Основы безопасности операционной системы Android. Уровень ядра

Вступление

Самой распространенной операционной системой для смартфонов на сегодняшний день является Android. Но не только этот факт подогревает интерес к ней. Открытость, возможность что-то настроить, подкрутить, и, естественно, сломать тоже в немалой степени способствуют увеличению популярности этой платформы. Я попробую поделиться опытом, как устроена эта операционная система, а так же рассмотреть систему безопасности. Всем, кому интересно, добро пожаловать! В этой статье я рассмотрю безопасность на уровне ядра.

Disclaimer

Термины я буду стараться писать на английком языке, так как боюсь ошибиться в их переводе. Если кто-то знает, как их красиво перевести на русский язык, напишите мне, и я дам перевод этих терминов. Желательно, чтобы у вас под рукой находились исходный код Android (хотя я и буду стараться давать ссылки на файлы в Интернете), потому что я иногда буду давать ссылки на файлы, где находится та или иная функциональность. Как загрузить исходный код, можно почитать здесь или вот в этой статье на Хабре.

Стек Android

Ну никуда не деться от этой картинки. Я нашел её на просторах Интернета и нужна она для того, чтобы понять из чего состоит Android. Итак, в стеке Android выделяют четыре уровня (снизу-вверх):

1. Linux kernel (Ядро Linux)
2. Native Libraries
3. Application Framework
4. Applications (Приложения)

Linux kernel. Как неудивительно это звучит, но изначально, Android Inc. — это стартап. Как и во всех стартапах, в этой компании стояла задача максимально использовать уже существующие решения. Поэтому в качестве ядра этой платформы был выбран Linux из-за его открытости и наличия необходимой функциональности. В Android ядро Linux управляет памятью, процессами, а так же используется в качестве hardware abstraction layer (HAL). Насколько мне известно, в Linux драйвера либо встроены в ядро, либо разработаны в виде загружаемых модулей ядра. Так как в Android загрузка модулей ядра по умолчанию отключена, а если встраивать все драйвера, то ядро очень сильно разрастется, то было принято решение создать промежуточный слой (proxy) между ядром и драйверами, который и назвали HAL. Таким образом, HAL — это просто набор интерфейсов, имплементация которых реализована в драйверах. С другой стороны в ядро были добавлены некоторые системы, которые характерны только для Android систем. На данный момент, они пока не включены в основную ветку ядра Linux, поэтому просто скачать ядро Linux и заменить им ядро Android не получится. Среди них следует выделить, Binder (обеспечивает межпроцессное взаимодействие IPC/RPC), Asynchronous SHared MEMory — Ashmem (драйвер разделяемой памяти), Wakelocks (механизм, который позволяет предотвращать затемнение экрана и/или отключение процессора), Low Memory Killer, Alarm, Logger и т.д.

Native Libraries. К этому слою относятся различные нативные библиотеки, которые необходимы для работы Android. Они так же позаимствованы у open-source сообщества. Среди них мы можем найти SQLite, WebKit и т.д.

Android Framework. К этому слою относится то, с чем мы обычно взаимодействуем, когда пишем наши приложения для Android (PowerManager, ActivityManager, NotificationManager и т.д.).

Applications. Приложения бывают двух типов: те, что поставляются вместе с образом системы (системные) и приложения, которые мы загружаем из маркета или других источников. В первом случае, в устройстве приложения находятся в "/system/app" директории, во втором случае в "/data/app".

Безопасность на уровне ядра

Давайте рассмотрим процесс установки приложения на Android устройство.

Существует несколько способов установить приложение на устройство (в общем случае):

1. Используя приложение PackageInstaller
2. Используя приложение Android Market
3. Используя комманду adb install

На рисунке, например, приложение ex1.apk устанавливается с помощью PackageInstaller (используется в случае, если вам, например, по почте прислали приложение и вы хотите его установить с устройства), ex2.apk устанавливается с помощью Android Market (Google Play), и приложение ex3.apk устанавливается с помощью комманды adb install ex3.apk (обычно эта комманда используется разработчиками приложений для установки приложения с компьютера).

