Android系统的安全设计与架构

一、安全策略

1、Android

的总体架构由5个主要层次上的组件构成,这5层是:Android应用层、Android框架层、Dalvik虚拟机层、用户空间原生代码层和Linux内核层。

Android系统的安全设计与架构

2、安全边界,有时也会称为信任边界,是系统中分隔不同信任级别的特殊区域。

一个最直接的例子就是内核空间与用户空间之间的边界。内核空间中的代码可以对硬件执行一些底层操作并访问所有的虚拟和物理内存,而用户空间中的代码则由于CPU的安全边界控制,无法访问所有内存。

3、Android沙箱的核

心机制基于以下几个概念:标准的Linux进程隔离、大多数进程拥有唯一的用户ID(UID),以及严格限制文件系统权限。

#define AID_SHELL 2000 / * adb shell 与 debug shell 用户* /
#define AID_CACHE 2001 / *缓存访问* /
#define AID_DIAG 2002 / *访问诊断资源* /

4、某些情况下,权限也可能以Linux权能的形式出现,例如,AID_INET_ADMIN用户组中的成员授予CAP_NET_ADMIN权能,允许用户配置网络接
口和路由表。

1.2权限

1、API权限:用于控制访问高层次的功能,这些功能存在于Android API、框架层,以及某种情况下的第三方框架中。一个使用API权限的常见例子是READ_PHONE_STATE,

2、文件权限:默认情况下,应用的唯一UID和GID都只能访问文件系统上相应的数据存储路径。

root@android:/ # ls -l /data/data
drwxr-x--x u0_a3 u0_a3 ... com.android.browser
drwxr-x--x u0_a4 u0_a4 ... com.android.calculator2
drwxr-x--x u0_a5 u0_a5 ... com.android.calendar
drwxr-x--x u0_a24 u0_a24 ... com.android.camera

3、IPC权限:IPC权限直接涉及应用组件(以及一些系统的IPC设施)之间的通信,虽然与API权限也有一些重叠。这些权限的声明和检查实施可能发生在不同层次上,包括运行环境、库函数,或直接在应用上。具体来说,这个权限集合应用于一些在Android Binder IPC机制之上建立的主要Android应用组件。

二、层次

2.1应用层

应用通常被分为两类:预装应用与用户安装的应用。

1、AndroidManifest.xml:Manifest文件中一个特别有趣的部分是sharedUserId属性。简单地说,如果两个应用由相同的密钥签名,它们就可以在各自的Manifest文件中指明同一个用户标识符。在这种情况下,这两个应用就会在相同的UID环境下运行,从而能使这些应用访问相同的文件系统数据存储以及潜在的其他资源。

2、Intent:Intent是一种消息对象,其中包含一个要执行操作的相关信息,将执行操作的目标组件信息(可选),以及其他一些(对接收方可能非常关键的)标志位或支持性信息。几乎所有常用的动作都涉及在系统中传递

Intent。
<permission android:name="com.wiley.permission.INSTALL_WIDGET"
android:protectionLevel="signature" />
...
<activity android:name=".InstallWidgetActivity"
android:permission="com.wiley.permission.INSTALL_WIDGET"/>

3、Activity:是一种面向用户的应用组件或用户界面(UI)。
Activity基于Activity基类,包括一个窗口和相关的UI元素。Activity的底层管理是由被称为Activity管理服务(Activity Manager)的组件来进行处理的,这一组件也处理应用之间或应用内部用于调用Activity的发送Intent。

4、Broadcast Receiver:通常会在应用希望接收一个匹配某种特定标准的隐式Intent时出现也可以使用。registerReceiver方法在运行时以编程方式注册,这个方法可以被重载以对Receiver设置权限。

<receiver android:name=".MySMSReceiver">
<intent-filter android:priority:"999">
<action android:name="android.provider.Telephony.SMS_RECEIVED" />
</intent-filter>
</receiver>

5、Service是一类在后台运行而无需用户界面的应用组件,用户不用直接与Service所属应用进行交互。

<service
android:name="com.yougetitback.androidapplication.FindLocationService">
<intent-filter>
<action
android:name="com.yougetitback.androidapplication.FindLocationService" />
</intent-filter>
</service>

Service通常可以被停止、启动或绑定,所有这些动作都通过Intent来触发。

6、Content Provider是为各种通用、共享的数据存储提供的结构化访问接口。

<provider android:name="com.wiley.example.MyProvider"
android:writePermission="com.wiley .example.permission.WRITE"
android:authorities="com.wiley .example.data" />

