Вступление
После небольшого перерыва я продолжаю объяснять базовые принципы как обеспечивается безопасность в операционной системе Android. Сегодня я начну описывать безопасность на уровне Application Framework. Но чтобы понять данную тему, вначале необходимо рассмотреть как в Android реализован механизм межпроцессного взаимодействия (Inter-Process Communication (IPC)). Этот механизм называется Binder IPC, и сегодня мы будем рассматривать его особенности. Все, кому интересно, добро пожаловать!
Список статей
Ниже приведены ссылки на мои статьи из этой серии:
- Основы безопасности операционной системы Android. Уровень ядра
- Основы безопасности операционной системы Android. Native user space, ч.1
- Основы безопасности операционной системы Android. Native user space, ч.2
- Основы безопасности операционной системы Android. Безопасность на уровне Application Framework. Binder IPC
Зачем нужен Binder IPC?
Как я уже писал в первой статье цикла, каждое приложение в Android выполняется в своей собственной «песочнице» (Application Sandbox). Механизм «песочницы» в Android основан на присвоении каждому приложению уникального user ID (UID) и group ID (GID), таким образом каждому приложению (application или app) в этой операционной системе соответсвует свой уникальный непривилегированный пользователь. Мы рассматривали эту тему в первой статье цикла. В тоже время владельцами всех критических ресурсов системы являются более привилегированные пользователи, имена и идентификаторы которых жестко зашиты в систему (см. system/core/include/private/android_filesystem_config.h). Системные сервисы, которые запускаются от имени этих пользователей, имеют доступ к соответствующим критическим ресурсам системы (например, к GPS данным), в то время как процессы обычных приложений доступ к этим ресурсам получить не могут.
Однако приложения должны иметь возможность «попросить» системные сервисы предоставить им такую информацию, а последние, в свою очередь, должны иметь возможность предоставить такую информацию приложениям. Так как приложения и системные сервисы исполняются в разных процессах, то для организации такого обмена операционной системе необходимо предоставить механизм обмена информацией между процессами. Более того, даже обычные приложения иногда должны взаимодействовать друг с другом. Например, почтовый клиент может «попросить» просмотрщик изображений отобразить графическое приложение к письму.
В Android обмен сигналами и данными между процессами организован с помощью фреймворка межпроцессного взаимодействия (Inter-Process Communication) Binder. Стандартный System V IPC фреймворк не поддерживается данной операционной системой, в частности, в Bionic libc отсутствуют заголовочные файлы <sys/ipc.h>, <sys/sem.h>, <sys/shm.h>, <sys/msg.h>. В некоторых специфических случаях (например, для взаимодействия с демоном Zygote) используются Unix domain sockets. Все остальные способы взаимодействия между процессами, включая Intents, реализованы используя Binder IPC. Этот фреймворк позволяет синхронно и асинхронно вызывать методы удаленных объектов так, будто они локальные, обмениваться файловыми дескрипторами между процессами, link to death (автоматическое оповещение в случае если Binder определенного процесса был прерван), и т.д.
Как работает Binder IPC?
Взаимодействие между процессами организовано по синхронной клиент-серверной модели. Клиент инициирует соединение и ждет ответа со стороны сервера. Таким образом, взаимодействие между клиентом и сервером происходит последовательно. Такой дизайн позволяет разработчику вызывать удаленные методы словно они находятся в том же самом процессе. Стоит отметить, что это не рассходится с тем, что я писал выше по поводу асинхронного вызова методов: в случае асинхронного вызова, сервер сразу же возвращает пустой ответ клиенту. Схема взаимодействия процессов через Binder представлена на следующем рисунке: приложение (клиент), которое выполняется в процессе Process A, получает доступ к функцианальности, реализованной в сервисе, который выполняется в процессе Process B.
Все взаимодействия между клиентом и сервером в рамках Binder происходят через специальный Linux device driver (драйвер устройства) /dev/binder. В статье «Основы безопасности операционной системы Android. Native user space, ч.1» мы рассматривали процесс загрузки системы. Один из первых демонов, запускаемых процессом init, является ueventd — менеджер внешних устройств в Android. Этот сервис во время старта читает конфигурационный файл ueventd.rc и проигрывает события добавления внешних устройств. Эти события выставляют для устройств разрешения (permissions), а также владельца (owner) и группу (owning group). В следующем примере можно увидеть какие разрешения выставлены для /dev/binder.
