从NDK在非Root手机上的调试原理探讨Android的安全机制.docx
《从NDK在非Root手机上的调试原理探讨Android的安全机制.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《从NDK在非Root手机上的调试原理探讨Android的安全机制.docx(18页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
![从NDK在非Root手机上的调试原理探讨Android的安全机制.docx](https://file1.bdocx.com/fileroot1/2023-2/5/a5e9b309-d59e-4401-956a-8dcb5c1110a8/a5e9b309-d59e-4401-956a-8dcb5c1110a81.gif)
从NDK在非Root手机上的调试原理探讨Android的安全机制
从NDK在非Root手机上的调试原理探讨Android的安全机制
最近都在忙着研究Android的安全攻防技术,好长一段时间没有写博客了,准备回归老本行中--Readthefunckingandroidsourcecode。
这两天在看NDK文档的时候,看到一句话“Nativedebugging...doesnotrequirerootorprivilegedaccess,aslongasyourapplicationisdebuggable”。
咦,NDK调试不就是通过ptrace来实现调试的么?
在非Root的手机上是怎么进行ptrace的呢?
借这两个问题正好可以介绍一下Android的安全机制。
Android是一个基于Linux内核的移动操作系统。
Linux是一个支持多用户的系统,系统中的文件的访问权限是通过用户ID(UID)和用户组ID(GID)来控制的。
换句话说,就是Linux的安全机制是基于UID和GID来实现的。
Android在Linux内核提供的基于UID和GID的安全机制的基础上,又实现了一套称为Permission的安全机制,如图1所示:
那么,这两个安全机制是如何对应起来的呢?
我们首先看一下Linux基于UID和GID的安全机制,它包含三个基本角色:
用户、进程和文件,如图2所示:
Linux中的每一个用户都分配有一个UID,然后所有的用户又按组来进划分,每一个用户组都分配有一个GID。
注意,一个用户可以属于多个用户组,也就是说,一个UID可以对应多个GID。
在一个用户所对应的用户组中,其中有一个称为主用户组,其它的称为补充用户组。
Linux中的每一个文件都具有三种权限:
Read、Write和Execute。
这三种权限又按照用户属性划分为三组:
Owner、Group和Other。
如图3所示:
从图3就可以看出文件acct:
1.所有者为root,可读可写可执行;2.所有者所属的主用户组为root,在这个组中的其它用户可读可执行;3.其余的用户可读可执行。
Linux中的每一个进程都关联有一个用户,也就是对应有一个UID,如图4所示:
由于每一个用户都对应有一个主用户组,以及若干个补充用户组,因此,每一个进程除了有一个对应的UID之外,还对应有一个主GID,以及若干个SupplementaryGIDs。
这些UID和GID就决定了一个进程所能访问的文件或者所能调用的系统API。
例如,在图4中,PID为340的进程一般来说,就只能访问所有者为u0_a19的文件。
一个进程的UID是怎么来的呢?
在默认情况下,就等于创建它的进程的UID,也就是它的父进程的UID。
Linux的第一个进程是init进程,它是由内核在启动完成后创建的,它的UID是root。
然后系统中的所有其它进程都是直接由init进程或者间接由init进程的子进程来创建。
所以默认情况下,系统的所有进程的UID都应该是root。
但是实际情况并非如此,因为父进程在创建子进程之后,也就是在fork之后,可以调用setuid来改变它的UID。
例如,在PC中,init进程启动之后,会先让用户登录。
用户登录成功后,就对应有一个shell进程。
该shell进程的UID就会被setuid修改为所登录的用户。
之后系统中创建的其余进程的UID为所登录的用户。
进程的UID除了来自于父进程之外,还有另外一种途径。
上面我们说到,Linux的文件有三种权限,分别是Read、Wirte和Execute。
其实还有另外一个种权限,叫做SUID。
例如,我们对Android手机进行root的过程中,会在里面放置一个su文件。
这个su文件就具有SUID权限,如图5所示:
一个可执行文件一旦被设置了SUID位,那么当它被一个进程通过exec加载之后,该进程的UID就会变成该可执行文件的所有者的UID。
也就是说,当上述的su被执行的时候,它所运行在的进程的UID是root,于是它就具有最高级别的权限,想干什么就干什么。
