从NDK在非Root手机上的调试原理探讨Android的安全机制

时间  2019-11-16
标签 ndk root 手机 调试 原理 探讨 android 安全 机制 栏目 Linux 繁體版
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       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--Read the funcking android source code。这两天在看NDK文档的时候，看到一句话“Native debugging ... does not require root or privileged access, aslong as your application is debuggable”。咦，NDK调试不就是经过ptrace来实现调试的么？在非Root的手机上是怎么进行ptrace的呢？借这两个问题正好能够介绍一下Android的安全机制。

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        Android是一个基于Linux内核的移动操做系统。Linux是一个支持多用户的系统，系统中的文件的访问权限是经过用户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： linux

图1 Linux的UID/GID安全机制与Android的Permission安全机制 android

        那么，这两个安全机制是如何对应起来的呢？ shell

        咱们首先看一下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： 安全

图2 Linux基于UID/GID的安全机制的三个角色 app

        Linux中的每个用户都分配有一个UID，而后全部的用户又按组来进划分，每个用户组都分配有一个GID。注意，一个用户能够属于多个用户组，也就是说，一个UID能够对应多个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。 socket

        Linux中的每个文件都具备三种权限：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： 函数

图3 Linux的文件权限划分 工具

        从图3就能够看出文件acct：1. 全部者为root，可读可写可执行；2. 全部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. 其他的用户可读可执行。 ui

        Linux中的每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：

图4 Linux的进程

         因为每个用户都对应有一个主用户组，以及若干个补充用户组，所以，每个进程除了有一个对应的UID以外，还对应有一个主GID，以及若干个Supplementary GIDs。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的进程通常来讲，就只能访问全部者为u0_a19的文件。

         一个进程的UID是怎么来的呢？在默认状况下，就等于建立它的进程的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建立的，它的UID是root。而后系统中的全部其它进程都是直接由init进程或者间接由init进程的子进程来建立。因此默认状况下，系统的全部进程的UID都应该是root。可是实际状况并不是如此，由于父进程在建立子进程以后，也就是在fork以后，能够调用setuid来改变它的UID。例如，在PC中，init进程启动以后，会先让用户登陆。用户登陆成功后，就对应有一个shell进程。该shell进程的UID就会被setuid修改成所登陆的用户。以后系统中建立的其他进程的UID为所登陆的用户。

        进程的UID除了来自于父进程以外，还有另一种途径。上面咱们说到，Linux的文件有三种权限，分别是Read、Wirte和Execute。其实还有另一个种权限，叫作SUID。例如，咱们对Android手机进行root的过程当中，会在里面放置一个su文件。这个su文件就具备SUID权限，如图5所示：

图5 su的SUID和SGID

        一个可执行文件一旦被设置了SUID位，那么当它被一个进程经过exec加载以后，该进程的UID就会变成该可执行文件的全部者的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，因而它就具备最高级别的权限，想干什么就干什么。

        与SUI相似，文件还有另一个称为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，么当它被一个进程经过exec加载以后，该进程的主UID就会变成该可执行文件的全部者的主UID。

        如今，小伙伴们应该能够理解Android手机的root原理了吧：一个普通的进程经过执行su，从而得到一个具备root权限的进程。有了这个具备root权限的进程以后，就能够想干什么就干什么了。su所作的事情其实很简单，它再fork另一个子进程来作真正的事情，也就是咱们在执行su的时候，后面所跟的那些参数。因为su所运行在的进程的UID是root，所以由它fork出来的子进程的UID也是root。因而，子进程也能够想干什么就干什么了。

        不过呢，用来root手机的su还会配合另一个称为superuser的app来使用。su在fork子进程来作真正的事情以前，会将superuser启动起来，询问用户是否容许fork一个UID是root的子进程。这样就能够对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，小伙伴们能够根据上面所讲的知识读一读：https://code.google.com/p/superuser/source/browse/trunk/su/su.c?r=2。

        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，它们能够经过一切的权限检查。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，须要进行权限检查。这种纯粹经过UID来作权限检查的安全机制来粗放了。因而，Linux从2.2开始，从进程的权限进行了细分，称为Capabilities。一个进程所具备Capabilities能够经过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以外，还会考虑它是否具备对应的Capability。

