10-实战开发APK安全加固

备注：APK一键加固源代码：https://github.com/guanchao/apk_auto_enforce

10.1 APK加固原理分析

10.1.1 APK文件结构

首先让我们先了解一下一个完整的Android应用程序都由哪些文件组成。解压一个apk包，我们可以看到一下的这些文件及文件夹：

每个文件及文件夹的作用如下表所示。

文件或目录	说明
assets文件夹	存放资源文件的目录
lib文件夹	存放ndk编译出来的so文件
META-INF文件夹	该目录下存放的是签名信息，用来保证apk包的完整性和系统的安全性
	CERT.RSA	保存着该应用程序的证书和授权信息
	CERT.SF	保存着SHA-1信息资源列表
	MANIFEST.MF	清单信息
res文件夹	存放资源文件的目录
AndroidManifest.xml	一个清单文件，它描述了应用的名字、版本、权限、注册的服务等信息。
classes.dex	java源码编译经过编译后生成的dalvik字节码文件，主要在Dalvik虚拟机上运行的主要代码部分
resources.arsc	编译后的二进制资源文件。

这里说明下META-INF文件夹下3个文件的关系：

(1) 首先对apk包中每个文件做一次算法（数据摘要+Base64编码），然后保存到MANIFEST.MF文件中

(2) 然后对MANIFEST.MF整个文件同样做一次算法（数据摘要+Base64编码），存放到CERT.SF文件的头属性中，再对MANIFEST.MF文件中各个属性块做一次算法（数据摘要+Base64编码），存放到CERT.SF文件中

(3) 最后对CERT.SF文件做签名，内容保存到CERT.RSA中

TODO：META-INF目录下三个文件中SHA-1值的计算

参考：http://blog.csdn.net/jiangwei0910410003/article/details/50443505

10.1.2 APK打包流程

我们看一下APK打包的完整流程：

上图中涉及到的工具及其作用如下：

名称	功能介绍
aapt	打包资源文件，包括res和assets文件夹下的资源、AndroidManifest.xml文件、Android基础类库
aidl	将.aidl接口文件转换成.java文件
javac	编译java文件，生成.class字节码文件
dx	将所有的第三方libraries和.class文件转换成Dalvik虚拟机支持的.dex文件
apkbuilder	打包生成apk文件，但未签名
jarsigner	对未签名的apk文件进行签名
zipalign	对签名后的apk文件进行对其处理

TODO：单独学习APK打包流程

10.1.3 Dex文件结构

Dex文件整体结构如下：

dex文件结构的详细分析可以回看第四章-Dex文件结构分析。这里我们在dex整体加密，暂时只用到Dex文件头，所以我们主要介绍下Dex文件头的结构。

这里面，有3个成员我们需要特别关注，这在后面加固里会用到，它们分别是checksum、signature和fileSize。

0x01 checksum字段

checksum是校验码字段，占4bytes，主要用来检查从该字段（不包含checksum字段，也就是从12bytes开始算起）开始到文件末尾，这段数据是否完整，也就是完整性校验。它使用alder32算法校验。

0x02 signature字段

signature是SHA-1签名字段，占20bytes，作用跟checksum一样，也是做完整性校验。之所以有两个完整性校验字段，是由于先使用checksum字段校验可以先快速检查出错的dex文件，然后才使用第二个计算量更大的校验码进行计算检查。

0x03 fileSize字段

占4bytes，保存classes.dex文件总长度。

这3个字段当我们修改dex文件的时候，这3个字段的值是需要更新的，否则在加载到Dalvik虚拟机的时候会报错。

10.1.4 Dex整体加固原理

替换classloader时机
Application:attachBaseContext()
ContentProvider:onCreate()
APplication:onCreate()

加载原始application
1.获取原始application的class name
2.加载原始application并生成对象
3.替换API层所有Application引用
4.设置baseContext并调用原始application的onCreate()