Во время установки, Android каждому приложению по умолчанию присваивает уникальные user ID (UID) и group ID (GID), таким образом каждому приложению в этой операционной системе соответсвует свой пользователь. Имя пользователя обычно имеет формат app_x, а идентификаторы пользователя вычисляется по формуле (Process.FIRST_APPLICATION_UID + x), Process.FIRST_APPLICATION_UID равен 10000. Эти идентификаторы приложения не изменяются. Список установленных приложений хранится в файле "/data/system/packages.list" и если у вас рутованый телефон, или вы работаете с эмулятором, то вы можете просмотреть этот файл, используя следующую комманду:

adb shell cat /data/system/packages.list

У каждого приложения есть своя домашняя директория, например /data/data/<package_name>, где <package_name> — имя Android пакета, например com.ex.ex1 Имя Android пакета задается в свойстве package в файле AndroidManifest.xml Эта папка — Internal storage (внутреннее хранилище), директория, где приложение хранит все свои приватные данные, и к которому разработчики приложений получают доступ используя функции Context.getFilesDir() или Context.getDir() У этой папки права доступа определены как drwxrwx--x, т.е. только владелец и пользователи входящие в группу владельцев имеют полный доступ к этой папке. А так как каждое приложение определено как уникальный пользователь, то это означает, что приложения, по умолчанию, не имеют доступа к информации друг друга. Хотя при создании файла во внутреннем хранилище можно явно задать, что этот файл будет MODE_WORLD_READABLE и/или MODE_WORLD_WRITABLE

Кроме того, на уровне ядра уникальные UID и GID каждого приложения используются для разделения доступа к ресурсам системы (память и процессорное время). Таким образом, на уровне ядра для каждого приложения создается своя собственная песочница (Application Sandbox).

С другой стороны, разработчик приложения может указать некоторые ЕГО приложения должны иметь один и тот же UID. В AndroidManifest.xml файле для этого есть специальное свойство sharedUserId В этом случае, эти приложения будут иметь доступ к ресурсам друг-друга, но только если они подписаны одним и тем же ключом разработчика. Если приложения имеют

Некоторые permission (разрешения) так же работают на уровне ядра. Давайте, например, рассмотрим наиболее используемое разрешение android.permission.INTERNET Если приложение запрашивает это разрешение, то Android во время установки дополнительно включает это приложение в специальную группу «inet». Так же работают и некоторые другие разрешения. Список соответствия между этими разрешениями и соответствующими группами можно найти в файле frameworks/base/data/etc/platform.xml:

<permissions>
    ...
    <permission name="android.permission.INTERNET" >
        <group gid="inet" />
    </permission>

    <permission name="android.permission.CAMERA" >
        <group gid="camera" />
    </permission>

    <permission name="android.permission.READ_LOGS" >
        <group gid="log" />
    </permission>
    ...
</permissions>

Список соответствия между именами этих групп и значениями (GID) задан в явном виде в файле system/core/include/private/android_filesystem_config.h в массиве структур android_ids[]:

...
#define AID_ROOT             0  /* traditional unix root user */
#define AID_SYSTEM        1000  /* system server */
...
#define AID_CAMERA        1006  /* camera devices */
...
#define AID_INET          3003  /* can create AF_INET and AF_INET6 sockets */
...
static const struct android_id_info android_ids[] = {
    { "root",      AID_ROOT, },
    ...
    { "camera",    AID_CAMERA, },
    { "log",       AID_LOG, },
    ...
    { "inet",      AID_INET, },
    ...
}
...

Таким образом, если приложение пытается подключиться к Интернету, ядро проверяет, находится ли это приложение в группе с идентификатором AID_INET. Если нет, то приложению запрещается доступ. Код этой проверки очень тривиальный:

...
#ifdef CONFIG_ANDROID_PARANOID_NETWORK
#include <linux/android_aid.h>

static inline int current_has_network(void)
{
        return in_egroup_p(AID_INET) || capable(CAP_NET_RAW);
}
#else
static inline int current_has_network(void)
{
        return 1;
}
#endif
...

/*
 *      Create an inet socket.
 */

static int inet_create(struct net *net, struct socket *sock, int protocol,
                       int kern)
{
    ...
    if (!current_has_network())
                return -EACCES;
    ...
}

Заключение

Это моя первая статья на Хабре, так что не судите строго. Если сообществу интересно, то я продолжу в следующих статьях описывать внутренности Android. Я понимаю, что много не знаю, да и времени всегда не хватает, но я постараюсь поделиться тем, что уже пропустил через себя. Надеюсь, что узнаю что-то новое из комментариев! Если кому-то интересна какая-то определенная тема, то пишите в комментариях, постараюсь в будущих статьях учесть ваши пожелания.

Ссылки

1. «Embedded Android» by Karim Yaghmour
2. «Android Security Underpinnings» by Marko Gargenta
3. «Understanding Android Security» by William Enck et al.
4. Android Security Overview

Автор: zyrik

Источник