Android智能终端安全综述

许艳萍，马兆丰，王中华，钮心忻，杨义先



Android智能终端安全综述

许艳萍1，马兆丰1，王中华2，钮心忻1，杨义先1

（1. 北京邮电大学信息安全中心，北京 100876；2. 国家计算机网络应急技术处理协调中心，北京 100029）

针对Android智能终端安全问题，构建Android智能终端安全分层体系。首先从远程防盗、生物身份验证和硬件安全模块方面阐述了Android设备安全的安全威胁及保护措施，然后从无线安全网络、病毒传播查杀和防钓鱼攻击说明了Android网络安全的隐患及防范，之后从内核安全、本地库运行时环境安全和应用框架安全角度介绍了Android操作系统安全的研究内容，接着从静态检测和应用行为动态检测、应用加固和应用评估方面展示了Android应用安全的研究成果，接下来着眼于数据本身总结了Android数据的追踪、加密和备份等安全保护技术，最后结合实际需求展望了Android安全未来在安全增强框架、智能应用行为分析等方向的发展。

Android；设备安全；网络安全；系统安全；应用安全；数据安全

1 引言

Android系统是2007年Google公司发布的基于Linux内核的开源操作系统，主要应用于智能手机、平板Pad、智能手表等智能终端。自发布以来，系统的开源特性广受智能设备厂商及开发人员的推崇，广泛应用于金融、政府、交通、教育、军事、汽车、家居、能源等重要领域。IDC调研显示，2015年Android智能手机的出货量达到14.3亿部，占全球智能手机市场份额的82%。

360互联网安全中心发布《2015年手机安全状况报告》[1]显示，2015全年截获的Android平台新增恶意程序样本为1 874万个，较2013年，2014年分别增加了27.9倍和5.7倍，累计约3.7亿人次Android用户感染到恶意程。根据危害结果将Android病毒分5大类：移动支付(60%)、资费消耗(14%)、隐私窃取(20%)、远程控制(2%)、黑客工具(4%)[2]。Android病毒最常做出的前3位恶意行为是资费泄露隐私、权限提升、流量消耗[3,4]，智能终端安全正面临着严峻的考验。

由于Android平台开放的生态，每一个Android设备中安装的软件可能来自于Google、手机开发商、芯片厂商和不同应用开发者等，软件组件很难遵从统一的开发、测试、审计标准，因而质量参差不齐。对恶意攻击者和安全研究者来说，却是一个很好的研究目标。

参照信息安全技术体系设计原则[5]，将Android智能终端安全层次划分为设备安全层、网络安全层、系统安全层、应用安全层和数据安全层，每层针对受到的威胁采取相应的安全防护措施[6~9]，从而达到5个安全目标：保密性、完整性、可用性、可控性和不可否认性。Android智能终端安全分层体系如图1所示。

设备安全层。Android终端设备是应用和数据的载体，主要研究设备丢失情况下的远程防盗、基于生物特征的身份验证和硬件安全模块内容。Android设备中存储了大量的个人隐私数据，如短信、通讯录、照片等[3]，如果在设备丢失或者绕过身份验证被非法人员操作的情况下，隐私数据很容易被窃取。基于XMPP的协议远程对终端设备下发指令控制设备[10]；基于指纹、人脸、虹膜等人体生物特征的身份验证拒绝非法终端用户登录，打造安全的设备环境；采用硬件安全模块，基于硬件实现高性能安全加密和身份验证等功能。

网络安全层。Android智能终端互联互通，形成无线通信网络，主要研究无线安全网络、病毒传播查杀和防钓鱼攻击等。Android智能设备通过采用安全无线路由器、加密VPN服务[11]等方式，构建安全网络接入环境，保障数据安全传输；Android病毒以短信、彩信、二维码、伪装应用安装等方式传播扩散，通过特征识别，利用云计算、大数据技术智能化地检测病毒是阻断病毒传播扩散的有效方式[12,13]；钓鱼攻击是移动互联网面临的重大威胁，检测方式包括黑名单、异常检测和机器学习智能检测等。

系统安全层。针对Android智能终端操作系统，按照系统层次研究内核安全、本地库和运行时环境安全、应用程序框架安全。通过内核增强[14]、漏洞挖掘[15]、内存防泄漏、系统防ROOT方式保护内核安全；通过安全沙箱机制、ART机制、组件间安全通信保障本地库和运行时环境安全；通过权限机制和签名机制保障应用程序框架安全。

应用安全层。针对运行在Android智能终端上的应用安全，主要研究恶意应用静态检测、恶意应用动态检测、应用安全加固和应用安全评估。静态检测研究应用逆向工程、特征提取、机器学习智能检测、重打包检测等内容；动态检测主要研究动态行为获取；应用安全加固可采用代码混淆、应用加壳、防反编译[16]等方式。通过建立评估体系和评估标准，评估恶意应用给系统和数据带来的风险[4,17]。

数据安全层。保护Android终端设备存储上的数据安全，研究数据伪造及跟踪[18,19]、加密[20]、云备份、数字版权保护、安全支付等内容。隐私数据是Android终端设备上最具有核心价值的部分，保护设备、网络、系统、应用的安全，终极目的是保护数据的机密性、完整性和可用性，通过伪造及跟踪、加密、云备份、数字版权保护、安全支付等保护方式，直接保护隐私数据的安全性。

鉴于Android广泛的市场应用，学术界的专家学者对其安全机制进行了诸多研究，主要围绕权限增强管理、应用安全分析、隐私数据防泄露等方面，并取得显著成果。本文在广泛阅读文献的基础上，总结了Android平台在设备安全、网络安全、系统安全、应用安全和数据安全方面的研究成果，并根据当前研究工作的不足展望了几点未来的研究方向。