Dex文件整体加固原理如下：

在该过程中涉及到三个对象，分别如下：

l 源程序

源程序也就是我们的要加固的对象，这里面主要修改的是原apk文件中的classes.dex文件和AndroidManifest.xml文件。

l 壳程序

壳程序主要用于解密经过加密了的dex文件，并加载解密后的原dex文件，并正常启动原程序。

l 加密程序

加密程序主要是对原dex文件进行加密，加密算法可以是简单的异或操作、反转、rc4、des、rsa等加密算法。

该加固过程可以分为如下4个阶段：

（1）加密阶段

（2）合成新的dex文件

（3）修改原apk文件并重打包签名

（4）运行壳程序加载原dex文件

0x01 加密阶段

加密阶段主要是讲把原apk文件中提取出来的classes.dex文件通过加密程序进行加密。加密的时候如果使用des对称加密算法，则需要注意处理好密钥的问题。同样的，如果采用非对称加密，也同样存在公钥保存的问题。

0x02 合成新的dex文件

这一阶段主要是讲上一步生成的加密的dex文件和我们的壳dex文件合并，将加密的dex文件追加在壳dex文件后面，并在文件末尾追加加密dex文件的大小数值。这样我们就合成了新的classes.dex文件。由于我们修改了dex文件，这时候

当然，还可以这样处理。将加密的dex文件保存到其他目录下，如assets资源目录。那么这时候我们新的classes.dex文件就直接是壳程序，不需要合成。两种方案都可以。

前面讲了讲加密dex文件保存到文件末尾，以及保存到资源目录下2中方法。其实还有一种更复杂的方案，就是讲加密dex文件保存到dex header中。我们回顾10.1.3节 Dex文件结构。Dex Header中有一个字段：header_size，这个字段是记录dex文件头的长度，一般情况下dex头文件大小为112bytes。我们可以将header_size修改为header_size和加密dex文件长度两者的总长度，并将加密dex文件嵌入到dex header末尾来达到隐藏原dex文件的目的。但是这里有个问题，就是原来dex文件头部以下的一些类、方法、字段等位移可能发生改变需要修改，这个修复工程很复杂，或者我们可以尝试使用修改dx工具的源码来实现。

在壳程序里面，有个重要的类：ProxyApplication类，该类继承Application类，也是应用程序最先运行的类。所以，我们就是在这个类里面，在原程序运行之前，进行一些解密dex文件和加载原dex文件的操作。

0x03 修改原apk文件并重打包签名

在这一阶段，我们首先将apk解压，会看到如下图的6个文件和目录。其中，我们需要修改的只有2个文件，分别是classes.dex和AndroidManifest.xml文件，其他文件和文件加都不需要改动。

首先，我们把解压后apk目录下原来的classes.dex文件替换成我们在0x02上一步合成的新的classes.dex文件。然后，由于我们程序运行的时候，首先加载的其实是壳程序里的ProxyApplication类。所以，我们需要修改AndroidManifest.xml文件，指定application为ProxyApplication，这样才能正常找到识别ProxyApplication类并运行壳程序。这里，需要注意的是。

完成上述两个文件的替换后，我们就重新打包apk并签名。到此，我们就完成了dex文件的整体加固。

0x04运行壳程序加载原dex文件

通过上面3个步骤，我们了解了dex文件整体加固的流程。那么，当这个加固后的dex文件加载到Dalvik虚拟机中，它又是如何工作的呢？下面我们就来讲解下壳程序在这里面发挥的重要作用。

首先，Dalvik虚拟机会加载我们经过修改的新的classes.dex文件，并最先运行ProxyApplication类。在这个类里面，有2个关键的方法：attachBaseContext和onCreate方法。ProxyApplication显示运行attachBaseContext再运行onCreate方法。

在attachBaseContext方法里，主要做两个工作：

1) 读取classes.dex文件末尾记录加密dex文件大小的数值，则加密dex文件在新classes.dex文件中的位置为：len(新classes.dex文件) – len(加密dex文件大小)。然后将加密的dex文件读取出来，加密并保存到资源目录下