        这里就是Linux所设计的Capabilities列表，有兴趣的小伙伴能够再读一读：http://man7.org/linux/man-pages/man7/capabilities.7.html。

        以上就是Linux基于UID/GID的安全机制的核心内容。接下来咱们再看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：

图6 Android的Permission安全机制

        

        Android的APK通过PackageManagerService安装以后，就至关于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就至关因而Linux里面的Supplementary GID。

        咱们知道，Android的APK都是运行在独立的应用程序进程里面的，而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，而且它被init进程fork出来后，没有被setuid降权，也就是它的uid仍然是root。按照咱们前面所说的，应用程序进程被Zygote进程fork出来的时候，它的UID也应当是root。可是，它们的UID会被setuid修改成所加载的APK被分配的UID。

       参照Android应用程序进程启动过程的源代码分析一文的分析，ActivityManagerService在请求Zygote建立应用程序进程的时候，会将这个应用程序所加载的APK所分配获得的UID和GID（包括主GID和Supplementary GID）都收集起来，而且将它们做为参数传递给Zygote进程。Zygote进程经过执行函数来fork应用程序进程：

[cpp]  view plain copy 在CODE上查看代码片 派生到个人代码片
  1. /* 
  2.  * Utility routine to fork zygote and specialize the child process. 
  3.  */  
  4. static pid_t forkAndSpecializeCommon(const u4* args, bool isSystemServer)  
  5. {     
  6.     pid_t pid;  
  7.       
  8.     uid_t uid = (uid_t) args[0];  
  9.     gid_t gid = (gid_t) args[1];  
  10.     ArrayObject* gids = (ArrayObject *)args[2];  
  11.     ......  
  12.       
  13.     pid = fork();  
  14.       
  15.     if (pid == 0) {  
  16.         ......  
  17.           
  18.         err = setgroupsIntarray(gids);  
  19.         ......  
  20.           
  21.         err = setgid(gid);  
  22.         ......  
  23.           
  24.         err = setuid(uid);  
  25.         ......  
  26.     }     
  27.       
  28.     .....  
  29.       
  30.     return pid;  
  31. }     

        参数args[0]、args[1]和args[]保存的就是APK分配到的UID、主GID和Supplementary GID，它们分别经过setuid、setgid和setgroupsIntarray设置给当前fork出来的应用程序进程，因而应用程序进程就再也不具备root权限了。

        那么，Signature又充当什么做用呢？两个做用：1. 控制哪些APK能够共享同一个UID；2. 控制哪些APK能够申请哪些Permission。

        咱们知道，若是要让两个APK共享同一个UID，那么就须要在AndroidManifest中配置android:sharedUserId属性。PackageManagerService在安装APK的时候，若是发现两个APK具备相同的android:sharedUserId属性，那么它们就会被分配到相同的UID。固然这有一个前提，就是这两个APK必须具备相同的Signature。这很重要，不然的话，若是我知作别人的APK设置了android:sharedUserId属性，那么我也在本身的APK中设置相同的android:sharedUserId属性，就能够去访问别人APK的数据了。

        除了能够经过android:sharedUserId属性申请让两个APK共享同一个UID以外，咱们还能够将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。咱们能够经过Master Key漏洞来看一下有多大。

        Master Key漏洞发布时，曾轰动了整个Android界，它的具体状况老罗就不分析了，网上不少，这里是一篇官方的文章：http://bluebox.com/corporate-blog/bluebox-uncovers-android-master-key/。如今就简单说说它是怎么利用的：

        1. 找到一个具备系统签名的APP，而且这个APP经过android:sharedUserId属性申请了android.uid.system这个UID。

        2. 经过Master Key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得到了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，因为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. 经过具备root权限的adb进程就能够向系统注入咱们熟悉的su和superuser.apk，因而整个root过程完成。

        注意，第1步之因此要找一个具备系统签名的APP，是由于经过android:sharedUserId属性申请android.uid.system这个UID须要有系统签名，也就是说不是谁能够申请system这个UID的。另外，/data/local.prop文件的Owner是system，所以，只有得到了system这个UID的进程，才能够对它进行修改。