2 Android移动终端设备安全

2.1 远程防盗

实现Android智能终端远程控制的方式有基于HTTP协议的远程数据传输、基于RDP协议的远程桌面控制[21]、基于XMPP的即时消息推送[10]等。

基于XMPP协议的远程防盗是当前比较流行的终端设备保护方式，XMPP协议具有超强的可扩展特性，服务端和智能终端可约定通信指令[22]。应用时，首先将用户信息和设备信息注册到控制端，制定保护策略，如数据备份和删除、远程锁定、远程定位等。一旦终端设备丢失，通过控制端下发指令对终端设备定位、对屏幕远程锁定、更换SIM卡锁定设备、删除短信和通讯录等隐私数据等，减少因设备丢失造成的损失。目前，主流的智能终端厂商都提供对终端远程防盗的服务。

远程防盗已经成为终端安全的标配功能之一，其优点是即使终端不在身边，只要确定身份合法也能够方便地实施操作，尤其是在设备丢失的情况下，远程定位、远程删除和锁定对于找回手机、保护隐私有重大意义，但对于网络的要求很高，一旦设备离线，便不能发送控制指令，而通过短信发送指令是另一种有效的途径。

2.2 生物身份验证

人体的生物特征往往具有唯一性，如指纹、掌纹、声音、虹膜、人脸、步态、脉搏、运动特征等，科技界已经逐渐将这些特征作为身份识别和验证的重要手段[23]。Android SDK从1.0版本中就已经集成了简单的人脸识别功能，而OpenCV开发包集成了更专业、快速、高级的人脸识别算法。自2013年7月芬兰 Uniqul公司首次推出基于脸部识别系统的支付平台，目前互联网金融企业正在研究将人脸支付运用于Android支付系统。

目前有很多Android终端设备搭载了指纹识别技术，利用指纹识别传感器及指纹模式支持指纹锁，作为安全工具、硬件平台和操作系统三方支持的安全模式，不仅简便了解锁的过程，还把非法用户阻挡在外。但是这种防护手段已被黑客攻陷，他们发现了指纹识别框架下的漏洞，轻松地绕过指纹识别器，从而执行任何操作，而且还能够直接拷贝用户的指纹信息，在更大范围内威胁用户的个人信息安全和隐私内容。在此情况下催生出了更高级、更安全的身份验证方式——眼球识别技术。目前这种技术的安全性还没被突破，眼球样本信息不能被复制，但在识别范围和识别准确率方面还需要进一步改进。另外，Google正在测试利用用户的动作震动或者任意活动手机，将动作幅度或者频率作为锁屏和解锁的方式，从进展来看，这是项极具挑战性的工作。

从发展趋势上看，利用人体生物特征作为唯一的识别标识，是Android智能终端领域经久不衰的应用研究，在识别校准和准确率方面还需要提高，而其性能在大数据方面也在不断探索。

2.3 硬件安全模块

出于对移动终端中隐私数据提供集中的安全保护考虑，智能终端厂商设计并实施了硬件安全模块（HSM, hardware security modules），直接连接到系统总线上，基于硬件实现高性能密码和密钥管理功能，提供的服务包括安全存储、安全加密、身份验证等。嵌入式安全技术供应商Discretix公司研发的CryptoCell安全模块具备PKI引擎、对称引擎、散列引擎、随机数发生器、安全密钥和完整性验证等6个可配置的功能模块，加速执行各种验证和加密功能，对整个智能终端设备的发展将产生积极的影响。在国内，华为作为手机终端的领跑者，通过硬件安全模块与麒麟操作系统协作，彻底杜绝刷机解密等操作的可能性。

硬件安全模块在保证数据保护、安全支付等方面更专业，效果更明显，随着智能终端对安全愈加重视，必将成为重要的保护方式。

3 Android移动终端网络安全

3.1 无线安全网络

Android智能终端通过GPRS、无线Wi-Fi接入网络可满足用户随时随地上网的需求。无论使用哪种方式，开放的网络环境中，用户执行登录账号、支付等敏感操作时，易遭到黑客攻击导致隐私泄露，常用的攻击方式有嗅探、钓鱼攻击、中间人攻击、恶意DNS篡改、远程执行、XSS跨站脚本、电磁信号干扰等[24]。

Ma等[25]针对商业Wi-Fi网络提出混合式的恶意网络接入点检测方案，主要采用无线扫描和集中流量监控方式发现恶意AP，并且保护网络免受恶意AP的侵害，优点是不需要专门的硬件并且适用于任何网络标准。

无线路由器通常采用WPA/WPA2加密的方式保障密码的安全性，但是通过多次逆运算之后，这种加密能够被破解，需要探索另外的方式保证无线口令的安全性。现在的手机安全防护软件也集成了安全监测功能，防范DNS、ARP、虚假Wi-Fi、加密及钓鱼等攻击。

Wang等[26]针对Wi-Fi驱动的Fuzzing测试框架，通过构建数据分组实施针对Wi-Fi通信的攻击，这种框架不仅能发现已知攻击，在发现未知攻击方面也效果显著。

针对Wi-Fi窃听问题，可采用加密的VPN服务，将所有传输流量都进行加密，无论通信链路是否安全，都能保证数据的安全[11]。

3.2 病毒传播查杀

自2010年来，每年都爆发多次手机病毒危机，在移动互联网络上迅速传播，波及范围广泛，十分具有破坏性。每个季度网络安全公司都会发布Android手机安全报告，通报当前手机病毒及手机感染病毒的情况等。将Android病毒按照危害特征划分为多个家族：AnserverBot、BaseBridge、DroidKungFu、DroidDream、FakePlayer、Geinimi、GoldDream、GingerMaster、Zsone、SndApps等[3,27]。Android病毒按照危害行为划分为木马类、后门类、蠕虫类、僵尸网络类、间谍窃取类、欺骗类等[3]。手机病毒利用通讯录群发短信、彩信、电子邮件和扫描验证码、二维码方式扩散传播，造成隐私数据泄露、资费消耗、破坏系统等后果。