2) 然后使用自定义的DexClassLoader加载解密后的原dex文件

在onCreate方法中，主要做两个工作：

1) 通过反射修改ActivityThread类，并将Application指向原dex文件中的Application

2) 创建原Application对象，并调用原Application的onCreate方法启动原程序

具体的app启动过程可以回看第2章的内容。

10.2 APK加固实现

10.2.1 加固Demo源程序

源程序我们使用NDK开发一个简单的demo，并在assets目录存放一个txt文件读取。这样，我们就可以得到跟10.1.1一样的文件结构，也可以检测下加固后的文件是否影响lib文件的和资源目录下文件的操作。

工程结构如下：

MyApplication.java关键代码：

public class MyApplication extends Application{


    @Override

    public void onCreate() {

    // TODO Auto-generated method stub

    super.onCreate();

    }

     

    @Override

    protected void attachBaseContext(Context base) {

    // TODO Auto-generated method stub

    super.attachBaseContext(base);

    }

}

MainActivity.java关键代码：

public class MainActivity extends Activity

{

    /** Called when the activity is first created. */

 

    public native void test();

 

    @Override

    public void onCreate(Bundle savedInstanceState)

    {

        super.onCreate(savedInstanceState);

        setContentView(R.layout.main);

 

        System.loadLibrary("demo1");

        test();

 

        Log.v("demo", getFromAssets("test.txt"));

 

    }

 

     public String getFromAssets(String fileName){

         String Result="";

         try {

             InputStreamReader inputReader = new InputStreamReader( getResources().getAssets().open(fileName) ); 

             BufferedReader bufReader = new BufferedReader(inputReader);

             String line="";

             

             while((line = bufReader.readLine()) != null)

                 Result += line;

             

         } catch (Exception e) {

             e.printStackTrace();

         }

         return Result;

     }

}

demo1.cpp关键代码：

#include "com_demo_MainActivity.h"

#include 

#include 

 

#define LOG_TAG "AndroidNDK"

#define LOGI(...)  __android_log_print(ANDROID_LOG_INFO, LOG_TAG, __VA_ARGS__)

 

JNIEXPORT void JNICALL Java_com_demo_MainActivity_test (JNIEnv * env, jobject obj)

{

   LOGI("Hello World...\n");

}

10.2.2 加密程序

加密程序是个java工程。

Main.java源码：

public static void main(String[] args) throws Exception {

    if(args.length != 2){
        System.out.println("Error! Please input 2 parameters!");
        return ;
    }

    //参数1：脱壳classes.dex
    //参数2：TargetApk.zip
    File tuokeDexFile = new File(args[0]);
    File targetFile = new File(args[1]);

    byte[] tuokeDexFileArray = readFileBytes(tuokeDexFile);
    byte[] targetFileArray = encrypt(readFileBytes(targetFile));
    int tuokeDexFileLen = tuokeDexFileArray.length;
    int targetFileLen = targetFileArray.length;
    int totalLen = targetFileLen + tuokeDexFileLen + 4;
    byte[] newdex = new byte[totalLen];

    //添加脱壳classes.dex文件
    System.arraycopy(tuokeDexFileArray, 0, newdex, 0, tuokeDexFileLen);

    //添加目标TargetApk.zip文件
    System.arraycopy(targetFileArray, 0, newdex, tuokeDexFileLen, targetFileLen);

    //添加目标zip文件大小
    System.arraycopy(intToByte(targetFileLen), 0, newdex, tuokeDexFileLen + targetFileLen, 4);

    //修改Dex file size文件头
    fixFileSizeHeader(newdex);

    //修改Dex SHA1文件头
    fixSHA1Header(newdex);

    //修改Dex CheckSum文件头
    fixCheckSumHeader(newdex);

    File file = new File("classes.dex");
    if(!file.exists()){
        file.createNewFile();
    }

