【Fireyer】一款Android平台环境检测应用

Fireyer 是为了校验我们的虚拟化环境构建是否存在缺陷，可以保障我们的每次更新的产品质量，提升开发效率。

项目已开源：

☞ Github：https://www.github.com/iofomo/fireyer ☜　

如果您也喜欢 Fireyer，别忘了给我们点个星。

1. 说明

fire + eyer = Fireyer（火眼），Fireyer项目是我们在做虚拟化沙箱产品过程中的内部副产品。目的是为了校验我们的虚拟化环境构建是否存在漏洞，在内部作为我们产品的黑白检测工具应用，可以保障我们的每次更新的产品质量，提升开发效率。对于开发沙箱，虚拟化等相关场景产品的伙伴也可以提升开发效率，快速验证功能稳定性。Fireyer的检测项还在不断完善中，后续会持续同步更新。

由于我们的虚拟化产品是普通主流机型，因此Fireyer主要用于在正常系统环境下，检测应用被重打包（或重签名），容器环境（免安装加载运行），虚拟机（将Android系统变成普通应用）的通用个人手机场景。Fireyer当前并不适用于定制ROM，或刷入Magisk，或ROOT的环境检测（当然由于技术的相关性，其中某些检测项可能生效，但并非针对性用例），但也在我们后续的迭代计划中。

2. 如何使用

Fireyer项目的主要目的是为了提升我们产品的稳定性，并非为了应用的强对抗，只是为了保证正常的应用行为运行稳定。

我们自测的方法：

1. 在正常的应用环境中，点击单元测试【原始环境】，Fireyer会将运行完成的用例数据格式化保存在系统的剪切板中备用。
2. 在虚拟的测试环境中，点击单元测试【虚拟环境】，Fireyer会从系统的剪切板中获取测试数据，然后与当前运行用例结果进行对比，最终得到测试验证的目的。

3. 系统调用实现

为了可以实现对inline和got表的拦截检测，我们需要实现一些基本函数的系统调用，如：

int open(const char *pathname, int flags, ...);
int close(int fd);
int stat(const char* path, struct stat* buf);
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
ssize_t readlink(const char *path, char *buf, size_t bufsiz);

系统调用的方式如何实现呢，有个简单的办法就是将手机里面的libc.so库导出来（这里导出的64位的库），然后用ida打开，查看对应函数的实现，如open的实现如下：

这样我们得到openat在64位系统上的系统调用的实现方式：

__attribute__((__naked__)) int svc_openat() { 
  __asm__ volatile("mov x15, x8\n" 
    "ldr x8, =0x38\n"
    "svc #0\n"
    "mov x8, x15\n"
    "bx lr"
  );
}

优势：

通过自实现系统调用函数，可以在关键的地方和正常的函数调用进行对比，从而达到识别的目的，不管是基于got表还是inline的拦截。

对抗：

如何对抗该检测，则可以使用应用级trace拦截。

4. 代理拦截和检测

拦截是利用Java的Proxy模块完成的，如：

package java.lang.reflect;

public class Proxy implements java.io.Serializable {
       public static Object newProxyInstance(ClassLoader loader, Class<?>[] interfaces, InvocationHandler h);
}

代理后，原对象实例被更换为代理后的对象，当应用使用调用接口方法后，即可回调。

普通的检测方法：

package java.lang.reflect;

public class Proxy implements java.io.Serializable {
    public static boolean isProxyClass(Class<?> cl) {
        return Proxy.class.isAssignableFrom(cl) && proxyClassCache.containsValue(cl);
    }
}

通常对方会自己调用native方法实现创建代理对象，而不使用Proxy类，如：

package java.lang.reflect;

public class Proxy implements java.io.Serializable {
       private static native Class<?> generateProxy(String name, Class<?>[] interfaces,
                                                 ClassLoader loader, Method[] methods,
                                                 Class<?>[][] exceptions);
}

那我们依然可以通过对比该对象的类名进行识别，如：

// 正常类
android.view.IWindowSession$Stub$Proxy
// 代理后的类
android.view.IWindowSession$Stub$Proxy$Proxy

5. Binder拦截和检测

很多时候我们与Service的通信可能被劫持，而拦截Binder通信最简单的方法就是接口代理。由于Android服务的Binder通信框架的数据解析和序列化都是基于接口：

/**
 * /frameworks/base/core/java/android/app/IActivityManager.aidl
 */
interface IActivityManager {
  // ...
}