与SUI类似,文件还有另外一个称为SGID的权限,不过它描述的是用户组。
也就是说,一个可执行文件一旦被设置了GUID位,么当它被一个进程通过exec加载之后,该进程的主UID就会变成该可执行文件的所有者的主UID。
现在,小伙伴们应该可以理解Android手机的root原理了吧:
一个普通的进程通过执行su,从而获得一个具有root权限的进程。
有了这个具有root权限的进程之后,就可以想干什么就干什么了。
su所做的事情其实很简单,它再fork另外一个子进程来做真正的事情,也就是我们在执行su的时候,后面所跟的那些参数。
由于su所运行在的进程的UID是root,因此由它fork出来的子进程的UID也是root。
于是,子进程也可以想干什么就干什么了。
不过呢,用来root手机的su还会配合另外一个称为superuser的app来使用。
su在fork子进程来做真正的事情之前,会将superuser启动起来,询问用户是否允许fork一个UID是root的子进程。
这样就可以对root权限进行控制,避免被恶意应用偷偷地使用。
这里是su的源代码,小伙伴们可以根据上面所讲的知识读一读:
。
在传统的UNIX以及类UNIX系统中,进程的权限只划分两种:
特权和非特权。
UID等于0的进程就是特权进程,它们可以通过一切的权限检查。
UID不等于0的进程就非特权进程,它们在访问一些敏感资源或者调用一个敏感API时,需要进行权限检查。
这种纯粹通过UID来做权限检查的安全机制来粗放了。
于是,Linux从2.2开始,从进程的权限进行了细分,称为Capabilities。
一个进程所具有Capabilities可以通过capset和prctl等系统API来设置。
也就是说,当一个进程调用一个敏感的系统API时,Linux内核除了考虑它的UID之外,还会考虑它是否具有对应的Capability。
这里就是Linux所设计的Capabilities列表,有兴趣的小伙伴可以再读一读:
。
以上就是Linux基于UID/GID的安全机制的核心内容。
接下来我们再看Android基于Permission的安全机制,它也有三个角色:
apk、signature和permission,如图6所示:
Android的APK经过PackageManagerService安装之后,就相当于Linux里面的User,它们都会被分配到一个UID和一个主GID,而APK所申请的Permission就相当于是Linux里面的SupplementaryGID。
我们知道,Android的APK都是运行在独立的应用程序进程里面的,并且这些应用程序进程都是Zygote进程fork出来的。
Zygote进程又是由init进程fork出来的,并且它被init进程fork出来后,没有被setuid降权,也就是它的uid仍然是root。
按照我们前面所说的,应用程序进程被Zygote进程fork出来的时候,它的UID也应当是root。
但是,它们的UID会被setuid修改为所加载的APK被分配的UID。
参照一文的分析,ActivityManagerService在请求Zygote创建应用程序进程的时候,会将这个应用程序所加载的APK所分配得到的UID和GID(包括主GID和SupplementaryGID)都收集起来,并且将它们作为参数传递给Zygote进程。
Zygote进程通过执行函数来fork应用程序进程:
[cpp]viewplaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片
/*
*Utilityroutinetoforkzygoteandspecializethechildprocess.
*/
staticpid_tforkAndSpecializeCommon(constu4*args,boolisSystemServer)
{
pid_tpid;
uid_tuid=(uid_t)args[0];
gid_tgid=(gid_t)args[1];
ArrayObject*gids=(ArrayObject*)args[2];
......
pid=fork();
if(pid==0){
......
err=setgroupsIntarray(gids);
......
err=setgid(gid);
......
err=setuid(uid);
......
}
.....
returnpid;
}
参数args[0]、args[1]和args[]保存的就是APK分配到的UID、主GID和SupplementaryGID,它们分别通过setuid、setgid和setgroupsIntarray设置给当前fork出来的应用程序进程,于是应用程序进程就不再具有root权限了。
那么,Signature又充当什么作用呢?