病毒具有逐利性，发展技术和种类总是层出不穷，但是反病毒技术的发展只能仅仅追逐于病毒更新的速度，往往反病毒技术只能应对已知的病毒，对于未知的病毒，专家正着眼于利用云计算、大数据资源基于机器学习、深度学习算法等方式，自动化、智能化地根据行为特征对其进行查杀，并按照其执行的操作将其划分到不同的种类[27,28]。

3.3 防钓鱼攻击

手机终端绑定银行、支付和社交等账户，容易遭受不法分子的觊觎，他们往往通过网页钓鱼、短信钓鱼、应用钓鱼、邮件钓鱼等诱惑用户[29]，2015全年360手机安全防护软件共拦截各类钓鱼网站攻击48亿次[1]。

钓鱼网站攻击检测和防范成为当务之急，常用的方法有黑名单、异常检测和机器学习智能检测等。Bottazzi等[30]提出钓鱼检测框架MP-Shield，分析URL链接，集成了基于公共黑名单的浏览器检测插件，同时实现了机器学习检测引擎，包含J48、SMO、BayesNet、IBK和SGD算法，确保手机终端免受0Day钓鱼攻击。

Wu等[31]提出轻量级检测工具MobiFish，检测手机Web网页、应用和登录账户上遭遇的钓鱼攻击。MobiFish应用OCR技术提取截屏中的文本信息，通过文本中声称的身份信息与网页URL和APP中实际的身份信息比较，给出钓鱼警示，而不像其他方法那样，分析HTML源码、IP地址、搜索引擎[32]，或者采用机器学习算法[33]证明该方法能有效检测和防范钓鱼攻击。

受到利益的驱使，钓鱼网站层出不穷，广大终端用户应当使用主流的安全防护软件，它们基本涵盖了已知的钓鱼网站黑名单，能够很好地拦截非法钓鱼链接。同时，用户应提高警惕，不受诱惑，不点击未知链接，并且不泄露身份信息和财产账户信息等。

4 Android系统安全

4.1 Android系统内核安全

4.1.1 内核增强

Android系统内核的安全威胁一方面继承自Linux系统漏洞，另一方面源于Android平台本身不完善。在Android系统内核访问控制增强研究方面，Shabtai等[34]提出将强制访问控制子系统SELinux植入到Android平台中，以限制应用对系统资源的访问，增强Android系统安全，是首次提出的高效低耗的系统增强方案。Smalley等[35]实现了基于SELinux内核开发一套MAC中间件扩展Android权限模型，隔离应用间的数据交互。

实际应用上，从Android 4.3以来，正式引入基于MAC的SELinux安全机制，称为SEAndroid，用来强化操作系统对应用的访问控制，起到类似沙箱的执行隔离效果，阻止恶意应用对系统或其他应用的攻击，还有效地减弱内核层出现漏洞时产生的威胁。

4.1.2 漏洞挖掘

任何系统在逻辑设计和实现上都存在缺陷或者错误，Android系统亦不例外，2015年，Google成立了Android Security Rewards项目，用于奖励Android系统漏洞发现者。历年共公布600多条系统漏洞，覆盖到内核层、Native层、框架层及应用层，包括内存溢出、权限提升、组件交互、硬件资源调配等各个方面[36]。

传统的漏洞挖掘方式分为主动方式和被动方式，主动挖掘方式分为人工挖掘、静态挖掘和动态挖掘，被动挖掘方式分为攻击分析和补丁分析[37]。Android平台的漏洞主要分为常规漏洞和权限提升漏洞，通过分析逻辑规则的合理性，编写Fuzz测试用例，构建漏洞知识库是一种有效的漏洞发掘方式。

Zhang等[37]提出Android平台漏洞挖掘4层模型，针对攻击样本、攻击方法、修复补丁，分析漏洞存在的可能性，利用Fuzz测试方法和攻击挖掘方法，有效地挖掘出系统漏洞、应用漏洞、权限提升漏洞等。

比较严重的Android系统漏洞执行方便、涉及范围广、无需主动触发、隐蔽性强，一旦被黑客利用，造成的损失不可估量。对于Android系统本身来说，漏洞挖掘是个持续的过程，漏洞挖掘得越彻底，系统将修补得越完善。

4.1.3 内存防泄漏

Android系统每个版本中都存在内存泄漏问题，即应用进程中一些对象没有使用价值了，但还占据着内存空间，拒绝被GC回收，导致实际可使用内存变小，系统运行越来越慢，用户体验越来越差。内存泄漏产生的原因有类的静态变量持有大数据对象、资源对象使用后未关闭、注册对象未反注册、集合中不用的对象没清理、Handler临时性等[38]。使用DDMS、MAT工具可查看内存使用情况。

Shahriar等[39]在研究资源对象导致内存泄漏的情况时，编写Fuzz测试用例，研究应用bitmap and imageview、event listener、animation activity、static object、AdView object等对象时是否产生内存泄漏。而针对context、内部类、数据库操作等其他行为是防内存泄漏需要进行的进一步深入研究。

4.1.4 系统防ROOT

Android系统刷机是将刷机包中的系统文件写入ROM存储区，替换原生系统文件，再次启动时，从ROM中载入最新替换过的系统文件。本质就是系统文件的覆盖和替换操作，会破坏原有系统的权限机制，而来源各异的刷机包中可能集成了大量的恶意软件或病毒，留下隐患，因而刷机要谨慎[40]。

另一种破坏终端安全机制的方式是对终端ROOT，利用操作系统漏洞获取最高的ROOT管理权限，任意访问和修改所有的文件。这种方式的优点是用户可以完全控制终端，缺点是黑客也能够利用病毒轻而易举获得ROOT权限，导致终端完全暴露出来，可能产生严重后果。Android 5.0版本采用增强SELinux后，常用的ROOT方案已行不通，必须通过刷内核的方式，这需要解锁bootloader，而一旦锁定bootloader，能够实现防ROOT破解。

