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  • APP安全防护基本方法(混淆/签名验证/反调试)

    本教程所用Android Studio测试项目已上传:https://github.com/PrettyUp/SecTest

     

    一、混淆

    对于很多人而言是因为java才接触到“混淆”这个词,由于在前移动互联网时代在java程序中“混淆”也只是针对java代码,所以混淆基本就和对java源代码进行混淆等价。

    但说到混淆的本质,不过就是将变量名、函数名由有助于开发维护人员理解其用途的名称(如my_name,get_key)改用a,b,c,d这种简短无意义的词去替换。从这个思路出发,资源其实也是可以混淆的。

    在前移动互联网时代,对于B/S而言,前端页面资源则是放在服务器上且名称不适宜随便修改;对于C/S而言,由于java不擅长写界面所以java写的程序要么用到的资源很少要么就直接没有图形界面。

    也就是说在前移动互联网时代,资源混淆确实是没多大用途和意义的。但在移动互联网时代,或者更直接一点对app而言,资源混淆还是有用武之地的。一是可以减小apk的大小,二是对比电脑客户端更多将信息直接放在变量中而言app将更多的信息存放于xml文件中,进行混淆有助于提高逆向者理解程序逻辑的难度。

    1.1 资源混淆

    1.1.1 资源混淆操作步骤

    从这里要介绍的资源混淆操作方法看,因为是直接对apk进行操作所以放在最后讲才更合适。但顺从认识而言,资源混淆这种不是主角的东西就该放最前面讲。

    资源混淆我们这里使用微信团队的AndResGuard

    1)进入tool_output目录,下载AndResGuard jar文件和config.xml模板配置文件(注意不要右键直接保存那样下载的是html文件,jar文件点进去下载,config.xml点进去复制内容自己在本地新建个config.xml。或才直接下载整个项目再找出这两个文件)

    2) 修改config.xml

    config.xml各配置项具体说明见官方说明,我的大概理解是默认会对res目录下的各xml文件进行混淆,在config.xml可以配置不进行混淆的白名单(Whitelist项)及是否使用7z对图片进行压缩(Compress项)等。其中注意不是写在config.xml中的项就是启用的,各项自己的isactive值为"true"时才是启用的。

    我这里只修改最后的sign项,配置签名信息其他都不做修改(其实出于安全考虑签名最好用-signature选项而不是配置在config.xml中,但出于教程的统一和简洁这里我就这么操作)

    3)进行资源混淆

    执行以下命令进行混淆,注意我这里是用到的文件都放在了当前目录下(C:UserslsDesktopapp),如果不在要注意使用全路径或写好相对路径。

    -jar指定----AndResGuard程序

    SecTest.apk----是我做好的测试app,改成自己的

    -config----指定使用的配置文件

    -7zip----指定7z可执行文件的路径,改成自己的;其实如果不指定命令会报错,但只是不能生成经过压缩的apk而已,未压缩的apk还是成功生成了的。

    -zipalign----指定zipalign可执行文件的路径,这个程序在android sdk中就有,到sdk目录下找就行了。

    官方文档中说,若7zip或zipalign的路径已设置环境变量中,这两项不需要单独设置。一是这两个安装时都不会自己加到环境变量,二是官方文档7z用的是7za这个名字的可执行程序在我安装的7z版本中是没有的。也就是说推荐用直接指定命令位置而不是改环境变量的方法。

    mkdir test_dir
    
    java -jar AndResGuard-cli-1.2.12.jar SecTest.apk -config  config.xml -out test_dir -7zip D:7-Zip7z.exe -zipalign D:LanguageASDKuild-tools28.0.0zipalign.exe

     如果出现“java.io.IOException: the signature file do not exit, raw”等报错,那多半是文件名等信息写错了,重新检查一遍。

    最后test_dir中得到的有以下文件,各文件官方有说明,就我这里想要的是混淆并进行了签名的SecTest_signed.apk

    1.1.2 验证资源混淆成功【可选】

     以activity_main.xml为例,项目中代码如下:

    使用反编译工具查看layout,可以看到生成了一堆名为a,b,c,d的xml的文件。我找了半天才找到a2.xml是activity_main.xml,且可以看到其中的控件id和字符串名称等都已混淆