    FileOutputStream out = new FileOutputStream(file);
    out.write(newdex);
    out.flush();
    out.close();

    System.out.println("Enforce apk successfully!");

}

修改dex头的fileSize字段

private static void fixSHA1Header(byte[] dexBytes)  

        throws NoSuchAlgorithmException {  

    MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA-1");  

    md.update(dexBytes, 32, dexBytes.length - 32);//从32为到结束计算sha--1  

    byte[] newdt = md.digest();  

    System.arraycopy(newdt, 0, dexBytes, 12, 20);//修改sha-1值（12-31）  

    //输出sha-1值，可有可无  

    String hexstr = "";  

    for (int i = 0; i < newdt.length; i++) {  

        hexstr += Integer.toString((newdt[i] & 0xff) + 0x100, 16).substring(1);  

    }  

}

修改dex头的checkSum字段

修改dex头的signature字段

private static void fixCheckSumHeader(byte[] dexBytes) {  

    Adler32 adler = new Adler32();  
    long value = adler.getValue();  
    int va = (int) value;  
    byte[] newcs = intToByte(va);  

    //高位在前，低位在前掉个个  
    byte[] recs = new byte[4];  

    for (int i = 0; i < 4; i++) {  
        recs[i] = newcs[newcs.length - 1 - i];  
    }  

    System.arraycopy(recs, 0, dexBytes, 8, 4);//效验码赋值（8-11）  

}

加密：

private static byte[] encrypt(byte[] srcdata){  

    for(int i = 0;i < srcdata.length;i++){  

        srcdata[i] = (byte)(0xFF ^ srcdata[i]);  

    }  

    return srcdata;  

}

读取二进制文件内容

private static byte[] readFileBytes(File file) throws IOException {  

    byte[] arrayOfByte = new byte[1024];  

    ByteArrayOutputStream localByteArrayOutputStream = new ByteArrayOutputStream();  

    FileInputStream fis = new FileInputStream(file);  

    while (true) {  

        int i = fis.read(arrayOfByte);  

        if (i != -1) {  

            localByteArrayOutputStream.write(arrayOfByte, 0, i);  

        } else {  

            return localByteArrayOutputStream.toByteArray();  

        }  

    }  

}

int转byte数组

public static byte[] intToByte(int number) {  

    byte[] b = new byte[4];  

    for (int i = 3; i >= 0; i--) {  

        b[i] = (byte) (number % 256);  

        number >>= 8;  

    }  

    return b;  

}

10.2.3 壳程序

壳程序我们主要分析ProxyApplication类：

0x01 attachBaseContext方法

首先分析attachBaseContext方法：

protected void attachBaseContext(Context base) {

    super.attachBaseContext(base);
    Log.v("demo", "[JiaguApk]=>attachBaseContext() start...");

    try {

        File odex = this.getDir("assets", MODE_PRIVATE);
        String odexPath = odex.getAbsolutePath();
        String targetFilename = odexPath + "/TargetApk.zip";
        File targetApkZipFile = new File(targetFilename);

        if(!targetApkZipFile.exists()){
            //从classes.dex中提取TargetApk.zip
            targetApkZipFile.createNewFile();
            byte[] classesDexData = readClassesDexFromApk();

            extractTargetZipFileFromDex(classesDexData, targetFilename);
        }

        Object currentActivityThread = RefInvoke.invokeStaticMethod("android.app.ActivityThread", "currentActivityThread", new Class[] {}, new Object[] {});
        String packageName = getPackageName();
        Map mPackages = (Map) RefInvoke.getFieldOjbect("android.app.ActivityThread", currentActivityThread, "mPackages");
        WeakReference wr = (WeakReference) mPackages.get(packageName);

        DexClassLoader dLoader = new DexClassLoader(odexPath + "/TargetApk.zip", odexPath, "/data/data/" + packageName + "/lib", base.getClassLoader().getParent());