        再说说Signature与Permission的关系。有些Permission，例如INSTALL_PACKAGE，不是谁均可以申请的，必需要具备系统签名才能够，这样就能够控制Suppementary GID的分配，从而控制应用程序进程的权限。具备哪些Permission是具备系统签名才能够申请的，能够参考官方文档：http://developer.android.com/reference/android/Manifest.html，就是哪些标记为“Not for use by third-party applications”的Permission。

        了解了Android的Permission机制以后，咱们就能够知道：

         1. Android的APK就至关因而Linux的UID。

         2. Android的Permission就至关因而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，归纳来讲，咱们常说的应用程序沙箱就是这样的：

图7 Android的Application Sandbox

       接下来咱们就终于能够步入正题分析NDK在非root手机上调试APP的原理了。首先们须要知道的是，NDK是经过gdbclient和gdbserver来调试APP的。具体来讲，就是经过gdbserver经过ptrace附加上目标APP进程去，而后gdbclient再经过socket或者pipe来连接gdbserver，而且向它发出命令来对APP进程进行调试。这个具体的过程能够参考这篇文章，讲得很详细的了：http://ian-ni-lewis.blogspot.com/2011/05/ndk-debugging-without-root-access.html。老罗但愿小伙伴们认真看完这篇文章再来看接下来的内容，由于接下来咱们只讲这篇文章的关键点。

        第一个关键点是每个须要调试的APK在打包的时候，都会带上一个gdbserver。由于手机上面不带有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。通常来讲，只有root权限的进程只能够调用。例如，若是咱们想经过ptrace向目标进程注入一个SO，那么就须要在root过的手机上经过向su申请root权限。可是，这不是绝对的。若是一个进程与目标进程的UID是相同的，那么该进程就具备调用ptrace的权限。咱们能够看看ptrace_attach函数的实现：

[cpp]  view plain copy 在CODE上查看代码片 派生到个人代码片
  1. static int ptrace_attach(struct task_struct *task, long request,  
  2.              unsigned long addr,  
  3.              unsigned long flags)  
  4. {  
  5.     ......  
  6.   
  7.     task_lock(task);  
  8.     retval = __ptrace_may_access(task, PTRACE_MODE_ATTACH);  
  9.     task_unlock(task);  
  10.     if (retval)  
  11.         goto unlock_creds;  
  12.     ......  
  13.   
  14. unlock_creds:  
  15.     mutex_unlock(&task->signal->cred_guard_mutex);  
  16. out:  
  17.     ......  
  18.   
  19.     return retval;  
  20. }  
          gdbserver在调试一个APP以前，首先要经过ptrace_attach来附加到该APP进程去。ptrace_attach在执行实际操做以后，会调用__ptrace_may_access来检查调用进程的权限：
[cpp]  view plain copy 在CODE上查看代码片 派生到个人代码片
  1. int __ptrace_may_access(struct task_struct *task, unsigned int mode)  
  2. {  
  3.     const struct cred *cred = current_cred(), *tcred;  
  4.     ......  
  5.   
  6.     if (task == current)  
  7.         return 0;  
  8.     rcu_read_lock();  
  9.     tcred = __task_cred(task);  
  10.     if (cred->user->user_ns == tcred->user->user_ns &&  
  11.         (cred->uid == tcred->euid &&  
  12.          cred->uid == tcred->suid &&  
  13.          cred->uid == tcred->uid  &&  
  14.          cred->gid == tcred->egid &&  
  15.          cred->gid == tcred->sgid &&  
  16.          cred->gid == tcred->gid))  
  17.         goto ok;  
  18.     if (ptrace_has_cap(tcred->user->user_ns, mode))  
  19.         goto ok;  
  20.     rcu_read_unlock();  
  21.     return -EPERM;  
  22. ok:  
  23.     ......  
  24.   
  25.     return security_ptrace_access_check(task, mode);  
  26. }  
         这里咱们就能够看到，若是调用进程与目标进程具备相同的UID和GID，那么权限检查就经过。不然的话，就要求调用者进程具备执行ptrace的capability，这是经过另一个函数ptrace_has_cap来检查的。若是是调用进程的UID是root，那么ptrace_has_cap必定会检查经过。固然，经过了上述两个权限检查以后，还要接受内核安全模块的检查，这个就不是经过UID或者Capability这一套机制来控制的了，咱们能够忽略这个话题。