    1.2 代码混淆

    1.2.1 代码混淆操作步骤

    代码混淆这里以Android Studio中使用ProGuard为例,Eclipse看了一下也都是指定一下规则文件而已就不多做介绍。至于其他混淆工具并没有研究。

    将项目切换到Project视图,找到app文件夹下的build.gradle并打开,锁定到buildTypes节区,如图所示其中有minifyEnabled项该项控制编译时是否启用混淆,默认为false表示不使用。

    minifyEnabled下方的proguardFiles用于指定混淆规则文件,其中的proguard-android.txt是Android Studio自带的基本的混淆规则(一般在$SDK_PATH oolsproguard目录下)这个一般不要去做修改。另一个proguard-rules.pro是专门供写个性化混淆规则用的,如果有个性化混淆需求将自己的规则写入其中即可(在下图中也可看到改文件与build.gradle一样同处app目录下)。

    proguard-android.txt中已排除了android关键组件然后对除此之外的java代码都进行混淆,已符合我当前需要,所以我这里只将minifyEnabled项由默认的false改为true,其他都不做改动。

    如果要写个性化规则可参考:https://blog.csdn.net/Two_Water/article/details/70233983

    1.2.2 验证代码成功混淆【可选】

    以MainActivity.java为例,项目中OnCreate函数部分代码如下

     

    使用反编译工具反编译代码,对应片段代码如下,可以看到变量名称已被i,j,k等代替

    另外再查看AESCoder.java,也已被成功混淆

    二、签名验证

    签名验证,就是在APP中写入自己私钥的hash值,和一个获取当前签名中的私钥hash值的函数两个值相一致,那么就说明APP没有被改动允许APP运行。如果两值不一致那么说明APP是被二次打包的,APP就自我销毁进程。

    签名验证又可以在两个地方做,一个是在MainActivity.java的OnCreate函数中做,一个是在原生代码文件的JNI_OnLoad函数中做。

    在OnCreate函数中做,短处是反编译者只要找到在OnCreate中定位到验证函数,然后将其注释,重新打包APP就可以成功运行;好处就是代码简单。

    在JNI_OnLoad中做,短处是比较复杂(需要创建支持C/C++原生代码的项目,获取hash需要绕道java代码获取等);好处就是反编译者需要进一步掌握ida等反汇编工具将验证函数删除才能绕过验证。

    为了最大限度地提高安全性,可以考滤两种验证都使用。

    最后为了避免争议,在此要做一下统一声明,以下代码基本我个人都不是原作者,个人在本节的作用是将几个方案整合成了一个比较合理的方案,并验证这些代码和整合出来的方案是可行的。

    2.1 在MainActivity.java的OnCreate函数中进行签名验证

     OnCreate函数内、setContentView后加入以下代码:

           // 获取当前上下文
            Context context = getApplicationContext();
            // 发布apk时用来签名的keystore中查看到的sha1值,改成自己的
            String cert_sha1 = "937FF2936CDB81EEF4A776290EA9E076B3BC03A9";
            // 调用isOrgApp()获取比较结果
            boolean is_org_app = isOrgApp(context,cert_sha1);
            // 如果比较初始从证书里查看到的sha1,与代码获取到的当前证书中的sha1不一致,那么就自我销毁
            if(! is_org_app){
                android.os.Process.killProcess(android.os.Process.myPid());
            }

    在MainActivity类内,OnCreate函数外加入以下代码:

        // 此函数用于返回比较结果
        public static boolean isOrgApp(Context context,String cert_sha1){
            String current_sha1 = getAppSha1(context,cert_sha1);
            // 返回的字符串带冒号形式,用replace去掉
            current_sha1 = current_sha1.replace(":","");
            return current_sha1.equals(current_sha1);
        }
        // 此函数用于获取当前APP证书中的sha1值
        public static String getAppSha1(Context context,String cert_sha1) {
            try {
                PackageInfo info = context.getPackageManager().getPackageInfo(context.getPackageName(), PackageManager.GET_SIGNATURES);
                byte[] cert = info.signatures[0].toByteArray();
                MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA1");
                byte[] publicKey = md.digest(cert);
                StringBuffer hexString = new StringBuffer();
                for (int i = 0; i < publicKey.length; i++) {
                    String appendString = Integer.toHexString(0xFF & publicKey[i]).toUpperCase(Locale.US);
                    if (appendString.length() == 1)
                        hexString.append("0");
                    hexString.append(appendString);
                    hexString.append(":");
                }
                String result = hexString.toString();
                return result.substring(0, result.length()-1);
            } catch (PackageManager.NameNotFoundException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            return null;
        }