两个作用:
1.控制哪些APK可以共享同一个UID;2.控制哪些APK可以申请哪些Permission。
我们知道,如果要让两个APK共享同一个UID,那么就需要在AndroidManifest中配置android:
sharedUserId属性。
PackageManagerService在安装APK的时候,如果发现两个APK具有相同的android:
sharedUserId属性,那么它们就会被分配到相同的UID。
当然这有一个前提,就是这两个APK必须具有相同的Signature。
这很重要,否则的话,如果我知道别人的APK设置了android:
sharedUserId属性,那么我也在自己的APK中设置相同的android:
sharedUserId属性,就可以去访问别人APK的数据了。
除了可以通过android:
sharedUserId属性申请让两个APK共享同一个UID之外,我们还可以将android:
sharedUserId属性的值设置为“android.uid.system”,从而让一个APK的UID设置为1000。
UID是1000的用户是system,系统的关键服务都是运行在的进程的UID就是它。
它的权限虽然不等同于root,不过也足够大了。
我们可以通过MasterKey漏洞来看一下有多大。
MasterKey漏洞发布时,曾轰动了整个Android界,它的具体情况老罗就不分析了,网上很多,这里是一篇官方的文章:
。
现在就简单说说它是怎么利用的:
1.找到一个具有系统签名的APP,并且这个APP通过android:
sharedUserId属性申请了android.uid.system这个UID。
2.通过MasterKey向这个APP注入恶意代码。
3.注入到这个APP的恶意代码在运行时就获得了system用户身份。
4.修改/data/local.prop文件,将属性ro.kernel.qemu的值设置为1。
5.重启手机,由于ro.kernel.qemu的值等于1,这时候手机里面的adb进程不会被setuid剥夺掉root权限。
6.通过具有root权限的adb进程就可以向系统注入我们熟悉的su和superuser.apk,于是整个root过程完成。
注意,第1步之所以要找一个具有系统签名的APP,是因为通过android:
sharedUserId属性申请android.uid.system这个UID需要有系统签名,也就是说不是谁可以申请system这个UID的。
另外,/data/local.prop文件的Owner是system,因此,只有获得了system这个UID的进程,才可以对它进行修改。
再说说Signature与Permission的关系。
有些Permission,例如INSTALL_PACKAGE,不是谁都可以申请的,必须要具有系统签名才可以,这样就可以控制SuppementaryGID的分配,从而控制应用程序进程的权限。
具有哪些Permission是具有系统签名才可以申请的,可以参考官方文档:
,就是哪些标记为“Notforusebythird-partyapplications”的Permission。
了解了Android的Permission机制之后,我们就可以知道:
1.Android的APK就相当于是Linux的UID。
2.Android的Permission就相当于是Linux的GID。
3.Android的Signature就是用来控制APK的UID和GID分配的。
这就是Android基于Permission的安全机制与Linux基于UID/GID的安全机制的关系,概括来说,我们常说的应用程序沙箱就是这样的:
接下来我们就终于可以步入正题分析NDK在非root手机上调试APP的原理了。
首先们需要知道的是,NDK是通过gdbclient和gdbserver来调试APP的。
具体来说,就是通过gdbserver通过ptrace附加上目标APP进程去,然后gdbclient再通过socket或者pipe来链接gdbserver,并且向它发出命令来对APP进程进行调试。
这个具体的过程可以参考这篇文章,讲得很详细的了:
。
老罗希望小伙伴们认真看完这篇文章再来看接下来的内容,因为接下来我们只讲这篇文章的关键点。
第一个关键点是每一个需要调试的APK在打包的时候,都会带上一个gdbserver。
因为手机上面不带有gdbserver这个工具。
这个gdbserver就负责用来ptrace到要调度的APP进程去。
第二个关键点是ptrace的调用。
一般来说,只有root权限的进程只可以调用。
例如,如果我们想通过ptrace向目标进程注入一个SO,那么就需要在root过的手机上通过向su申请root权限。
但是,这不是绝对的。
如果一个进程与目标进程的UID是相同的,那么该进程就具有调用ptrace的权限。
我们可以看看ptrace_attach函数的实现:
[cpp]viewplaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片
staticintptrace_attach(structtask_struct*task,longrequest,
unsignedlongaddr,
unsignedlongflags)
{
......
task_lock(task);
retval=__ptrace_may_access(task,PTRACE_MODE_ATTACH);
task_unlock(task);
if(retval)
gotounlock_creds;
......
unlock_creds:
mutex_unlock(&task->signal->cred_guard_mutex);
out:
......
returnretval;
}
gdbserver在调试一个APP之前,首先要通过ptrace_attach来附加到该APP进程去。
ptrace_attach在执行实际操作之后,会调用__ptrace_may_access来检查调用进程的权限:
[cpp]viewplaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片
int__ptrace_may_access(structtask_struct*task,unsignedintmode)
{
conststructcred*cred=current_cred(),*tcred;
......