...
/dev/ashmem 0666 root root
/dev/binder 0666 root root
...
Как можно заметить, разрешения для этого устройства выставлены в 0666. Это означает, что любой пользователь системы (а мы помним, что разные приложения в Android — это уникальные пользователи) имеет право писать в и читать из данного устройства. Для взаимодействия с этим драйвером была создана библиотека libbinder. Эта библиотека позволяет сделать процесс взаимодействия с драйвером прозрачным для разработчика приложений. В частности, взаимодействие между клиентом и сервером происходит через proxy (прокси) на стороне клиента и stub на стороне сервера (см. рисунок выше). Proxies и Stubs отвечают за маршалинг данных и комманд передаваемых через драйвер. Т.е. Proxy выстраивает (marshalling) данные и команды, полученные со стороны клиента таким образом, что они могут быть корректно прочитаны (unmarshalling) и однозначно поняты Stub'ом. Вообще, разработчики приложений даже не пишут Stub'ы и Proxy'и для своих приложений. Вместо этого они используют интерфейс, описанный с помощью языка AIDL. Во время компиляции приложения, на основании этого интерфейса генерируется код для Stub'ов и Proxy'и (можете поискать в своих проектах, чтобы увидеть как они выглядят).
На стороне сервера для каждого клиентского запроса создается отдельный Binder поток (см. рисунок выше). Обычно эти потоки называются как Binder Thread #n. Кстати, если мне не изменяет память, то максимальное количество Binder потоков равно 255, а максимальный размер данных, которые могут быть переданы через Binder в рамках одной транзакции составляет 1Mb. Это следует иметь ввиду, когда разрабатываете приложения, передающие или получающие данные от других процессов.
Service Manager
Внимательные читатели должны были отметить для себя тот факт, что до этого я ничего не писал о том, как Android понимает, какому процессу нужно отсылать данные. Технически каждому сервису Binder присваивает 32 битный токен, являющимся уникальным в рамках всех процессов системы (за чем следит драйвер). Этот токен используется как указатель на сервис. Если у клиента есть этот указатель, то он может взаимодействовать с сервисом. Но сначала клиенту необходимо получить это уникальное значение.
Для этого клиент обращается к Binder context manager, который в случае Android называется Service Manager (servicemanager). Service Manager — специальный сервис, Binder токен которого известен всем заранее. Не удивительно, что значение токена для этого сервиса равно 0. Binder драйвер разрешает регистрацию только одного сервиса с таким токеном, поэтому servicemanager — один из первых сервисов, запускаемых в системе. Service Manager можно представить в виде справочника. Вы говорите, что хотите найти сервис с таким-то именем, а вам в ответ возвращают его уникальный токен-номер, который вы можете использовать после для взаимодействия с искомым сервисом. Естественно, сервис сперва должен зарегистрироваться в этом «справочнике».
Безопасность
Сам по себе Binder фреймворк не отвечает за безопасность в системе, но он предоставляет механизмы для её обеспечения. Во-первых, Binder драйвер в каждую транзакцию записывает PID и UID процесса, который инициирует транзакцию. Вызываемый сервис может использовать эту информацию чтобы решить, стоит ли выполнять запрос или нет. Вы можете получить эту информацию используя методы android.os.Binder.getCallingUid(), android.os.Binder.getCallingPid(). Во-вторых, так как Binder токен уникален в рамках системы и его значение не известно априори, то он сам может использоваться как маркер безопасности (смотрите, например, вот эту статью).
Заключение
В следующей части планирую написать о разрешениях (permissions). Материал уже есть, но надо его перевести и подработать. Как всегда буду благодарен за интересные вопросы и пояснения в комментариях, возможно некоторые моменты я неправильно для себя понял.
Ссылки
- «Deep Dive Into Binder Framework» by Aleksandar Gargenta
- «Embedded Android» by Karim Yaghmour
- «Android Binder. Android Interprocess Communication» by Thorsten Schreiber
Автор: zyrik