    我自己调试结果如下,确实可以成功获取sha1值(获取sha1函数代码原文链接

    2.2 原生代码文件的JNI_OnLoad函数中进行签名验证

    开始看到这位小哥哥的文章,就喜欢这种有图有真相的文章,说明其代码应该是真的可以获取到APP当前的sha1值的。

    但后来理清他的做法是:从java中把context传过去,在c++中完成比较返回true或false;也就是说决定程序退不退出的if语句还是在java中的,这种做法和2.1中全在java中做除了显示技术比较强之外安全效果完全一样并没有提升啊。if应当在c++中实现,context也需要c++自己获取。

    后来找到另一位小哥哥的文章,其指出判断需要在c++中做而且是在JNI_OnLoad函数中做并给出了方法,但是他获取context时实现的NoProGuard我没搞清楚在哪导入。

    最后找到了又一位小哥哥的文章,其给出了JNI获取context的方案,验证也确实是可行的。

    所以整合的方案就是:第二位小哥哥在JNI_OnLoad函数中做的思想+第三位小哥哥获取context的方法+第一位小哥哥获取sha1的方法。

    (其实第二位小哥哥还有一个思想就是debug时不需要验证release才要验证,这也是可取的,我这里也采用了。但debug时要做验证也不是不可以的,只是要注意debug时运行在avd中的app使用的是Android Studio自己生成的keystore而不是我们发布apk时自己的keystore,所以此时填的sha1的值应当是Android Studio自己生成的keystore的sha1,

    当然第二位小哥哥获取md5的方法改一下好像也是能获取正确的sha1值的)

    2.2.1 C++中验证签名代码

    最终C++中验证签名的代码如下,自己使用时要注意将其中的app_sha1赋值成自己keystore中的sha1值

    #include <jni.h>
    #include <string>
    
    // const char *app_sha1="FAAB30C11EEF7333C81D48FECA25D21A18E2C789";
    // 这里是keystore中的sha1值,改成自己的
    const char *app_sha1 = "937FF2936CDB81EEF4A776290EA9E076B3BC03A9";
    const char hexcode[] = {'0','1','2','3','4','5','6','7','8','9','A','B','C','D','E','F'};
    
    jobject getGlobalContext(JNIEnv *env)
    {
        //获取Activity Thread的实例对象
        jclass activityThread = env->FindClass("android/app/ActivityThread");
        jmethodID currentActivityThread = env->GetStaticMethodID(activityThread, "currentActivityThread", "()Landroid/app/ActivityThread;");
        jobject at = env->CallStaticObjectMethod(activityThread, currentActivityThread);
        //获取Application,也就是全局的Context
        jmethodID getApplication = env->GetMethodID(activityThread, "getApplication", "()Landroid/app/Application;");
        jobject context = env->CallObjectMethod(at, getApplication);
        return context;
    }
    
    char* getSha1(JNIEnv *env){
        // 调用getGlobalContext,获取上下文
        jobject context_object = getGlobalContext(env);
        if (context_object == NULL){
            printf("context is NULL");
            return NULL;
        }
        jclass context_class = env->GetObjectClass(context_object);
    
        //反射获取PackageManager
        jmethodID methodId = env->GetMethodID(context_class, "getPackageManager", "()Landroid/content/pm/PackageManager;");
        jobject package_manager = env->CallObjectMethod(context_object, methodId);
        if (package_manager == NULL) {
            printf("package_manager is NULL!!!");
            return NULL;
        }
    
        //反射获取包名
        methodId = env->GetMethodID(context_class, "getPackageName", "()Ljava/lang/String;");
        jstring package_name = (jstring)env->CallObjectMethod(context_object, methodId);
        if (package_name == NULL) {
            printf("package_name is NULL!!!");
            return NULL;
        }
        env->DeleteLocalRef(context_class);
    
        //获取PackageInfo对象
        jclass pack_manager_class = env->GetObjectClass(package_manager);
        methodId = env->GetMethodID(pack_manager_class, "getPackageInfo", "(Ljava/lang/String;I)Landroid/content/pm/PackageInfo;");
        env->DeleteLocalRef(pack_manager_class);
        jobject package_info = env->CallObjectMethod(package_manager, methodId, package_name, 0x40);
        if (package_info == NULL) {
            printf("getPackageInfo() is NULL!!!");
            return NULL;
        }
        env->DeleteLocalRef(package_manager);
    
