Android系统的安全设计与架构

## 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。  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。  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）  ### 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。