Content URI采用
content://[authorityname]的格式,可以额外包含路径和参数信息(如content://com.wiley.example.data/foo),而这些信息对Provider
的底层实现可能非常关键。

2.2框架层

Android框架层为开发者提供了执行通用任务的部件——程序包及其类。这些任务可能包括管理UI元素、访问共享数据存储,以及在应用组件中传递消息等。也就是说,框架层中包含任何仍然在DalvikVM中执行的非应用特定代码。

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1、DalvikVM是基于寄存器而不是栈的。。class->.dex->.apk。DalvikVM使用Java Native Interface(JNI)与底层原生代码进行交互。这一功能允许在Dalvik代码和原生代码之间相互调用。

2、Android设备启动时,Zygote进程是最先运行的进程之一。接下来,Zygote负责启动其他服务以及加载Android框架所使用的程序库。然后,Zygote进程作为每个Dalvik进程的加载器,通过复制自身进程副本(也被称为forking,分支)来创建进程。

Zygote的第二大功能是启动system_server进程,这个进程容纳了所有系统核心服务,并在system的AID用户环境中以特权权限运行。

2.3用户空间原生代码层

操作系统用户空间内的原生代码构成了Android系统的一大部分,这一层主要由两大类组件构成:程序库和核心系统服务。

1、Android框架层中的较高层次类所依赖的许多底层功能都是通过共享程序库的方式来实现,并通过JNI进行访问的。在这其中,许多程序库都也是在其他类Unix系统中所使用的知名开源项目。比如,SQLite提供了本地数据存储功能,Webkit提供了可嵌入的Web浏览器引擎,FreeType提供了位图和矢量字体渲染功能。

并非所有的底层程序库都是标准的,Bionic就是一个值得注意的特例。Bionic是BSD C运行时库的一个变种,旨在提供更小的内存使用空间。

这些库是使用原生代码开发的,因而很容易出现内存破坏漏洞

2、核心服务是指建立基本操作系统环境的服务与Android原生组件。这些服务包括初始化用户空间的服务(如init)、提供关键调试功能的服务(如adbd和debugggerd)等。

3、其他服务:提供一些不一定是必需的额外功能(取决于设备和服务)

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2.4内核

1、Android对Linux内核的主要修改(例举2):

Binder:
IPC机制,提供额外的一些特性,比如对调用者和被调用者的安全验证。它已被大量的系统和框架服务所使用
OOM修改:
"Out Of Memory"-killer在内存空间低的时候杀掉进程,在Android分支中,OOM在内存即将用尽时,较传统Linux内核能更快地杀掉进程

2、Binder:Binder作为
一个架构,以客户端—服务器模型运行,允许一个进程同时调用多个“远程”进程中的多个方法。Binder架构将底层细节进行了抽象,使得这些方法调用看起来就像是本地函数调用。

AIDL
允许两个应用使用“协商确定”或者标准化的接口,来发送和接收数据,使得接口独立于具体的实现。AIDL类似于其他的接口定义语言文件,比如C/C++中的头文件。

// IRemoteService.aidl
package com.example.android;
// Declare any non-default types here with import statements
//在此声明任何非默认类型导入声明
/*范例服务接口*/
interface IRemoteService {
/**请求这一服务的进程ID,做点“有趣”的事情**/
int getPid();
/**显示一些用作AIDL参数和返回值的基本类型**/
void basicTypes(int anInt, long aLong, boolean aBoolean,
float aFloat,
double aDouble, String aString);
}

3、ashmem:匿名共享内存服务,它广泛应用于大多数Android核心组件中,包括Surface Flinger、Audio Flinger、系统服务器和DalvikVM等。ashmem能够自动收缩内存缓存,并在全局可用内存较低时回收内存区域,因而非常适用于低内存环境。

int fd = ashmem_create_region("SomeAshmem", size);
if(fd == 0) {
data = mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
...

2011年,ashmem被证明存在一个非常严重的安全缺陷,允许通过Android属性进行特权提升

4、日志记录器:它根据信息的类型,提供了4个独立的日志缓冲区:main(主缓冲区)、radio(无线电缓冲区)、event(事件缓冲区)与system(系统缓冲区)。

$ adb -d logcat

写在最后

在仔细观察了Android的设计与架构之后,我们已经清楚地了解到,Android操作系统是一种非常复杂的系统。设计者坚持了最低权限原则,也就是说任何特定组件都应该只能访问它真正所需要访问的东西。不过,这虽然有助于提高安全性,却也增加了复杂性。

转自: Android开发中文站

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