4.2 本地库和运行时环境安全

4.2.1 安全沙箱机制

Android 4.4以前的运行时环境为应用程序的正常运行提供了核心链接库和Dalvik虚拟环境，采用沙箱机制隔离各应用程序之间的运行环境。每个应用作为一个Dalvik虚拟机实例独立地运行在一个进程内，Android系统为每个应用分配一个UID，保证应用的文件、数据相互独立存储。通过设置sharedUserID，使多个应用程序具备相同的UID，从而共享数据和权限。

这方面的安全问题主要集中在应用之间利用IPC突破沙箱隔离，导致权限提升、信息泄露、恶意攻击等。权限提升是一种很严重的威胁，使未申请权限的应用执行授权操作[41,42]，破坏了程序安全运行环境，因而对Android应用沙箱的安全防护一定程度上体现在对权限提升漏洞的检测和修复，对权限提升攻击的检测和防护将在4.3.1节进行详细介绍。

4.2.2 ART机制

Android 5.0运行时环境采用ART机制，只在应用安装时进行一次预编译，将程序语言转化为机器语言代码存储在本地，而Dalvik虚拟机机制在应用每次编译时都要编译，每次程序运行时都将程序语言转换为机器语言。因此ART机制使应用的启动和执行更加迅速，效率也更高，但是在应用安装时耗费更多时间预编译，运行时占有更多内存。如何优化ART机制产生的内存问题需要不断深入研究。

Demertzis等[43]提出SAME，在ART虚拟机中分析应用程序的类，采用基于BBO的多层感知器，并行运行粒子群优化（PSO）、蚁群优化（ACO）和遗传算法（GA）等算法，以区分应用是否是恶意。

4.2.3 组件间安全通信

Android应用由Activity、Service、Broadcast Receiver和Content Provider 4类组件组成，组件之间通过Intent进行交互，隐式Intent容易引发恶意调用、恶意发送广播、activity劫持、恶意service启动等[44]问题。这方面的研究方案主要集中在基于上下文感知环境构建组件调用图检测数据泄露的路径。

Enck等[45]指出组件间通信缺少对信息流的监控，存在信息泄露的风险。傅建明等[46]针对国内流行的应用程序研究采用静态分析方法构建其CFG（控制流程图）、FCG （函数调用图）和CCG（组件调用图）主要检测隐式Intent可能引发组件劫持、信息泄露和组件的权限泄露问题。

确保组件间安全通信可采取的措施有最小化组件暴露、设置组件访问权限、检查暴露组件的代码等。

4.3 应用程序框架安全

4.3.1 权限机制

1) 保护ROOT权限

ROOT是Android平台中唯一的超级用户，管控所有系统资源，据iiMedia Research统计，近30%的用户对自己的手机终端ROOT，利用获取的ROOT权限卸载预装的应用程序，再安装第三方软件管理权限、系统文件等，这无疑为病毒非法入侵打开了方便之门。

Android 4.4之前，用户无法自主管理应用程序的使用权限，除非使用第三方软件，而Android 4.4之后，Android原生系统集成了SuperUser权限管理程序，这对Android权限管理具有里程碑式的意义。

ROOT权限对于系统资源的安全保护具有很重要的作用，轻易不要对终端设备ROOT，而在未破解ROOT的情况下，如何更深层次地调配系统资源并保护系统安全稳定地运行是需要考虑的。

2) 应用程序权限增强管理

Android 4.3以前的原生系统对权限的管理是粗粒度的，即应用在安装时，权限之间的关联关系没有明确告知用户，用户设置全接受或全否定应用申请的权限；在应用运行过程中对权限的使用零监控。Google开发文档提供了详细的开发资料，却对权限的使用说明涉及较少[47]，这导致开发者对权限申请过度。权限的使用贯穿应用程序的全生命周期，在应用的开发、安装和应用过程中都占据重要地位，Android权限机制实现如图2所示。

①权限提升监测和防护

应用运行时，一些应用在自身没有申请权限的情况下，通过其他应用获取权限进而获得访问资源的资格，这种行为称为权限提升。Schlegel等[48]提出一种手机木马Soundcomber，本身不具有操作音频的权限，却通过其他应用的权限获取音频数据，这是利用Android系统隐蔽通道的典型例子。Davi等[41]展示了在没有短信权限的情况下如何发送短信。Grace等[49]提出权限提升检测工具Woodpecker，检测出有些软件不遵守权限机制，将保护隐私数据的权限暴露给其他应用。

在权限提升防护方面，研究成果包括Saint[50]、XMAndroid[51]、Quire[52]、IPC Inspection[47]、CHEX[53]、DroidAlarm[54]等。权限管理增强框架Saint[51]，对应用APK文件增加权限和策略信息，安装时规定具体权限被授予给其他应用的情况，运行时检查组件间的通信，一旦应用之间权限验证失败，就无法交互。安全监控框架XMAndroid[52]，利用Android系统的隐蔽通信通道，构建无向图，动态监视应用之间的权限使用情况，通过设置安全策略，阻断应用之间利用间接获得的权限执行未经授权的操作。各方案比较如表1所示。

表1 权限提升监测和防护方案比较

抗混淆副攻击系统Quire[53]，跟踪IPC和RPC的调用链，每个应用向被调用者传播其调用链的上下文以验证权限是否符合，并验证接收到的数据是否可信，如果不符合则拒绝。防跨应用越权操作的IPC Inspection机制[47]，通过分析IPC传递事件信息和权限信息，将被调用应用的有效权限减少为调用与被调用应用权限的交集，防止应用发起混淆代理人攻击导致恶意入侵。同Quire一样，IPC Inspection也无法检测所有的通过隐蔽通道传输的信息流。

组件漏洞检测方式CHEX[54]，静态分析应用的数据流检测应用是否存在权限泄露、未授权数据访问、Intent欺骗等问题，检测应用是否存在组件劫持漏洞，对Android系统开销低。

