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基于指令虚拟化的安卓本地代码加固方法

张晓寒 张源 池信坚 杨珉

张晓寒, 张源, 池信坚, 杨珉. 基于指令虚拟化的安卓本地代码加固方法[J]. 电子与信息学报, 2020, 42(9): 2108-2116. doi: 10.11999/JEIT191036
引用本文: 张晓寒, 张源, 池信坚, 杨珉. 基于指令虚拟化的安卓本地代码加固方法[J]. 电子与信息学报, 2020, 42(9): 2108-2116. doi: 10.11999/JEIT191036
Xiaohan ZHANG, Yuan ZHANG, Xinjian CHI, Min YANG. Protecting Android Native Code Based on Instruction Virtualization[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2020, 42(9): 2108-2116. doi: 10.11999/JEIT191036
Citation: Xiaohan ZHANG, Yuan ZHANG, Xinjian CHI, Min YANG. Protecting Android Native Code Based on Instruction Virtualization[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2020, 42(9): 2108-2116. doi: 10.11999/JEIT191036

基于指令虚拟化的安卓本地代码加固方法

doi: 10.11999/JEIT191036
基金项目: 国家自然科学基金(U1636204, U1836210, U1836213, U1736208, 61972099, 61602123, 61602121),上海市自然科学基金(19ZR1404800),国家“九七三”重点基础研究发展计划(2015CB358800)
详细信息
    作者简介:

    张晓寒:男,1991年生,博士生,研究方向为系统与软件安全

    张源:男,1987年生,副教授,研究方向为系统与软件安全

    池信坚:男,1994年生,硕士生,研究方向为系统与软件安全

    杨珉:男,1979年生,教授,研究方向为系统与软件安全

    通讯作者:

    杨珉 m_yang@fudan.edu.cn

  • 1)受该加固系统商用收费限制,本文只能在少量应用上进行测试
  • 中图分类号: TN915.08; TP309.2

Protecting Android Native Code Based on Instruction Virtualization

Funds: The National Natural Science Foundation of China (U1636204, U1836210, U1836213, U1736208, 61972099, 61602123, 61602121), The Natural Science Foundation of Shanghai (19ZR1404800), The National Basic Research Program of China (973 Program) (2015CB358800)
  • 摘要: 安卓系统越来越广泛地被应用于各种类型的智能设备,比如智能手机、智能手表、智能电视、智能汽车。与此同时,针对这些平台应用软件的逆向攻击也日益增多,这不仅极大地侵犯了软件开发者的合法权益,也给终端用户带来了潜在的安全风险。如何保护运行在各种类型设备上的安卓应用软件不被逆向攻击成为一个重要的研究问题。然而,现有的安卓软件保护方法比如命名混淆、动态加载、代码隐藏等虽然可在一定程度上增加安卓软件的逆向难度,但是原理相对简单容易被绕过。一种更为有效的方法是基于指令虚拟化的加固方法,但已有的指令虚拟化方法只针对特定架构(x86架构),无法兼容运行于多种架构的安卓设备。该文针对安卓应用软件中的本地代码提出了一种架构无关的指令虚拟化技术,设计并实现了基于虚拟机打包保护(VMPP)的加固系统。该系统包含一套基于寄存器架构的定长虚拟指令集、支持该虚拟指令集的解释器以及可以与现有开发环境集成的工具链。在大量C/C++代码以及真实安卓软件上的测试表明,VMPP在引入较低的运行时开销下,能够显著提升安卓本地代码的防逆向能力,并且可被用于保护不同架构上的安卓本地代码。
  • 图  1  VMPP原理

    图  2  示例源代码及其生成的LLVM IR文件

    图  3  转化后的指令示例

    图  4  外部函数调用表(上)与解释器的外部函数调用代码(下)

    图  5  加固后的源文件示例

    图  6  加固之前源代码生成的可执行文件反汇编结果

    图  7  加固之后源代码生成的可执行文件反汇编结果

    表  1  VMPP虚拟指令格式

    指令类型典型指令1*2345678指令示例示例含义
    Radd0x51DstSizeSrc1Src251 01 04 0000 00 02 03r1=r2+r3
    Iaddi0x30DstSrcSizeImmediate30 01 02 0400 00 00 01r1 = r2+1
    Bjmp0x22FlagPC22 00 00 0000 00 00 04jmp 4
    CMPcmp0xc0DstModeSrc1Src2c0 01 00 0203 00 00 00r1=r2>r3
    Wload0xe4DstSizeSrce4 01 04 0200 00 00 00r1=[r2]
    Ccall0x90Num90 01 00 0000 00 00 00call 01
    Mmalloc0xa0DstImmediatea0 01 00 0000 00 00 08r1=malloc(8)
    Ethrow0x11TypeExceptionPC11 01 00 0000 00 00 06throw 01
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    表  2  VMPP有效性测试结果

    序号APP包名本地代码主要功能代码行数运行时间(ms)二进制体积(kB)
    加固前加固后加固前加固后
    用例Acom.zizuzi.verificationdemo通过设备ID等生成加密密钥1236710285
    用例Bcom.masonliu.testndk计算SHA1值验证签名2305618297
    用例Ccom.chenneyu.security反射获取APP签名并校验2213411241
    用例Dcom.panxw.aes实现AES算法加密字符串230122920308
    用例Ecom.ss.jni反射Java函数修改界面UI174374210237
    用例Fcom.dean.vmp01字符串运算操作57<1<16103
    用例Gcom.dean.vmp02多维数组的运算96<1<1692
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    表  3  VMPP防逆向效果实验

    分析人员逆向所需时间(min):加固前 / 加固后加固后、加固前逆向时间比值
    用例A用例B用例C用例E用例F用例G合计
    A3 / 356 / 658 / 719 / 927 / 787 / 8240 / 42310.6
    B5 / 409 / 597 / 8010 / 1128 / 759 / 9648 / 4629.6
    C5 / 587 / 827 / 1348 / 1657 / 1179 / 12243 / 67815.8
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    表  4  VMPP兼容性测试

    序号设备名称系统版本手机架构是否兼容
    1Nexus 5Android 5.0arm32
    2Samsung S7Android 6.0arm64
    3Pixel 2XLAndroid 8.1arm64
    4Samsung S9+Android 9.0arm64
    5Genymotion EmulatorAndroid 8.0x86
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    表  5  VMPP加固和几维加固运行时开销对比

    序号APP包名加固前运行时间(ms)加固后运行时间(ms)加固前体积(kB)加固后体积(kB)
    VMPP几维加固VMPP几维加固
    用例Dcom.panxw.aes229420308583
    用例Ecom.ss.jni37423810237553
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-24
  • 修回日期:  2020-06-29
  • 网络出版日期:  2020-07-17
  • 刊出日期:  2020-09-27

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