/**
 * /frameworks/base/core/java/android/content/pm/IPackageManager.aidl
 */
interface IPackageManager {
  // ...
}

public interface Parcelable {
       public interface Creator<T> {
        public T createFromParcel(Parcel source);
        public T[] newArray(int size);
    }
}

1、我们可以获取对应服务的Binder对象，检测是否已经被代理。

Object obj = ReflectUtils.getStaticFieldValue("android.app.ActivityManager", "IActivityManagerSingleton");
Object inst = ReflectUtils.getFieldValue(obj, "mInstance");
if (Proxy.isProxyClass(inst.getClass())) {
    // TODO
}

2、可能面临基于底层Binder拦截的方案，如之前分享的开源项目：【Android】深入Binder底层拦截。

则整个解析不经过Java层，上层无法检测，但是底层解析有个很大的弊端就是对于复杂的Binder通信，如参数或返回值为Bundle，Intent，ApplicationInfo，PackageInfo时，解析逻辑非常复杂，要做到兼容性好，通常会调用上层的代码进行解析。

6. 完整性检测

6.1 签名校验

1、通过系统的PackageManagerService提供的返回值（太简单，非小白略过）。

PackageInfo pi = getContext().getPackageManager().getPackageInfo(getPackageName(), PackageManager.GET_SIGNING_CERTIFICATES);
pi.signingInfo;// TODO

2、通过解析本地文件。（太简单，非小白略过）。

PackageInfo pi = getContext().getPackageManager().getPackageArchiveInfo(mPackageInfo.applicationInfo.sourceDir, PackageManager.GET_SIGNING_CERTIFICATES);
pi.signingInfo;// TODO

以上两种方法都可以通过接口代理方式替换SigningInfo.CREATOR，来完成PackageInfo.signingInfo的拦截和伪装。

// source code
public final class SigningInfo implements Parcelable {

    public static final @android.annotation.NonNull Parcelable.Creator<SigningInfo> CREATOR =
            new Parcelable.Creator<SigningInfo>() {
        @Override
        public SigningInfo createFromParcel(Parcel source) {
            return new SigningInfo(source);
        }

        @Override
        public SigningInfo[] newArray(int size) {
            return new SigningInfo[size];
        }
    };
}

6.2 属性检测

1、校验Application完整性。

<application
    android:theme="@ref/0x7f120289" ----------------------------------------- 是否被替换
    android:label="@ref/0x7f0d0001" ----------------------------------------- 是否被替换
    android:icon="@ref/0x7f0d0001" ------------------------------------------ 是否被替换
    android:name="com.demo.app.Application" --------------------------------- 是否被替换
    android:persistent="false"
    android:allowBackup="false"
    android:debuggable="false" ---------------------------------------------- 是否被开启
    android:hardwareAccelerated="true"
    android:largeHeap="true"
    android:supportsRtl="false"
    android:extractNativeLibs="true"
    android:usesCleartextTraffic="true"
    android:networkSecurityConfig="@ref/0x7f150051"
    android:appComponentFactory="androidx.core.app.CoreComponentFactory" ---- 是否替换
    android:requestLegacyExternalStorage="true"
    android:allowNativeHeapPointerTagging="false"
    android:preserveLegacyExternalStorage="true"
    >
</application>

2、检测permission。

3、检测四大组件：activity、activity-alias、service、provider、receiver。

4、检测meta-data。

7. 运行环境

7.1 检测隐藏API权限

很多应用篡改目的是为了完成某些功能，时常涉及隐藏接口的调用（从9.0后），会将一些模块的保护权限解除，因此我们需要对一些常用的模块做检测。

if (classFind("android.app.ActivityThread")) break;
// /libcore/dalvik/src/main/java/dalvik/system/DexPathList.java
if (classFind("dalvik.system.DexPathList")) break;
// /frameworks/base/core/java/android/app/LoadedApk.java
if (classFind("android.app.LoadedApk")) break;
// /frameworks/base/core/java/android/app/IActivityManager.aidl
if (classFind("android.app.IActivityManager")) break;
// /frameworks/base/core/java/android/content/pm/IPackageManager.aidl
if (classFind("android.content.pm.IPackageManager")) break;

通过一些类的反射访问（该类在Android开发者网站上说明，源码有@hide标注），可以确认当前运行环境的隐藏API是否已经被解除。该方案很难被修复，如果完全无感知需要虚拟化框架在调用时设置隐藏API策略，提前缓存好目标class，method和field，然后再恢复，但如此则虚拟化环境内存消耗和初始化性能则会受到很大影响。