权限提升发现工具DroidAlarm[55]，静态提取恶意应用的所有公开接口及声明敏感权限信息，采用数据流跟踪算法发现权限提升问题。

权限提升攻击检测的方式有多种，主要都是通过监控应用间的权限使用情况，发现越权非法访问资源的威胁。就静态检测方式而言，如果应用受加壳、混淆保护等，将无法有效检测；而动态检测能够实时检测应用进程间的通信，是比较有效的检测方式。

②权限模型扩展和增强

对原生Android权限框架进行扩展，应用安装时，设置策略检测权限并修改权限申请，应用运行时，跟踪并操作权限使用情况，从各方面增强权限机制，从根本上改善权限管理。

Enck等[55]提出轻量级应用检验工具Kirin安全规则，设置静态权限组合策略，应用安装时，对申请的权限进行检测，若违反策略则认定应用为恶意应用并拒绝安装，以防止隐私泄露。这在业界是首次提出的权限增强方案。

Nauman等[56]提出权限策略扩展框架Apex，在应用安装时，检测应用权限，允许用户有选择地授予权限，并且还能够自定义限制资源的使用情况。

Felt等[57]提出权限静态检测工具Stowaway，根据API与权限的映射关系，得到应用申请的最小权限集，并用其检查应用过度申请权限的情况。之后，有很多学者基于此方案进行了扩展和深入的研究。Geneiatakis等[58]结合运行时的信息和静态分析的数据判断应用是否过度申请权限，是否遵从了最小权限集原则，这种方式不用修改应用的源码也不用修改Android系统的底层代码，最大程度上减少对系统运行的影响。

Holavanalli等[59]提出权限扩展机制Flow Permissions，根据数据与敏感API的对应关系，利用工具Blue Seal静态分析应用，显示应用的权限关联信息及与其他应用间暗含的权限关联信息，提醒用户可能存在的威胁。

Barrera等[60]用自组织映射方法分析应用程序，研究权限的设置粒度是否合理及权限间的关系，并提出权限增强安全模型以识别频繁使用的权限。

以上这些权限管理方案都能从某个角度发现问题并起到保护作用，但又都各有局限性，如果将XMAndroid、Kirin、Saint、Quire等方案结合，将更全面地保护Android系统的安全。

随着Android原生系统的不断改进及安全防护软件的升级，权限管理的粒度越来越细化，支持用户自主管理应用的权限，根据需要主动打开或禁用具体应用的指定权限，如用户可禁用聊天软件开启摄像头的权限或者禁用网银软件读取通讯录的权限等。

4.3.2 签名机制

应用的签名信息表明APK安装程序的来源。在Android平台上，所有的程序都必须有签名，否则不允许安装。签名是保护应用的第一道防线，比较签名信息可判断应用是否重打包。

2013年先后爆出3个MasterKey签名漏洞，恶意应用能够绕过数字签名校验过程，在不被用户察觉的情况下进入Android系统，达到恶意目的。漏洞爆出之后，百度安全实验室很快提出DroidSploit解决方案，保护Android免受此漏洞的威胁。

实际上，Android应用的签名机制还不够完善，签名的时间戳和文件路径能够被随意修改，这致使攻击者能够绕过验签过程，存在恶意应用能够轻易安装的隐患。

5 Android应用安全

Android平台上的应用安全研究主要集中在通过静态分析和动态分析的方式[61]提取应用的特征，判断是否是恶意应用，确保应用的安全运行。Android恶意应用的研究方法和理论主要借鉴PC上的经验，困难之处在于Android平台硬件资源相对匮乏，对性能消耗过大。现在正逐渐针对Android平台的特性，借助云计算等计算优势检测安全。

5.1 恶意应用静态检测

静态检测就是使用反编译等逆向工程手段，分析代码文件，提取应用程序的特征，如签名、权限、敏感API调用等，再通过样本比对或机器学习的方式，判定是否恶意。静态检测方式简单且效率高，但是无法分析混淆、加密等恶意代码。

5.1.1 逆向工程

静态分析的第一步就是逆向工程。一种方式是采用dex2jar工具将DEX反编译成Java源码，采用AXMLPrinter2工具处理AndroidManifest.xml文件，采用jd-gui工具查看Java源码，提取表征应用的特征信息。另一种方式是使用APKtool和Smali，将APK文件逆向成Smali文件[62]。其他反编译工具还包括Dexdump、Dedexer、androguard、IDA PRO等。

Enck等[63]提出Dalvik反编译器Ded，将DEX文件反编译成Java文件，再对应用进行控制流、数据流、数据结构和语义分析，发现其漏洞和威胁。

5.1.2 应用特征提取和分析

逆向工程之后得到可读的Java或者Smali代码文件，再基于语义从文件中提取能代表应用的特征，如Intent、签名、API函数、类、常量、权限、组件等，通过分析这些特征，判断是否是恶意应用[64]。

Shabtai等[65]直接从APK文件中提取应用的APK、XML和DEX文件信息，再使用机器学习算法自动化区分应用的类别。

AndroidManifest.xml中是APK文件中最重要的一个文件，描述了应用实现的类、权限、组件、签名、各种被处理的数据和启动信息等。解析该文件中的信息标签，可以在一定程度上判定是否是恶意应用。这方面的研究成果来自Sarma[66]、Sato[67]、Wu[68]、Weichselbaum[69]等。

以权限为判断特征，分析申请的权限组合，或者设置Kirin安全规则[55]，或者将权限与API调用合并起来作为特征构建高维特征向量[13]，或者基于权限的行为路径[70]，都可以对应用进行安全检测。

函数调用能够反映应用的行为，Strace是Android平台上的系统调用跟踪器，显示其他进程的系统调用信息，包括参数及返回值；Androguard是Google 提供的静态分析工具，将APK文件中的DEX文件、类、方法等都映射为python对象，用于恶意软件检测和恶意评估，分析过程可视化；使用PScout工具[71]，分析API函数调用与权限检查的情况，构建函数调用图，形成各个API函数的权限映射关系；Aurasium[72]在应用程序中嵌入跟踪代码，截获程序的系统调用实现对短信、终端信息、网络等资源使用的监测；基于语义学的DroidSIFT原型系统[73]，提取应用的API，构建基于加权上下文的API调用依赖图，并引入应用的相似性来判定变种恶意应用或0Day应用。

