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。 老罗的新浪微博：http://weibo.com/shengyangluo，欢迎关注！ 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： 图1Linux的UID/GID安全机制与Android的Permission安全机制 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： 图2Linux基于UID/GID的安全机制的三个角色 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： 图3Linux的文件权限划分 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： 图4Linux的进程 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： 图5su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：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：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： 图6Android的Permission安全机制 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： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 /* *Utilityroutinetoforkzygoteandspecializethechildprocess. */ static pid_tforkAndSpecializeCommon( const u4*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); ...... } ..... return pid; } 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：http://bluebox.com/corporate-blog/bluebox-uncovers-android-master-key/。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：http://developer.android.com/reference/android/Manifest.html，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： 图7Android的ApplicationSandbox 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：http://ian-ni-lewis.blogspot.com/2011/05/ndk-debugging-without-root-access.html。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： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 staticintptrace_attach(structtask_struct*task, long request, unsigned long addr, unsigned long flags) { ...... task_lock(task); retval=__ptrace_may_access(task,PTRACE_MODE_ATTACH); task_unlock(task); if (retval) goto unlock_creds; ...... unlock_creds: mutex_unlock(&task->signal->cred_guard_mutex); out: ...... return retval; } 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： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 int __ptrace_may_access(structtask_struct*task,unsigned int mode) { conststructcred*cred=current_cred(),*tcred; ...... if (task==current) return 0 ; 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)) goto ok; if (ptrace_has_cap(tcred->user->user_ns,mode)) goto ok; rcu_read_unlock(); return -EPERM; ok: ...... return security_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： 1 2 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： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 int __ptrace_may_access(structtask_struct*task,unsigned int mode) { conststructcred*cred=current_cred(),*tcred; ...... int dumpable= 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; return security_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： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 static pid_tforkAndSpecializeCommon( const u4*args,boolisSystemServer) { pid_tpid; ...... u4debugFlags=args[ 3 ]; ...... pid=fork(); if (pid== 0 ){ ...... /*configureadditionaldebugoptions*/ enableDebugFeatures(debugFlags); ...... } ...... return pid; } 参数args[3]包含的就是调试标志位，函数enableDebugFeatures的实现如下所示： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 void enableDebugFeatures(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(\"couldnotsetdumpablebitflag for pid%d:%s\", getpid(),strerror(errno)); } else { structrlimitrl; rl.rlim_cur= 0 ; rl.rlim_max=RLIM_INFINITY; if (setrlimit(RLIMIT_CORE,&rl)< 0 ){ ALOGE(\"couldnotdisablecorefilegeneration for pid%d:%s\", getpid(),strerror(errno)); } } } ...... } 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通过prctl将PR_SET_DUMPABLE设置为1，这样gdbserver才能对它进行调试。 这下我们就明白NDK在非root手机上调试APP的原理了：gdbserver通过run-as获得与目标进程相同的UID，然后就可以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，那我们是不是也可以利用它来做坏事呢？例如，我们可以在adbshell中运行run-as（run-as属于shell组，因此可以执行），并且指定run-as以某一个APK的UID运行，那么不就是可以读取该APK的数据了吗？从而突破了Android的应用程序沙箱。但是这是不可能做到的。 我们可以看一下run-as的源代码： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 int main( int argc, char **argv) { constchar*pkgname; int myuid,uid,gid; PackageInfoinfo; ...... /*checkuseridofcaller-mustbe\'shell\'or\'root\'*/ myuid=getuid(); if(myuid!=AID_SHELL&&myuid!=AID_ROOT){ panic(\"only\'shell\'or\'root\'userscanrunthisprogram\\n\"); } /*retrievepackageinformationfromsystem*/ pkgname=argv[1]; if(get_package_info(pkgname,&info)<0){ panic(\"Package\'%s\'isunknown\\n\",pkgname); return1; } /*rejectsystempackages*/ if(info.uid<AID_APP){ panic(\"Package\'%s\'isnotanapplication\\n\",pkgname); return1; } /*rejectanynon-debuggablepackage*/ if(!info.isDebuggable){ panic(\"Package\'%s\'isnotdebuggable\\n\",pkgname); return1; } /*Ensurethatwechangeallreal/effectivevedIDsatthe *sametimetoavoidnastysurprises. */ uid=gid=info.uid; if(setresgid(gid,gid,gid)||setresuid(uid,uid,uid)){ panic(\"Permissiondenied\\n\"); return1; } ...... /*Defaultexecshell.*/ execlp(\"/system/bin/sh\",\"sh\",NULL); panic(\"execfailed\\n\"); return 1 ; } 这里我们就可以看到run-as在启动的时候做了很多安全检查，包括： 1.检查自身是不是以shell或者root用户运行。 2.检查指定的UID的值是否是在分配给APK范围内的值，也就是只可以指定APK的UID，而不可以指定像system这样的UID。 3.指定的UID所对应的APK的android:debuggable属性必须要设置为true。 综合了以上三个条件之后，我们才可以成功地执行run-as。 这里还有一点需要提一下的就是，我们在运行run-as的时候，指定的参数其实是一个packagename。run-as通过这个packagename到/data/system/packages.xml去获得对应的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的所有者是system，run-as在读取这个文件的时候的身份是root，因此有权限对它进行读取。 这下我们也明白了，你想通过run-as来做坏事是不行的。同时，这也提醒我们，在发布APK的时候，一定不要将android:debuggable属性的值设置为true。否则的话，就提供了机会让别人去读取你的数据，或者对你进行ptrace了。 本文转自 Luoshengyang 51CTO博客，原文链接：http://blog.51cto.com/shyluo/1338267，如需转载请自行联系原作者