7.2 检测目录

通过系统调用实现查看当前私有目录下是否存在未知文件和目录，某些虚拟化环境会在应用目录提前存放了一些数据文件。

7.3 检测调用栈

在某些关键函数回调中进行调用栈的检测。

1. 如：AppComopentFactory的初始化回调。
2. 如：Application的初始化回调。
3. 如：ActivityThread$H的callback回调。

检测的方式：

1. 直接上层的Thread.dumpStack获取。虚拟化环境可以通过对native的函数拦截伪装。
2. 通过低层libunwind库获取对应的函数名和库信息。虚拟化环境可以通过对getcontext的拦截进行伪装。

7.4 检测线程

Java层检测：

public static void getAllThreadsInfo() {
    Map<Thread, StackTraceElement[]> allThreads = Thread.getAllStackTraces();
    for (Map.Entry<Thread, StackTraceElement[]> entry : allThreads.entrySet()) {
        Thread thread = entry.getKey();
        StackTraceElement[] stackTrace = entry.getValue();
        // Got thread id and names
    }
}

但某些实现会拦截native层函数调用进行伪装，因此我们需要遍历线程目录（使用自实现的系统调用函数访问）

void getAllThreadsInfo() {
    char threadName[128];
    DIR* taskDir = opendir("/proc/self/task");
    if (taskDir != nullptr) {
        struct dirent* entry;
        while ((entry = svc_readdir(taskDir)) != nullptr) {
            if (entry->d_type == DT_DIR && strcmp(entry->d_name, ".") != 0 && strcmp(entry->d_name, "..") != 0) {
                pid_t threadId = atoi(entry->d_name);
                if (pthread_getname_np(pthread_t(threadId), threadName, sizeof(threadName)) == 0) {
                             // Got thread id and names
                }
            }
        }
        closedir(taskDir);
    }
}

7.5 C进程检测

增加采用C程序命令的方式采集信息。如：

1. ls ${dir}。
2. cat ${file}。
3. 自己实现c程序对主进程进行信息采集。

应对方案：

1. 拦截进程execve函数，对调用c程序命令的参数进行修正。
2. 拦截进程execve函数，对即将fork的子进程，向子进程的envp环境变量注入预加载库，从而实现对C程序内部函数调用的拦截。

7.6 maps检测

maps检测实现，使用系统调用函数对/proc/self/maps中的内容进行校验。

1. 校验maps是否有第三方库的加载痕迹。
2. 校验base.apk路径是否合法。
3. 校验dex库是否被篡改。

该检测可以被Trace方案拦截，并映射至修正的新的maps文件，达到虚拟化伪装的目的。

7.7 注入库检测

当前进程可能被加载了执行代码（如：dex或lib），因此我们通过查找本进程的maps进行识别（使用自实现的系统调用函数访问）。

int fd = svc_open("proc/self/maps", "r");
if (0 <= fd) {
  char buffer[1024];
  svc_read(fd, buffer, sizeof(buffer);// 这里循环读取并检测，是否包含非安装目录库（如：/data/user）
  svc_close(fd);
}

而对方可能会直接采用内存方式加载dex或apk，如：

/**
 * /libcore/dalvik/src/main/java/dalvik/system/DexPathList.java
 **/
public final class DexPathList {
       public static Element[] makeInMemoryDexElements(ByteBuffer[] dexFiles,
            List<IOException> suppressedExceptions) {
        Element[] elements = new Element[dexFiles.length];
        int elementPos = 0;
        for (ByteBuffer buf : dexFiles) {
            try {
                DexFile dex = new DexFile(new ByteBuffer[] { buf }, /* classLoader */ null,
                        /* dexElements */ null);
                elements[elementPos++] = new Element(dex);
            } catch (IOException suppressed) {
                System.logE("Unable to load dex file: " + buf, suppressed);
                suppressedExceptions.add(suppressed);
            }
        }
        if (elementPos != elements.length) {
            elements = Arrays.copyOf(elements, elementPos);
        }
        return elements;
    }
}

同样也会通过先在将lib库加载到内存，然后通过从内存加载lib的方式实现，这样在maps中就不会留下的文件目录痕迹。

FILE* tempFile = tmpfile();
// TODO read lib file to tempFile
const char* tempFileName = fileno(tempFile);
void* libHandle = dlopen(tempFileName, RTLD_NOW);
if (libHandle != nullptr) {
    // ...
    dlclose(libHandle);
}
unlink(tempFileName);

以上情况，我们需要对maps中的地址区间的内容进行进一步的识别。

7.8 Trace检测

Trace检测实现，当前使用系统调用函数对/proc/self/status中的TracerPid:字段进行简单校验。后面会有单独的文章分享如何构建Trace进程互相检测实现。