        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同样。由于在没有root过的手机上，要想得到root权限是不可能的了，所以只能选择以目标进程相同的UID运行这个方法。这就要用到另一个工具了：run-as。

        runs-as实际上是一个与su相似的工具，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，而且它的全部者也是root，咱们能够经过ls -l /system/bin/run-as来看到：

[plain]  view plain copy 在CODE上查看代码片 派生到个人代码片
  1. root@android :/ # ls -l /system/bin/run-as                                        
  2. -rwsr-s--- root     shell        9528 2013-12-05 05:32 run-as  
        可是与su不一样，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，这也是经过setuid来实现的。run-as可以这样作是由于它运行的时候，所得到的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。这是为何呢？原来，当一个进程具备ptrace到目标进程的权限时，还不可以对目标进程进行调试，还要求目标进程将本身设置为可dumpable的。咱们再回过头来进一步看看__ptrace_may_access的实现：

[cpp]  view plain copy 在CODE上查看代码片 派生到个人代码片
  1. int __ptrace_may_access(struct task_struct *task, unsigned int mode)  
  2. {  
  3.     const struct cred *cred = current_cred(), *tcred;  
  4.     ......  
  5.   
  6.     int dumpable = 0;  
  7.     ......  
  8.   
  9. ok:  
  10.     rcu_read_unlock();  
  11.     smp_rmb();  
  12.     if (task->mm)  
  13.         dumpable = get_dumpable(task->mm);  
  14.     if (!dumpable  && !ptrace_has_cap(task_user_ns(task), mode))  
  15.         return -EPERM;  
  16.   
  17.     return security_ptrace_access_check(task, mode);  
  18. }  
        咱们再来看看当一个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，而且以参数的形式传递给Zygote进程。Zygote进程在调用咱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，以下所示：
[cpp]  view plain copy 在CODE上查看代码片 派生到个人代码片
  1. static pid_t forkAndSpecializeCommon(const u4* args, bool isSystemServer)  
  2. {  
  3.     pid_t pid;  
  4.     ......  
  5.   
  6.     u4 debugFlags = args[3];  
  7.     ......  
  8.   
  9.     pid = fork();  
  10.   
  11.     if (pid == 0) {  
  12.         ......  
  13.   
  14.         /* configure additional debug options */  
  15.         enableDebugFeatures(debugFlags);  
  16.         ......  
  17.   
  18.     }  
  19.   
  20.     ......  
  21.   
  22.     return pid;  
  23. }  
         参数args[3]包含的就是调试标志位，函数enableDebugFeatures的实现以下所示：
[cpp]  view plain copy 在CODE上查看代码片 派生到个人代码片
  1. void enableDebugFeatures(u4 debugFlags)  
  2. {  
  3.     ......  
  4.   
  5.     if ((debugFlags & DEBUG_ENABLE_DEBUGGER) != 0) {  
  6.         /* To let a non-privileged gdbserver attach to this 
  7.          * process, we must set its dumpable bit flag. However 
  8.          * we are not interested in generating a coredump in 
  9.          * case of a crash, so also set the coredump size to 0 
  10.          * to disable that 
  11.          */  
  12.         if (prctl(PR_SET_DUMPABLE, 1, 0, 0, 0) < 0) {  
  13.             ALOGE("could not set dumpable bit flag for pid %d: %s",  
  14.                  getpid(), strerror(errno));  
  15.         } else {  
  16.             struct rlimit rl;  
  17.             rl.rlim_cur = 0;  
  18.             rl.rlim_max = RLIM_INFINITY;  
  19.             if (setrlimit(RLIMIT_CORE, &rl) < 0) {  
  20.                 ALOGE("could not disable core file generation for pid %d: %s",  
  21.                     getpid(), strerror(errno));  
  22.             }  
  23.         }  
  24.     }  
  25.   
  26.     ......  
  27. }  
        这样当一个APK在其AndroidManifext.xml里必须将android:debuggable属性设置为true时，它所运行在的进程就会经过prctl将PR_SET_DUMPABLE设置为1，这样gdbserver才能对它进行调试。

