【翻译】Android安全之Linux内核篇

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作为最广为人知的开源项目之一，Linux已经被全世界的成千上万的研究人员进行研究、攻击、以及打补丁等，并被证明确实是一款安全的、可靠性高的、可信的、稳定的操作系统。因此，Android的操作系统基于Linux内核也就一点也不奇怪了。Android不仅在进程、内存、以及文件系统管理上依赖于Linux，也是Android安全架构的核心组件。在Android操作系统中Linux内核负责应用软件运行时的沙盒环境以及一些权限的管理。

Android沙盒
让我们仔细的考虑下Android应用程序安装过程时的具体细节吧。话说安卓应用程序呀，总是以安卓包（.apk为后缀名）的形式进行发布的。
而这个包呢，由Dalvik可执行文件、资源、本地库文件、以及一个配置文件构成滴，并且呢,会附带有开发者的签名。在Android设备上可以通过三种方法来安装一个应用程序：
1.Googleplay
2.打包安装程序PackegeInstaller
3.adbinstall
GooglePlay是一个比较特别的应用程序，第三方的开发者们上传到市场中，用户可以通过这个GooglePlay找到并进行安装。尽管呢，尽管GooglePlay也是个第三方的应用程序，但是其具有访问Android受保护的组件（因为与Android操作系统具有相同的签名）,这是其他三方程序不具备的。如果用户安装的程序是其他的来源呢，就会显示的使用打包安装程序（PackegeInstaller）了。这个系统程序会为开始安卓包的安装过程提供一个界面。而由安卓提供的adbinstall，主要是给第三方的开发者使用的。前面的两种方式在安装过程中，需要用户同意一个权限列表，最后的那个方法就是比较低调的进行安装咯，这就是为什么其主要作为开发者的工具了，其目的就是为了在设备上做安装测试滴。安装的过程如图1所示:

图1安卓安全架构

图1安卓安全架构
这幅图展示了安卓安全架构的更为细节的概况，待会我们解释安卓操作系统特性时还会参阅这张图表。
应用层沙盒在Linux内核中的配置过程是如下的步骤：在应用程序安装时，每一个包都会分配一个唯一的用户ID(UIDS)和一个组ID(GID)，并且在设备上永远不会被改变。因此，Android上的每一个应用都有一个对应的Linux用户（user）。用户名的格式是app_x，并且用户的UID等于Process.FIRST_APPLICATION_UID+x,而Process.FIRST_APPLICATION_UID是一个等于1000的常量。图1中exi.apk包在安装时就分配到了app_1的用户名，其UID就等于1001.
在Linux中，所有的文件都是自主访问策略（DAC）的客体，其对三类用户（文件的拥有者、文件拥有者所在组的用户，以及其他用户）访问权限的控制由文件的创建者或是文件拥有者设定。对于每一类型的用户，都有读、写、可执行（r-w-x）三元组的权限被赋值。如图2所示：

图2Android的文件访问控制

看第一行最左边的,d表示当前是文件是一个目录，即acct是目录，该文件的拥有者具有读、写、可执行的权限，该文件所在的用户组具有执行的权限，而其他用户具有读、可执行的权限。
因此，只要每一个应用拥有自己的UID和GID,Linux内核就能让其在独立的地址空间内执行。另外，内核使用UID和GID实现各类应用程序所用设备资源的隔离（内存、CPU等）。每一个应用程序在安装时都会有一个home目录，举例来说：/data/data/package_name,其中的package_name就是Android安装包的名字，比如图1中的的com.ex.ex3.就Android而言，这个文件夹被称为内部存储（InternalStorage）,被用来存放应用程序的私有数据。Linux仅仅给这个应用程序的拥有者赋予对该目录的读和写的权限。也有些例外需要说明，可能存在拥有同样的认证签名的应用程序能够彼此共享数据，这类程序可能含有相同的UID，或是在同一个进程内运行。图3所示中的是使用ps命令列举的一些进程片段。

图3ps列举进程片段

最左边的就是应用程序的UID，最右边的是程序的安装包名。
以上的架构在Liinux内核层上建立了一个有用并且高效的应用层沙盒。这种类型的沙盒比较简单，基于Linux的自主访问控制模型。幸运的是，由于Linux内核对沙盒的支撑，本地代码以及操作系统应用程序都受本节所述的约束。

Linux内核层的权限管理
在Linux内核层实现权限控制能够限制Linux用户和组对Android系统资源的访问能力，这种限制可运用于如文件、驱动、套接字类的资源。Android使用文件系统权限（FileSystemPermissions）和Android特有的内核补丁（ParanoidNetworking）限制诸如对网络套接字、照相机设备、外部存储器这种底层系统的访问，如读取系统日志啥的。
对文件以及设备驱动使用文件系统权限管理，就能够限制进程对设备的功能的访问。例如，系统中会使用某些机制用来限制程序对照相机设备的访问，/dev/cam设备驱动的拥有者是root，分组为camera，其权限设置的值是0660，这就意味着只有root和camera组的进程对该设备驱动能够具有读和写的权限。权限与组的映射关系定义在/etc/permissions/platform.xml文件中。摘录的部分如下图所示：

图4权限与组的映射关系

比如说对于READ_LOGS的权限，只有在组“log”中的用户才能访问。在程序安装时，如果该程序申请对日志的权限访问，而用户同意的话，该程序就会赋予给“log”组，即分配该程序“log”的GID。这样，程序就能够读取日志的权限了。在Android中还有设置了文件系统权限管理的还有几处：init程序、init.rc配置文件、ueventd.rc配置文件和系统的ROM配置文件。
在传统的Linux发布版中，所有的进程都能够被允许发起网络连接。而在手机操作系统内对网络的访问能力必须受到限制。为了在Android中实现这样的机制，一类内核补丁被加入到内核中，只允许特定的组有访问网络的权限，这样就对程序网络访问进行了控制。Android系统中这样的补丁被称为Paranoidnetworking。比如，负责网络连接的套接字AF_INET地址家族，内核就会进行检查，代码是在/kernel/net/ipv4/af_inet.c内，图5给出了代码片段：

图5创建套接字的代码片段

从代码中可以看出，在创建套接字时，会调用current_has_network函数检查该用户否具有访问网络的权限。
Linux对网络访问权限标签以及用户组的映射也是在platform.xml，代码为：
<permissionname="android.permission.NET_ADMIN">
<groupgid="net_admin"/>
</permission>
另外，Paranoidnetworking补丁也实现对IPv6和蓝牙的访问控制。而检查使用的常数，在Linux内核中以硬编码的形式存在，位于kernel/include/linux/android_aid.h文件中：
#ifndef_LINUX_ANDROID_AID_H
#define_LINUX_ANDROID_AID_H

/*AIDsthatthekerneltreatsdifferently*/
#defineAID_NET_BT_ADMIN3001
#defineAID_NET_BT3002
#defineAID_INET3003
#defineAID_NET_RAW3004

#endif
这个常数其实是AID―AndroidID，Android实现的一个补充组，与应用层的用户组存在相应的映射。比如AID_INET与用户组inet映射，AID_SDCARD_RW与用户组SDCARD_RW映射。通过补充组AID，能够授予访问权限。如AID_INET就能打开创建套接字.
在Linux内核层次上权限的检查时判断当前用户是不是在特定的组内,只有在组内的成员才有能力去访问被保护的功能与资源。在程序安装时，如果用户同意程序所需要的权限，应用程序就会被加入到相应的Linux组内，因而，获得改组拥有的访问权限

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