        //替換成TargetApk.dex的ClassLoader
        RefInvoke.setFieldOjbect("android.app.LoadedApk", "mClassLoader", wr.get(), dLoader);

    } catch (Exception e) {
        Log.v("demo", "[JiaguApk]=>attachBaseContext() " + Log.getStackTraceString(e));

    }

    Log.v("demo", "[JiaguApk]=>attachBaseContext() end...");

}

在该方法中，我们首先获取加密dex文件，并保存到assets资源目录下，然后进行解密。

由于运行加固后的apk文件时，应用程序使用的是加固后dex文件的类加载器，而不是原dex文件的类加载器。所以，我们需要事先将类加载器替换成员dex文件的类加载器。

这里，我们通过反射获取ActivityThread，通过其mPackages成员获取LoadedApk对象。通过第二章的app启动过程分析，我们知道类加载器的创建是在LoadedApk中完成，这也是为什么我们需要获取LoadedApk对象。通过该对象的mClassLoader成员，我们可以修改该成员指向我们自定义的DexClassLoader，这个类加载器就是原dex中的类加载器。这样我们就可以在后面的步骤中用该类加载器加载原dex文件。

0x02 onCreate方法

public void onCreate() {

    try {

        // 如果源应用配置有Appliction对象，则替换为源应用Applicaiton，以便不影响源程序逻辑。  
        String appClassName = "com.demo.MyApplication";

        /**
         * 调用静态方法android.app.ActivityThread.currentActivityThread
         * 获取当前activity所在的线程对象
         */

        Object currentActivityThread = RefInvoke.invokeStaticMethod(  
                "android.app.ActivityThread", "currentActivityThread",  
                new Class[] {}, new Object[] {});
        /**
         * 获取currentActivityThread中的mBoundApplication属性对象，该对象是一个
         *  AppBindData类对象，该类是ActivityThread的一个内部类
         */
        Object mBoundApplication = RefInvoke.getFieldOjbect(  
                "android.app.ActivityThread", currentActivityThread,  
                "mBoundApplication");
        /**
         * 获取mBoundApplication中的info属性，info 是 LoadedApk类对象
         */

        Object loadedApkInfo = RefInvoke.getFieldOjbect(  
                "android.app.ActivityThread$AppBindData",  
                mBoundApplication, "info");  

         if(null == loadedApkInfo){
             Log.v("demo", "[JiaguApk]=>onCreate()=>loadedApkInfo is null!!!");
          }else{
                Log.v("demo", "[JiaguApk]=>onCreate()=>loadedApkInfo:" + loadedApkInfo);
          }

        /**
         * loadedApkInfo对象的mApplication属性置为null
         */
        RefInvoke.setFieldOjbect("android.app.LoadedApk", "mApplication",  
                loadedApkInfo, null);  



        /**
         * 获取currentActivityThread对象中的mInitialApplication属性
         * 这货是个正牌的 Application
         */

        Object oldApplication = RefInvoke.getFieldOjbect(  
                "android.app.ActivityThread", currentActivityThread,  
                "mInitialApplication");  


        /**
         * 获取currentActivityThread对象中的mAllApplications属性
         * 这货是 装Application的列表
         */

        ArrayList mAllApplications = (ArrayList) RefInvoke  
                .getFieldOjbect("android.app.ActivityThread",  
                        currentActivityThread, "mAllApplications");


        //列表对象终于可以直接调用了 remove调了之前获取的application 抹去记录的样子
        mAllApplications.remove(oldApplication);

        /**
         * 获取前面得到LoadedApk对象中的mApplicationInfo属性，是个ApplicationInfo对象
         */
        ApplicationInfo appinfo_In_LoadedApk = (ApplicationInfo) RefInvoke  
                .getFieldOjbect("android.app.LoadedApk", loadedApkInfo,  
                        "mApplicationInfo");


