Android软件安全开发实践

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。

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