利用Intent传递消息可以被嗅探、篡改或窃取，恶意程序借助Intent伪造、注入恶意消息使得用户数据被污染。Chin提出[44]Comdroid，根据Intent分析应用，警告存在的漏洞。Arzt等[74]提出污点分析系统FlowDroid，实现对应用信息流的管理。

签名能够判断应用，Hu等[75]提出使用命令从DEX文件中提取签名信息作为训练集，再采用字符串相近算法提取签名信息以检测恶意应用，有较高的检测效率和准确度。

使用单一特征分析应用存在漏检和误检的情况，可考虑采用多类特征综合分析的方式。通过动态和静态分析应用，提取权限、组件、敏感API、行为调用序列等特征，对各类特征分别选取最优的基础分类算法，得到恶意应用综合判定结果。

5.1.3 机器学习智能检测

机器学习具有大规模数据处理能力，能在相似的数据结构中做出对目标的判断。在对大量Android应用进行恶意判定时，引入机器学习算法对应用进行智能分析是非常合适的，常用机器学习算法包括朴素贝叶斯（NB, naive Bayes）、决策树（DT, decision tree）、-最近邻（KNN,-nearest neighbor）、支持向量机（SVM, support vector machine）、-means等。早在20年前，就有专家学者基于机器学习的各种算法对恶意代码和恶意应用进行检测，而在Android应用检测方面，也已经有很多尝试。Android机器学习恶意应用检测结构如图3所示。

Schmidt等[76]采用CART、prim和KNN算法通过静态分析对DEX文件中的调用函数进行机器学习；Wu等[68]提出DroidMat，以权限、Intent、API为特征，使用-means和EM聚类算法对恶意应用行为建模再采用KNN和NB分类算法判定恶意应用，有较高的执行效率和可扩展性；以API调用和权限为特征，Peiravian等[13]使用SVM、CART和Bagging 3种机器学习方法，Gates等[77]采用基于正则逻辑回归的概率判别模型，检测应用分类；而Yerima[27]等运用NB方法对Android恶意软件进行分类。

在对上述机器学习算法综述的基础上，进一步总结出各主要算法的特点和优缺点，如表2所示。

利用机器学习归纳出已知应用的类别，有效预测未知的恶意代码。目前，基于机器学习的检测技术可以去人工化，提高应用分析的效率，有很广的应用前景，但是这种方式严重依赖于提取的应用特征和应用样本的质量，工业应用时，往往根据不同的应用场景，调用不同的机器学习算法，而且其复杂度和准确率都待改善，这将成为未来恶意检测研究的重点。

表2 机器学习算法的特点和优缺点

5.1.4 重打包检测

对应用逆向工程之后，若继续将应用安装到智能终端上，就需要对其重打包，重打包的应用很可能携带恶意代码，对此，检测应用是否重打包意义非凡。先后有专家学者提出检测工具DroidMOSS[78]、DNADroid[79]、Juxtapp[80]和SCSdroid[81]，分别采用模糊散列算法、构造应用程序类中的方法构造程序依赖图、特征散列算法，计算软件市场上的应用软件与官方市场中的软件的相似性，当相似性大于一个阈值时，则判定为重打包软件，用户安装需谨慎。

Zhou等[78]提出DroidMoss，比较官方应用与第三方应用市场上应用的开发者信息和代码指令的散列值，判断应用是否被二次打包。缺点是难以获得所有的官方原始应用，因而检测覆盖面较小。Lin等[81]提出SCSdroid，提取线程的公共系统调用序列，根据公共调用序列可以检测应用，而不用获取原始应用，实验证明这种方式的正确率高达95%。

5.2 恶意应用动态检测

对恶意应用动态检测，提取应用运行中的关键数据为特征，通过异常检测或机器学习的方式，实现智能化的检测分析。动态检测绕过了静态方法遇到的代码混淆和加密等问题，对于新出现的未知恶意软件也能保持较好的检测准确率。但是实时性不高，提取特征耗费时间较长，消耗较多系统资源，而且很难覆盖到应用的全部执行路线，比较难发现特定条件下发生的恶意行为。

随着云计算技术的不断发展，通过云计算对恶意样本进行维护，有效解决样本库内容不断增加的难题，突破了样本库维护的局限，还把应用智能分类的核心计算部分移到了云端，降低了终端上的开销。

基于云计算的Android应用动态检测，首先在手机终端捕获应用行为，提取特征，传输到云端，再在云端对应用行为进行异常检测，再将检测结果返回到Android终端，由终端对异常行为做成阻塞或者中断处理[82,83]，Android动态行为检测架构如图4所示。

应用动态分析可监控软件安装和卸载、联网、收发短信息、后台拨打和接听电话、操作数据库、权限检查、文件接收和发送、摄像头操作等行为。可采用3种方式获取行为信息：第1种是静态注入技术，对应用程序反编译嵌入监控API调用的源码，再编译和重打包，将修改后的应用安装到Android平台，应用运行时，监控代码便能实现对行为的跟踪；第2种是API Hook技术，在Android平台上对敏感API进行Hook，一旦系统或应用对特定的API调用时，可截获调用函数，将其重定向到代理函数，在代理函数中获取该API调用的详细信息，即可获取行为信息；第3种是进程捕获，提取关键行为的特征。如何实现应用行为监控，如何提取行为特征，研究者们开展了广泛而深入的研究。

Xu等[72]提出Aurasium，在应用程序中嵌入跟踪程序，截获应用程序的系统调用，检测短信、设备信息、网络等资源的使用情况。

Bläsing等[84]提出应用沙箱AASandbox，在隔离的环境中对应用进行静态和动态分析，检测恶意应用；Shabtai等[14]提出基于行为的恶意软件检测系统Andromaly，收集Android平台运行各种特征，通过-means、DT、NB、LR等机器学习算法对收集到的数据分类，并比较了各种算法的准确性。