        //获取签名信息
        jclass package_info_class = env->GetObjectClass(package_info);
        jfieldID fieldId = env->GetFieldID(package_info_class, "signatures", "[Landroid/content/pm/Signature;");
        env->DeleteLocalRef(package_info_class);
        jobjectArray signature_object_array = (jobjectArray)env->GetObjectField(package_info, fieldId);
        if (signature_object_array == NULL) {
            printf("signature is NULL!!!");
            return NULL;
        }
        jobject signature_object = env->GetObjectArrayElement(signature_object_array, 0);
        env->DeleteLocalRef(package_info);
    
        //签名信息转换成sha1值
        jclass signature_class = env->GetObjectClass(signature_object);
        methodId = env->GetMethodID(signature_class, "toByteArray", "()[B");
        env->DeleteLocalRef(signature_class);
        jbyteArray signature_byte = (jbyteArray) env->CallObjectMethod(signature_object, methodId);
        jclass byte_array_input_class=env->FindClass("java/io/ByteArrayInputStream");
        methodId=env->GetMethodID(byte_array_input_class,"<init>","([B)V");
        jobject byte_array_input=env->NewObject(byte_array_input_class,methodId,signature_byte);
        jclass certificate_factory_class=env->FindClass("java/security/cert/CertificateFactory");
        methodId=env->GetStaticMethodID(certificate_factory_class,"getInstance","(Ljava/lang/String;)Ljava/security/cert/CertificateFactory;");
        jstring x_509_jstring=env->NewStringUTF("X.509");
        jobject cert_factory=env->CallStaticObjectMethod(certificate_factory_class,methodId,x_509_jstring);
        methodId=env->GetMethodID(certificate_factory_class,"generateCertificate",("(Ljava/io/InputStream;)Ljava/security/cert/Certificate;"));
        jobject x509_cert=env->CallObjectMethod(cert_factory,methodId,byte_array_input);
        env->DeleteLocalRef(certificate_factory_class);
        jclass x509_cert_class=env->GetObjectClass(x509_cert);
        methodId=env->GetMethodID(x509_cert_class,"getEncoded","()[B");
        jbyteArray cert_byte=(jbyteArray)env->CallObjectMethod(x509_cert,methodId);
        env->DeleteLocalRef(x509_cert_class);
        jclass message_digest_class=env->FindClass("java/security/MessageDigest");
        methodId=env->GetStaticMethodID(message_digest_class,"getInstance","(Ljava/lang/String;)Ljava/security/MessageDigest;");
        jstring sha1_jstring=env->NewStringUTF("SHA1");
        jobject sha1_digest=env->CallStaticObjectMethod(message_digest_class,methodId,sha1_jstring);
        methodId=env->GetMethodID(message_digest_class,"digest","([B)[B");
        jbyteArray sha1_byte=(jbyteArray)env->CallObjectMethod(sha1_digest,methodId,cert_byte);
        env->DeleteLocalRef(message_digest_class);
    
        //转换成char
        jsize array_size=env->GetArrayLength(sha1_byte);
        jbyte* sha1 =env->GetByteArrayElements(sha1_byte,NULL);
        char *hex_sha=new char[array_size*2+1];
        for (int i = 0; i <array_size ; ++i) {
            hex_sha[2*i]=hexcode[((unsigned char)sha1[i])/16];
            hex_sha[2*i+1]=hexcode[((unsigned char)sha1[i])%16];
        }
        hex_sha[array_size*2]='';
    
        printf("hex_sha %s ",hex_sha);
        return hex_sha;
    }
    
    static jboolean checkSignature(JNIEnv *env) {
        // 调用getSha1获取app当前证书中的sha1
        char *sha1 = getSha1(env);
        // 调用checkValidity获取比较结果并直接返回
        // jboolean signatureValid = checkValidity(env,sha1);
        if (strcmp(sha1,app_sha1)==0)
        {
            return JNI_TRUE;
        }
        else{
            return JNI_FALSE;
        }
    }
    jint JNI_OnLoad(JavaVM *vm, void *reserved) {
        JNIEnv *env;
        if (vm->GetEnv((void **) (&env), JNI_VERSION_1_6) != JNI_OK) {
            return -1;
        }
    