        这下咱们就明白NDK在非root手机上调试APP的原理了：gdbserver经过run-as得到与目标进程相同的UID，而后就能够ptrace到目标进程去调试了。

        这一下就引出了run-as这个工具，貌似很强大的样子，那咱们是否是也能够利用它来作坏事呢？例如，咱们能够在adb shell中运行run-as（run-as属于shell组，所以能够执行），而且指定run-as以某一个APK的UID运行，那么不就是能够读取该APK的数据了吗？从而突破了Android的应用程序沙箱。可是这是不可能作到的。

        咱们能够看一下run-as的源代码：

[cpp]  view plain copy 在CODE上查看代码片 派生到个人代码片
  1. int main(int argc, char **argv)  
  2. {  
  3.     const char* pkgname;  
  4.     int myuid, uid, gid;  
  5.     PackageInfo info;  
  6.     ......  
  7.   
  8.     /* check userid of caller - must be 'shell' or 'root' */  
  9.     myuid = getuid();  
  10.     if (myuid != AID_SHELL && myuid != AID_ROOT) {  
  11.         panic("only 'shell' or 'root' users can run this program\n");  
  12.     }  
  13.   
  14.     /* retrieve package information from system */  
  15.     pkgname = argv[1];  
  16.     if (get_package_info(pkgname, &info) < 0) {  
  17.         panic("Package '%s' is unknown\n", pkgname);  
  18.         return 1;  
  19.     }  
  20.   
  21.     /* reject system packages */  
  22.     if (info.uid < AID_APP) {  
  23.         panic("Package '%s' is not an application\n", pkgname);  
  24.         return 1;  
  25.     }  
  26.   
  27.     /* reject any non-debuggable package */  
  28.     if (!info.isDebuggable) {  
  29.         panic("Package '%s' is not debuggable\n", pkgname);  
  30.         return 1;  
  31.     }  
  32.     /* Ensure that we change all real/effective/saved IDs at the 
  33.      * same time to avoid nasty surprises. 
  34.      */  
  35.     uid = gid = info.uid;  
  36.     if(setresgid(gid,gid,gid) || setresuid(uid,uid,uid)) {  
  37.         panic("Permission denied\n");  
  38.         return 1;  
  39.     }  
  40.   
  41.     ......  
  42.   
  43.     /* Default exec shell. */  
  44.     execlp("/system/bin/sh", "sh", NULL);  
  45.   
  46.     panic("exec failed\n");  
  47.     return 1;  
  48. }  
          这里咱们就能够看到run-as在启动的时候作了不少安全检查，包括：

          1. 检查自身是否是以shell或者root用户运行。

          2. 检查指定的UID的值是不是在分配给APK范围内的值，也就是只能够指定APK的UID，而不能够指定像system这样的UID。

          3. 指定的UID所对应的APK的android:debuggable属性必需要设置为true。

          综合了以上三个条件以后，咱们才能够成功地执行run-as。

          这里还有一点须要提一下的就是，咱们在运行run-as的时候，指定的参数实际上是一个package name。run-as经过这个package name到/data/system/packages.xml去得到对应的APK的安装信息，包括它所分配的UID，以及它的android:debuggable属性。文件/data/system/packages.xml的全部者是system，run-as在读取这个文件的时候的身份是root，所以有权限对它进行读取。

         这下咱们也明白了，你想经过run-as来作坏事是不行的。同时，这也提醒咱们，在发布APK的时候，必定不要将android:debuggable属性的值设置为true。不然的话，就提供了机会让别人去读取你的数据，或者对你进行ptrace了。

         至些，咱们就经过NDK在非Root手机上的调试原理完成了Android安全机制的探讨了，不知道各位小伙伴们理解了吗？没理解的不要紧，能够关注老罗的新浪微博，上面有不少的干货分享：http://weibo.com/shengyangluo。

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