Burguera等[83]提出Crowdroid，在Android端使用strace追踪器采集行为数据，传到分析服务端，利用分类器训练这些行为样本，使用KNN算法判断应用是否含有恶意行。

另外，还有其他几种应用动态分析工具，如Droidbox、SandDroid等。它们都能够捕获网络数据，包括监控网络、文件、短信泄露的信息等，是具有一定成熟度的动态分析工具。

5.3 应用安全加固

随着Android应用逆向工程的快速发展，对应用破解变得轻而易举，对应用开发者来说，辛苦开发出的成果可能被恶意者植入病毒、篡改、劫持等非法利用，把良性应用变成恶意应用被用户抛弃，对用户来说，安装被反编译过的应用存在很大风险。鉴于此，应用的安全加固必不可少。

应用安全加固主要采用的技术是防反编译，禁止调用gdb、gcore从内存中截取DEX文件以防内存窃取，禁止向进程中动态注入代码以防动态跟踪，校验APK完整性以防恶意篡改等，且加固后的程序不影响其运行效率和用户体验。

比较流行的应用防反编译的方式有代码混淆、加壳等，但最有效的是NDK开发应用，编写Native代码，即使应用被反编译，也无法得到C/C++代码，导致无法阅读和修改全部应用代码。另外，还可以通过代码加密技术对NDK应用加壳，使程序破解难上加难，但这也对开发人员的技能要求很高。

总之，对Android应用程序的保护方式有很多种，而真正保证安全，还是要寻求更可靠的加密方式，希望在这方面引起学者足够的重视及更多的投入。

5.4 应用安全评估

恶意应用产生的威胁程度需要通过建立评估体系和评估标准，从多个角度进行评价，最后综合得到一个结果，反映出应用的脆弱性和风险。

Grace等[61]将恶意应用的风险等级分为3级：高级、中级和低级。根据利用系统漏洞跳过合法权限破坏系统判定为高级风险，根据造成用户隐私泄露和经济损失判定为中级风险，根据收集设备信息和用户信息判定为低级风险。通过这3种风险判别，发现了大量0Day漏洞。MWR InfoSecurity提出应用安全评估框架Drozer，通过分析应用程序与Dalvik、其他应用及底层操作系统的交互数据，发现漏洞。

Wang等[17]提出基于权限的安全风险评估框架DroidRisk，将应用的风险量化，并且能够提示潜在的恶意行为，但是一旦应用申请的权限过度，需要考虑其他因素使用其他方式来评估风险。

对Android应用风险评估，帮助用户了解恶意软件可能存在的攻击路径，指导使用者更好地保护他们的隐私数据，以规避可能受到的攻击。

6 Android隐私数据安全保护

6.1 隐私数据伪造和跟踪

隐私数据伪造是保护数据的一种方式，当应用被恶意访问时，为了保护自己的隐私数据不被泄露，提供虚假的数据。在这方面的研究成果主要有TISSA[85]、MockDroid[18]和AppFence[86]等。他们都能够对外提供伪造的数据，包括位置信息、设备ID、联系人信息等。

对敏感数据做污点标记是隐私数据保护的另一种方式，跟踪数据的流向，记录到日志，为数据溯源提供依据。在这方面第一个研究成果是Enck等[19]提出的污点标记系统TaintDroid，此后，有多名学者在此基础上进一步研究，提出了各种污点数据跟踪系统，如AndroidLeaks[87]、Kynoid[88]等，都能够跟踪数据去向，分析应用程序当中是否存在隐私泄露行为。

6.2 数据加密

加密是对数据保护最直接的一种保护方式，Android平台上的数据加密主要体现在对短信、通讯录、通话记录等SQLite数据库中的数据加密，以及对图片、音频、视频等文件数据加密。通常采用透明加解密方式，即加解密过程都在后台进行，用户感知不到，且不改变用户对数据的使用习惯，这就对加解密在效率、安全性、开发难度、移植性上达到平衡有较高要求。

对SQLite数据库数据加密的方式一般有2种，一种是在数据入库、出库时进行加解密操作，但是不利于加密信息的检索；另一种是对整个数据库文件加解密，普遍采用这种方式，通常采用AES或DES等加密算法。

Wang等[89]实现基于FUSE的文件透明加密系统EncFS，用户创建目录作为文件系统，所有写入该系统的文件都会被加密。该系统支持AES和Blowfish加密算法，经过不断优化，加密文件系统对原系统的性能影响不大。

Android 5.0采用全盘加密来提升安全性能，所有写入硬盘的数据均需要先加密，所有读取的数据都需要先解密。不足之处在于，大多数硬件设备上的闪存并没有自带加密标准，在开启全盘加密后，使机器性能大幅下降。然而，可通过采用更快的闪存芯片和更快的文件系统如F2FS、优化SoC等方式进行改进。

6.3 数据云备份

云服务已经成为智能终端的另一标配，基于云计算将智能终端上的数据远程备份到云端，包括通讯录、短信、图片等个人隐私数据。日常时将终端设备上的数据同步到云端，当终端数据遭受损失时通过网络恢复数据到本地，或者实现多个设备间的数据统一。同时，云备份还具备定时增量备份、加密存储、数据管理和恢复等功能。

为了保证数据在网络传输过程中不被窃听、非法拦截，智能终端与云端备份服务器通信主要是基于SSL协议，提供双向认证、数据加密、数据完整性验证等服务。Android对SSL协议有很好的支持，用到的相关类在javax.net.ssl、java.security及javax.crypto包中。

6.4 数字版权保护

数字版权保护（DRM, digital right management）从技术上防止数字内容被非法复制、篡改，只有授权后才能合法使用，达到数字内容版权保护的目的。Android平台集成了OMA DRM 2.0的部分功能，提供了一个可扩展的数字版权管理框架，Marlin DRM也是广受认可的内容保护及内容管理的开放标准，不同的DRM解决方案可通过Plugin方式集成到Android系统中，允许应用程序管理和保护自己的数据。

