构 、设 计原则 、安 全机制 、主 要威胁 、恶 意软件分类与检测 、静 态分析与 动态分析 、机 器学习方法 、安 全扩展方案等多维角度 ,对 Android 安全的研究现状与进展进行全面的总结与
17、分 析 .最后 ,对全文进行总结 . 1 Android 体 系结构 1.1 Android软件栈 Android 的软件栈具有清晰的 3 层结构 65,由底向上是 Linux 内核 、 Android 中间 件和应用层 ,如图 3 所示 . Applications MMS IM Browser Contacts Voice Dial Email Calendar Media Player Application framework Camera Alarm Albums Clock Calculator . Activity manager Window manager Content p
18、roviders View system Notification manager manager Resource manager Location manager XMPP service Surface manager Libraries Media framework SQLite Android runtime Core libraries OpenGL|ES FreeType LibWebCore Dalvik virtual machine SGL SSL Libc Linux kernel Display driver Camera driver Bluetooth drive
19、r Flash memory driver Binder (IPC) driver management Fig.3 Android software stack 图 3 Android 软件栈 Linux 内核提供最基本的功能 ,包括内存管理 、进 程调度 、设 备驱动器和文件系统 .所有的设备资源 ,例如照 相与摄像功能 、 GPS 数据 、 蓝牙功能 、 通话功能 、 网络连接等 ,都通过操作系统进行访问 . Android 在 内 核 层 实 现 了 基 于 Binder(OpenBinder66 的 精 简 版 本 ) 的 轻 量 级 进 程 间 通 信 (inter-process
20、 communication,简称 IPC),这是应用组件之间进行通信的主要 IPC 机制 ,在 Android 的术语中称为组件间通信 (inter-component communication,简称 ICC).Android 为 ICC 设计了一种特定的接口定义语言 (Android interface definition language,简称 AIDL),定义用于 远程调用的 method 和 field.例如 ,可以通过 ICC 调用绑定远程服务 . Linux 之上的中间件层由本地类库 、 Android 运行环境和 Android 应用架构组成 .本地类库提供诸如图形处 48
21、 Journal of Software 软件学报 Vol.27, No.1, January 2016 理等基本功能 .Android 运行环境由核心 Java 类库与 Dalvik 虚拟机组成 .Android 应用架构是用 C/C+或 Java 编写的系统应用 ,由 System Content Provider 和 System Service 构成 .其中 ,System Content Provider 是基本数据 库 ;System Service 包括联系人 app、 前贴板 、 系统设置 、 Notification Manager、 Resource Manager、 Lo
22、cation Manager 等 ,System Service 提供控制设备硬件和获取平台状态信息 (如位置 、 网络状态 )等功能 . 最上面的应用层由两部分组成 :一是内置的基本应用 ,包括桌面 (home)、 拨打电话 (phone)、 E-mail、 日历 (calendar)、 Web 浏览器 (browser)和联系人 (contacts)等 ;二是用户安装的用 Java 编写的第三方应用 ,但由于性能 的原因 ,许多应用也包括本地代码 (C/C+),可以通过 Java 本地接口 (Java native interface,简称 JNI)调用 . 1.2 Android的组件
23、Android 有 4 种类型的组件 (component). (1) Activity(用户界面 )是应用程序与用户进行人机交互的可视化用户界面 ,包含很多与用户交互的构件 , 如按钮 、 文本输入框等 .一个 Android 应用程序可以有多个 Activity; (2) Service(后台进程 )是 Android 系统运行在后台的服务 ,不提供用户界面 ; (3) Content Provider(内容提供器 )是一种 SQL-数据库 ,用于为应用程序提供数据 ,同时为应用程序中的数 据共享提供支持 ; (4) Broadcast Receivers(广播接收器 )是接收广播消 息的
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