        /**
         * 获取前面得到AppBindData对象中的appInfo属性，也是个ApplicationInfo对象
         */

        ApplicationInfo appinfo_In_AppBindData = (ApplicationInfo) RefInvoke  
                .getFieldOjbect("android.app.ActivityThread$AppBindData",  
                        mBoundApplication, "appInfo");



        //把这两个对象的className属性设置为从meta-data中获取的被加密apk的application路径
        appinfo_In_LoadedApk.className = appClassName;  

        /**
         * 调用LoadedApk中的makeApplication 方法 造一个application
         * 前面改过路径了
         */

        Application app = (Application) RefInvoke.invokeMethod(  
                "android.app.LoadedApk", "makeApplication", loadedApkInfo,  
                new Class[] { boolean.class, Instrumentation.class },  
                new Object[] { false, null });  

        RefInvoke.setFieldOjbect("android.app.ActivityThread",  
                "mInitialApplication", currentActivityThread, app);  

        if(null == app){
            Log.v("demo", "[JiaguApk]=>onCreate()=>app is null!!!");
        }else{
          app.onCreate();
          Log.v("demo", "[JiaguApk]=>onCreate() success!");
          }

    } catch (Exception e) {

        Log.v("demo", "[JiaguApk]=>onCreate() " + Log.getStackTraceString(e));

    }

    Toast.makeText(this, "Enforced by 01hackcode", Toast.LENGTH_LONG).show();

}

在onCreate方法中，我们主要做的是还原Application对象。由于在加固dex文件的时候，我们讲原来的Application替换成了我们定义的ProxyApplication对象。所以，在这一步里，我们需要还原它。至于怎么还原呢？同样参考第二章的app启动流程，我们知道，Application对象的创建发生在ActivityThread类的handleBindApplication方法中，该方法其实是调用LoadedApk类的makeApplication方法进行创建，而在该方法中，最终是调用Instrumentation类的newApplication方法完成Application对象的创建。最后调用原Application对象的onCreate方法完成启动过程。

在这个过程中，我们要将所有引用到Application的地方都进行修改，这也是为什么上面那么多种反射修改操作。通过第二章的分析，我们发现引用了Application的类有3个地方。

(1) ActivityThread类的mInitialApplication成员，它是Application类，我们需要将替换成原dex文件的Application对象

(2) ActivityThread类的mAllApplication成员，每次创建完Application对象后，就会将该对象添加到mAllApplication列表中，所以我们要讲该列表中的ProxyApplication对象移除。在后面我们通过反射调用makeApplication方法的时候会将创建的原dex文件的Application添加到该列表中

(3) LoadedApk类中的mApplicationInfo对象的className成员记录了ProxyApplication的类名，这里我们也需要修改，替换成原dex文件的Application类名

(4) 最后是ActivityThread的内部类AppBindData类对象mBoundApplication成员的appInfo对象的className成员也记录了ProxyApplication类名，我们也将它修改成员dex原dex文件的Application类名。

至此，我们就差不多修改完了所有引用ProxyApplication对象的地方。最后还差一步，我们需要反射获取ActivityThread类的makeApplication方法完成原Dex文件中Application的创建工作，并调用该Application对象的onCreate方法。到这里，我们才可以正常运行原程序。

ActivityThread.java文件：

public final class ActivityThread{

    …

    Application mInitialApplication;

    final ArrayList mAllApplications = new ArrayList();

    final ArrayMap<string, weakreference<loadedapk="">> mPackages

                = new ArrayMap<string, weakreference<loadedapk="">>();

    …

    static final class AppBindData {

        …

    ApplicationInfo appInfo;

    …

    }

}

LoadedApk.java文件：

public final class LoadedApk {

    …

    private final ApplicationInfo mApplicationInfo;

    …

}

ApplicationInfo.java文件：

public class ApplicationInfo extends PackageItemInfo implements Parcelable {

    …

    /**

     * Class implementing the Application object.  From the "class"
     * attribute.
     */

    public String className;

    …

}