随着研究的发展，PC上成熟的DRM技术，如基于时间/空间约束的DRM授权模型、添加水印的音视频DRM技术、构建智能终端共享域并设计域内DRM安全授权模式、基于角色的可信数字版权安全许可授权模型等，在Android平台上的扩展使用是DRM发展的又一重要方向。

6.5 安全支付

随着移动互联网的发展，移动支付在生活中扮演越来越重要的角色，而基于NFC技术的Android支付平台，更加即时、安全和快捷地实现近场付款及远程支付[90,91]。

由于支付与用户的经济利益切实相关，其安全不容忽视，对于移动支付安全来说，隐患主要来自3个方面：一是外部钓鱼网站和恶意入侵，二是不安全无线网络接入环境，三是终端安装了恶意的应用。采取的安全防护类型包括以下5种：病毒扫描，保证手机不被感染；运行环境监测，监视应用的正常运行；无线Wi-Fi网络扫描，阻止恶意攻击；短信验证和密码保护保障支付安全；分辨钓鱼网站，避免账户信息泄露。

7 趋势和展望

Android智能终端安全保护相关技术经过专家学者的不懈付出，已经取得了显著的成绩，而全能有效地解决实际应用的成果还亟待出现，因此，针对Android安全的研究还将会是一项持久艰巨的任务，主要可能围绕以下几个方面展开。

1) 构建通用的Android内核安全增强框架，及时发掘系统漏洞，增强对系统的监控能力；隔离系统内核层和应用程序框架层，减少病毒对系统内核的侵害；细粒度应用权限设置，增强用户对权限管理的参与性。

2) 构建轻量级的Android动态恶意应用检测模型，建立行为模式，针对应用当前运行状态，检测出潜在的威胁，并实现对应用进行安全风险评估，实时展示评估结果，及时给出安全预警，增强用户使用各种应用软件的安全性。

3) 构建高效的大规模恶意应用检测系统，针对层出不穷、数量庞大的恶意应用，提取应用特征，并进行特征优化选择，再基于机器学习算法，智能化地对恶意应用检测，不断改进检测算法，提高检测的准度、精度和效率，杜绝恶意应用的传播扩散。

4) 构建全面的Android移动终端隐私数据保护系统，针对短信、通讯录等数据库数据及图片、音视频等文件数据，加密保护隐私数据的内容，验证隐私数据访问的身份，限制隐私数据使用的方式，跟踪记录隐私数据的流向，通过多种手段，全面有效地保护隐私数据的安全。

5) 构建基于云计算和大数据的Android智能终端防护体系，整合云计算、大数据资源在数据处理和存储方面的优势，弥补Android计算资源的不足，通过大数据挖掘及时检测Android病毒，通过云服务实时维护Android终端信息和数据、查杀病毒、防盗防骗等，拓宽智能终端安全防护的体系。

8 结束语

Android的开放性和流行性吸引了众多攻击者和安全研究者的关注，攻击者利用系统漏洞、入侵应用软件、病毒植入等各种可能的手段试图获取隐私数据以谋求非法利益。安全防护者针对各种威胁，从终端设备本身的硬件安全、所处网络环境的安全到Android系统的内核增强、权限细粒度增强管理，到应用静态提取特征、应用签名、动态行为智能分析，再到隐私数据加密、备份、版权保护、支付安全等各个方面提出防范措施，让破坏分子无处遁形。本文主要对Android的设备安全、网络安全、系统安全、应用安全和数据安全进行了分析研究，并展望了未来的发展方向，希望对后续的研究有所帮助。

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Survey of security for Android smart terminal

XU Yan-ping1, MA Zhao-feng1, WANG Zhong-hua2, NIU Xin-xin1, YANG Yi-xian1

(1.Information Security Center, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China; 2. National Computer Network Emergency Response Technical Team/Coordination Center of China (CNCERT/CC), Beijing 100029, China)

Aiming at the security, the layered security system was constructed. Firstly, the devices safety protection based on remote anti-theft, biometric identity verification and hardware security module was expounded. Secondly, network security referring to the wireless security network, virus propagation killing and anti-phishing was illustrated. Thirdly, the OS safety was introduced from the perspective of system kernel, runtime environment and application framework. Fourthly, application security was showed containing the reverse engineering static analysis, behavior dynamic analysis, safety reinforcement and safety assessment. Fifthly, the privacy data protection was summarized including tracking, encryption and backup. Finally, the future development direction was prospected on the security framework and intelligent behavior analysis.

Android, device security, network security, system security, application security, data security

TP309

A

10.11959/j.issn.1000-436x.2016127

2015-10-19；

2016-02-19

国家自然科学基金资助项目（No.61272519）；“十二五”国家科技支撑计划基金资助项目（No.2012BAH23F00）；国家科技支撑计划基金资助项目（No.2012BAH45B00）

The National Natural Science Foundation of China (No.61272519 ), The Twelfth-five National Science and Technology Support Program (No.2012BAH23F00), The National Science and Technology Support Program (No.2012BAH45B00)

许艳萍（1986-），女，安徽亳州人，北京邮电大学博士生，主要研究方向为移动互联网安全、Android智能终端应用安全。

马兆丰（1974-），男，甘肃镇原人，博士，北京邮电大学讲师，主要研究方向为移动互联网安全技术、云计算安全技术、数字版权管理。

王中华（1986-），男，山东聊城人，国家计算机网络应急技术处理协调中心工程师，主要研究方向为移动互联网安全、网络安全攻防演练。

钮心忻（1963-），女，浙江湖州人，北京邮电大学教授、博士生导师，主要研究方向为数字水印、信息隐藏、隐写分析。

杨义先（1961-），男，四川盐厅人，北京邮电大学教授、博士生导师，主要研究方向为密码学、计算机网络与信息安全。