if(task==current)
return0;
rcu_read_lock();
tcred=__task_cred(task);
if(cred->user->user_ns==tcred->user->user_ns&&
(cred->uid==tcred->euid&&
cred->uid==tcred->suid&&
cred->uid==tcred->uid&&
cred->gid==tcred->egid&&
cred->gid==tcred->sgid&&
cred->gid==tcred->gid))
gotook;
if(ptrace_has_cap(tcred->user->user_ns,mode))
gotook;
rcu_read_unlock();
return-EPERM;
ok:
......
returnsecurity_ptrace_access_check(task,mode);
}
这里我们就可以看到,如果调用进程与目标进程具有相同的UID和GID,那么权限检查就通过。
否则的话,就要求调用者进程具有执行ptrace的capability,这是通过另外一个函数ptrace_has_cap来检查的。
如果是调用进程的UID是root,那么ptrace_has_cap一定会检查通过。
当然,通过了上述两个权限检查之后,还要接受内核安全模块的检查,这个就不是通过UID或者Capability这一套机制来控制的了,我们可以忽略这个话题。
第三个关键点是如何让gdbserver进程的UID与要调试的APP进程的UID一样。
因为在没有root过的手机上,要想获得root权限是不可能的了,因此只能选择以目标进程相同的UID运行这个方法。
这就要用到另外一个工具了:
run-as。
runs-as其实是一个与su类似的工具,它在设备上是自带的,位于/system/bin目录下,它的SUID位也是被设置了,并且它的所有者也是root,我们可以通过ls-l/system/bin/run-as来看到:
[plain]viewplaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片
root@android:
/#ls-l/system/bin/run-as
-rwsr-s---rootshell95282013-12-0505:
32run-as
但是与su不同,run-as不是让一个进程以root身份运行,而是让一个进程以指定的UID来运行,这也是通过setuid来实现的。
run-as能够这样做是因为它运行的时候,所获得的UID是root。
第四个关键点是被调试的APK在其AndroidManifext.xml里必须将android:
debuggable属性设置为true。
这是为什么呢?
原来,当一个进程具有ptrace到目标进程的权限时,还不能够对目标进程进行调试,还要求目标进程将自己设置为可dumpable的。
我们再回过头来进一步看看__ptrace_may_access的实现:
[cpp]viewplaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片
int__ptrace_may_access(structtask_struct*task,unsignedintmode)
{
conststructcred*cred=current_cred(),*tcred;
......
intdumpable=0;
......
ok:
rcu_read_unlock();
smp_rmb();
if(task->mm)
dumpable=get_dumpable(task->mm);
if(!
dumpable&&!
ptrace_has_cap(task_user_ns(task),mode))
return-EPERM;
returnsecurity_ptrace_access_check(task,mode);
}
我们再来看看当一个APK在其AndroidManifext.xml里必须将android:
debuggable属性设置为true时会发生什么事情。
ActivityManagerService在请求Zygote进程为其fork一个应用程序进程时,会将它的DEBUG_ENABLE_DEBUGGER标志位设置为1,并且以参数的形式传递给Zygote进程。
Zygote进程在调用我们在上面分析的函数forkAndSpecializeCommon来fork应用程序进程时,就会相应的处理,如下所示:
[cpp]viewplaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片
staticpid_tforkAndSpecializeCommon(constu4*args,boolisSystemServer)
{
pid_tpid;
......
u4debugFlags=args[3];
......
pid=fork();
if(pid==0){
......
/*configureadditionaldebugoptions*/
enableDebugFeatures(debugFlags);
......
}
......
returnpid;
}
参数args[3]包含的就是调试标志位,函数enableDebugFeatures的实现如下所示:
[cpp]viewplaincopy在CODE上查看代码片派生到我的代码片
voidenableDebugFeatures(u4debugFlags)
{
......
if((debugFlags&DEBUG_ENABLE_DEBUGGER)!
=0){
/*Toletanon-privilegedgdbserverattachtothis
*process,wemustsetitsdumpablebitflag.However
*wearenotinterestedingeneratingacoredumpin
*caseofacrash,soalsosetthecoredumpsizeto0
*todisablethat
*/
if(prctl(PR_SET_DUMPABLE,1,0,0,0)<0){
ALOGE("couldnotsetdumpablebitflagforpid%d:
%s",
getpid(),strerror(errno));
}else{
structrlimitrl;
rl.rlim_cur=0;
rl.rlim_max=RLIM_INFINITY;
if(setrlimit(RLIMIT_CORE,&rl)<0){
ALOGE("couldnotdisablecor