从NDK在非Root手机上的调试原理探讨Android的安全机制(转载)

       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。

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        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1 Linux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2 Linux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3 Linux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4 Linux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6 Android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Supplementary GID。

        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Supplementary GID）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：

/*
 * Utility routine to fork zygote and specialize the child process.
 */
static pid_t forkAndSpecializeCommon(const u4* args, bool isSystemServer)
{   
    pid_t pid;
    
    uid_t uid = (uid_t) args[0];
    gid_t gid = (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Supplementary GID，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Suppementary GID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“Not for use by third-party applications”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7 Android的Application Sandbox

       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：

static int ptrace_attach(struct task_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：

int __ptrace_may_access(struct task_struct *task, unsigned int mode)
{
    const struct cred *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：

root@android:/ # ls -l /system/bin/run-as                                      
-rwsr-s--- root     shell        9528 2013-12-05 05:32 run-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：

int __ptrace_may_access(struct task_struct *task, unsigned int mode)
{
    const struct cred *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：

static pid_t forkAndSpecializeCommon(const u4* args, bool isSystemServer)
{
    pid_t pid;
    ......

    u4 debugFlags = args[3];
    ......

    pid = fork();

    if (pid == 0) {
        ......

        /* configure additional debug options */
        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：

void enableDebugFeatures(u4 debugFlags)
{
    ......

    if ((debugFlags & DEBUG_ENABLE_DEBUGGER) != 0) {
        /* To let a non-privileged gdbserver attach to this
         * process, we must set its dumpable bit flag. However
         * we are not interested in generating a coredump in
         * case of a crash, so also set the coredump size to 0
         * to disable that
         */
        if (prctl(PR_SET_DUMPABLE, 1, 0, 0, 0) < 0) {
            ALOGE("could not set dumpable bit flag for pid %d: %s",
                 getpid(), strerror(errno));
        } else {
            struct rlimit rl;
            rl.rlim_cur = 0;
            rl.rlim_max = RLIM_INFINITY;
            if (setrlimit(RLIMIT_CORE, &rl) < 0) {
                ALOGE("could not disable core file generation 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adb shell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：

int main(int argc, char **argv)
{
    const char* pkgname;
    int myuid, uid, gid;
    PackageInfo info;
    ......

    /* check userid of caller - must be ‘shell‘ or ‘root‘ */
    myuid = getuid();
    if (myuid != AID_SHELL && myuid != AID_ROOT) {
        panic("only ‘shell‘ or ‘root‘ users can run this program\n");
    }

    /* retrieve package information from system */
    pkgname = argv[1];
    if (get_package_info(pkgname, &info) < 0) {
        panic("Package ‘%s‘ is unknown\n", pkgname);
        return 1;
    }

    /* reject system packages */
    if (info.uid < AID_APP) {
        panic("Package ‘%s‘ is not an application\n", pkgname);
        return 1;
    }

    /* reject any non-debuggable package */
    if (!info.isDebuggable) {
        panic("Package ‘%s‘ is not debuggable\n", pkgname);
        return 1;
    }
    /* Ensure that we change all real/effective/saved IDs at the
     * same time to avoid nasty surprises.
     */
    uid = gid = info.uid;
    if(setresgid(gid,gid,gid) || setresuid(uid,uid,uid)) {
        panic("Permission denied\n");
        return 1;
    }

    ......

    /* Default exec shell. */
    execlp("/system/bin/sh", "sh", NULL);

    panic("exec failed\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package name。run-as通过这个package name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。

         至些，我们就通过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？没理解的没关系，可以关注老罗的新浪微博，上面有很多的干货分享：http://weibo.com/shengyangluo。