Android应用是如何加固保障安全的？

随着人们对智能手机依赖的程度越来越高，因智能手机软件安全导致用户信息泄露、财产损失事件频发，人们开始越来越关注App安全这个领域。从开发的角度来讲则是App源代码安全问题，基于代码审计层次的；从软件保护角度来讲app安全则是对源代码的代码混淆,资源加密，逻辑加固；从用户的角度来讲就是App本身的安全性，是否会对个人隐私财产造成损失。

1、为什么要进行加固？

Android操作系统全部开源，可以对Android应用程序Apk进行解包，对DEX文件进行逆向工程，就可以获取到原始的源代码和应用程序逻辑。通过逆向工程可以窃取应用程序的核心代码、攻破程序逻辑限制、篡改应用程序或注入恶意代码、嗅探应用服务器API接口。

通过应用加固可以增加软件的逆向成本，保护软件的利益不受损坏，保护软件版权，防止应用被破解，保护应用程序的关键信息不被窃取。

2、Apk加固的原理

应用程序Apk的关键信息都保存在DEX文件中，加固重点是保护DEX文件不被逆向。常用思路就是打包时使用私有算法改变DEX文件结构，无法使用常规手段读取DEX文件内容；由于DEX文件结构发生了变化，宿主机也无法读取识别DEX文件，就需要应用程序提供自定义的加载程序，完成DEX文件的解密与加载。

Apk加固后主DEX文件已经是看不到原码，这样就达到了加固的效果，但是这样做会导致主App的Application已经是没有效了，可以通过自定义Application生命周期里的创建函数attachBaseContext和onCreate函数，在attachBaseContext中将解密出来的DEX交给系统处理，onCreate的时候要将主App的Application创建出来，并替换系统中的Application引用，这样就可以保证Activity顺利加载执行。

3、加固发展过程

Apk加固技术，前后经历了四代技术变更，保护级别在每一代都有所提升。

3.1 第一代加固：动态加载

原理：第一代加固技术用于保护应用的逻辑不被逆向与分析，主要基于Java虚拟机提供的动态加载技术。开发阶段中将程序切分成加载（Loader）与关键逻辑（Payload）两部分，并分别打包；运行时加载部分（Loader）会先运行，释放出关键逻辑（Payload），然后使用Java的动态加载技术进行加载，并转交控制权。

缺陷：第一代加固技术的缺陷是动态加载机制要求其关键逻辑（Payload）部分必须解压，并且释放到文件系统，这就给了攻击者机会去获取对应的文件。攻击者可以通过自定义虚拟机，拦截动态加载机制所使用的关键函数，在这个函数内部，复制文件系统中的关键逻辑（Payload）文件。

3.2 第二代加固：不落地加载

原理：第二代加固技术主要为了解决解密后的Payload需要写入文件系统被窃取的问题，由代码接管Application对象的创建，主要流程：①Loader被系统加载。②系统初始化Loader内的StubApplication。③StubApplication解密并且加载原始的DEX文件（Payload）。④StubApplication从原始的DEX文件（Payload）中找到原始的Application对象，创建并初始化。⑤借助Java反射机制，将系统内所有对StubApplication对象的引用使用替换成原始Application。⑥由Android系统进行其他组件的正常生命周期管理。

缺陷：第二代加固技术不会将解密后的DEX存储到文件系统，但是在应用启动时要处理大量的加解密加载操作，会造成应用长时间假死（黑屏），用户体验差。相对于第一代技术没有本质区别，虽然能防止第一代加固技术文件必须落地被复制的缺陷，但是逆向工作者也可以从内存中找到DEX文件，通过GDB等调试工具，相对于第一代加固提高了DEX获取的成本。

3.3 第三代加固：指令抽离

原理：由于前两代加固技术均是对文件级别进行加密，DEX文件在内存中的Payload是连续的，可以被攻击者轻易获取。第三代加固技术保护级别深入到了函数级别。发布阶段将原始DEX内的函数内容（Code Item）清除，单独写入到一个文件中，App启动后，在运行阶段将函数内容重新恢复到对应的函数体。

缺陷：指令抽离技术使用了大量的虚拟内部结构与未被文档公开的特性，再加上Android复杂的厂商定制，给DEX文件窃取带来了很大的难度。但是指令抽离技术的某些方案与虚拟机的JIT性能优化冲突，无法达到最佳的运行性能。攻击者可以通过自定义Android虚拟机，在解释器的代码上记录每一个函数的内容（CodeItem），通过遍历触发所有函数，从而获取到全部的函数内容，最终重新组装成一个完整的DEX文件。目前已经有自动化工具可以指令抽离技术中脱壳。

3.4 第四代加固：指令转换

原理：第四代加固技术提供了函数级别的级别的保护，但是攻击者借助Android虚拟机内的解释器执行代码，依然可以获取到DEX文件，第四代加固技术使用自定义的的解释器来替代标准解释器，由于自定义的解释器无法对Android系统内的其他函数进行直接调用，必须使用JAVA的JNI接口进行调用。

缺陷：指令转换技术必须通过虚拟机提供的JNI接口与虚拟机进行交互，攻击者可以直接将指令转换/VMP加固方案当作黑盒，通过自定义的JNI接口对象，对黑盒内部进行探测、记录和分析，进而得到完整DEX程序。

3.5 下一代加固：虚拟机源码保护

虚机源码保护加固是用虚机技术保护所有的代码，包括Java，Kotlin，C/C++，Objective-C，Swift等多种代码，具备极高的兼容性；使App得到更高安全级别的保护，运行更加稳定。虚机源码保护在App内部隔离出独立的执行环境，该核心代码的运行程序在此独立的执行环境里运行。即便App本身被破解，这部分核心代码仍然不可见。

虚机源码保护拥有独特的可变指令集，极大的提高了指令跟踪、逆向分析的难度。同时，虚机源码保护还提供了反调试能力和监控能力。虚机源码保护可以通过自身的探针感知到环境的变化，实时探测到外界对本环境的调试、注入等非正常执行流程变化，将调试动作引入程序陷阱，并发出警报，进而进行实时更新，提高安全强度。虚机源码保护加固作为当前领先的加固技术，在未来很长一段时间，能够为App提供足够强度的保护。

4、结束语

Apk加固是一把双刃剑，一方面可以保护App的核心代码算法，提高破解/盗版/二次打包的难度，缓解通过代码注入/动态调试/内存注入等形式攻击；另一方面加固是改变标准执行流程，增加了许多防护机制，会影响兼容性，影响程序运行效率，增加App维护难度，部分应用市场会拒绝加壳后的应用上架。因此我们需要选择一个平衡点，不要追求一味的安全，也不要过于开放，要保护好自身的数据与知识产权。

参考文献
[1] 简书：DEX文件格式浅析，https://www.jianshu.com/p/55e107acd202，2022年10月24日.
[2] CSDN：Android APK加固原理，https://blog.csdn.net/kingwjh/article/details/128814421，2023年3月23日.

作者：蒋晓燕

单位：中国移动智慧家庭运营中心成都业务支持中心