        // RELEASE_MODE这个宏是通过编译脚本设定的,如果是release模式,
        // 则RELEASE_MODE=1,否则为0或者未定义
        // 如果想不管release还是debug都进行签名验证,注释掉下方ifdef和endif两条预编译语句即可
    #ifdef RELEASE_MODE
        // 如果是release版本,检查当前应用的签名是否一致;如果不签名不一致的话则返回-1,-1会引发app异常自动退出
        if (RELEASE_MODE == 1) {
            if (checkSignature(env) != JNI_TRUE) {
                return -1;
            }
        }
    #endif
    
        return JNI_VERSION_1_6;
    }
    View Code

    2.2.2 配置build_gradle

    由于代码中使用了以下预编译语句,所以如果只是使用上边的代码,验证是没有生效的。说明如下:

    build_gradle中未配置RELEASE_MODE=1----release/debug都不进行签名验证
    build_gradle中配置RELEASE_MODE=1----release模式验证/debug模式不验证
    注释掉ifdef和endif两条预编译语句----release/debug都进行签名验证

    #ifdef RELEASE_MODE
        // 检查当前应用的签名是否一致,如果不签名不一致的话则返回-1,-1会引发app异常自动退出
        if (checkSignature(env) != JNI_TRUE) {
            return -1;
        }
    #endif

    所以为了启用验证,还需要打开app目录下的build_gradle文件,在如下图所示位置加入以下代码:

    ndk {
        // release包定义RELEASE_MODE=1宏,供so库中的ifdef语句使用
        cFlags "-DRELEASE_MODE=1"
    }

    2.2.3 MainActivity.java中加载so文件

    当然最还得要在java文件中,载入so文件才能起来作用。netive-test是我这里so的库名改成自己的

    // Used to load the 'native-test' library on application startup.
    static {
        System.loadLibrary("native-test");
    }

    三、反调试

    反调试,这位小哥哥说可以有两个思路。

    第一个是一个进程同时最多只能被一个进程所调试,所以可以自己使用ptrace()函数假装自己在调试自己,占住调试的位置以此来拒绝别的进程的调试请求。

    第二个是查看/proc/{pid}/status文件如果发现TracerPid的值不等于0(TracerPid是调试进程的pid,如果不为0则表示有进程在调试),则kill掉自己。

    第一个思路由于我在复现时没有起到反调试效果,未排查到原因暂且就先不管了。

    第二个思路中作者给的具体做法是只是在JNI_Onload中只检测一次。在姜维的《Android 应用安全防护和逆向分析》中也提到了第二种思路,但他给出的具体做法是去启动一个线程不断地检测/proc/{pid}/status的TracerPid值,如果检测到不为0则使用exit退出。

    不是很清楚有没有可能/proc/{pid}/status的TracerPid值开始为0,后来不为0的情况。但其实我是先看到姜维写的,所以这里就采用姜维的做法。

    3.1 加入检测函数

    在要防护的c++文件中加入以下两个函数

    #include <pthread.h>
    #include <unistd.h>
    #include <stdio.h>
    void* thread_function(void *arg){
        int pid = getpid();
        char file_name[20] = {''};
        sprintf(file_name,"proc/%d/status",pid);
        char line_str[256];
        int i = 0,traceid;
        FILE *fp;
        while(1){
            i = 0;
            fp = fopen(file_name,"r");
            if(fp == NULL){
                break;
            }
            while(!feof(fp)){
                fgets(line_str,256,fp);
                if(i == 5){
                    // traceid = getnumberfor_str(line_str);
                    traceid = atoi(&line_str[10]);
                    if(traceid > 0){
                        exit(0);
                    }
                    break;
                }
                i++;
            }
            fclose(fp);
            sleep(5);
        }
    }
    
    
    void create_thread_check_traceid(){
        pthread_t thread_id;
        int err = pthread_create(&thread_id,NULL,thread_function,NULL);
        if(err != 0){
    
        }
    }

    3.2 在JNI_OnLoad函数开头调用检测函数

    要强调两点,一个是这里是反调试只有ida进行动态分析时才能起到防护效果,ida静态打开还是不能阻止的。第二个是这里是反调试,自己开发过程中使用IDE debug也是调试,如果加了以下代码那IDE debug时进程也会自我销毁的(实际发现IDE中 run也是不行的)。

    也就是说,在开发时要注意先注释该函数调用,在打包生成apk时才去掉注释。

    参考:

    《Android 应用安全防护和逆向分析》

    https://blog.csdn.net/Two_Water/article/details/70233983

    https://blog.csdn.net/liyi0930/article/details/77413525

    http://leehong2005.com/2016/08/08/android-so-signature-check/

    https://blog.csdn.net/lb377463323/article/details/75315167

    https://blog.csdn.net/leifengpeng/article/details/52681196

    https://blog.csdn.net/feibabeibei_beibei/article/details/60956307

    https://www.cnblogs.com/biggerman/p/6940888.html

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