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Android漏洞扫描工具Code Arbiter
目前Android应用代码漏洞扫描工具种类繁多，效果良莠不齐，这些工具有一个共同的特点，都是在应用打包完成后对应用进行解包扫描。这种扫描有非常明显的缺点，扫描周期较长，不能向开发者实时反馈代码中存在的安全问题，并且对于问题代码的定位需要手动搜索匹配源码，这样就更不利于开发者对问题代码进行及时的修改。Code Arbiter正是为解决上述两个问题而开发的，专门对Android Studio中的源码进行安全扫描。
1 背景介绍
为实现对Android Studio中的源码进行扫描，最方便的方式便是将扫描工具以IDE插件的形式进行工作。此时一个很自然的想法便是从头构建一个Android Studio插件，但是进行仔细的评估后会发现，这样做难度并不小：
- 工作量大，许多知识需要学习，如IDE开放API接口、插件UI构建等，同时许多底层模块需要从头构建；
- 插件的稳定性、检测问题的准确性上都不一定能够达到已有开源工具的效果。
因此我们转而考虑在已有漏洞检测插件的基础上进行扩展，以满足需求。经过调研，最终入围的两款检测插件是PMD和FindBugs，其中PMD是对Java源码进行扫描，而FindBugs则是对Java源码编译后的class文件进行扫描。考虑到可扩展性及检测的准确性，最终选定了FindBugs。FindBugs是一个静态分析工具，它检查类或者JAR文件，将字节码与一组缺陷模式进行对比来发现可能的问题，可以以独立的JAR包形式运行，也可以作为集成开发工具的插件形式存在。
扩展优化
那么，怎么扩展FindBugs呢？调研发现FindBugs插件具有着极强的可扩展性，只需要将扩展的JAR包导入FindBugs插件，重启，即可完成相关功能的扩展。安装JAR包示意图如下所示。
下面的问题是如何构建可安装的JAR包。继续调研，发现FindBugs有一款专门对安全问题进行检测的扩展插件Find Security Bugs，该插件主要用于对Web安全问题进行检测，也有极少对Android相关安全问题的检测规则。考虑以下几个原因，需要对该插件的源码进行重构。
- 对Android安全问题的检测太少，只包含外部文件使用、Webview、Broadcast使用等寥寥几项；
- 检测的细粒度上考虑不够完全，会造成大量的误报，无法满足检测精度的要求；
- 检测问题的上报只支持英文模式，且问题展示的逻辑性不够严谨，不便于开发者进行问题排查。
基于以上三个原因，我们需要对Find Security Bugs的源码进行重写、优化，通过增加检测项来检测尽可能多的安全问题，通过优化检测规则来减少检测的误报，问题展示使用中文进行描述，同时优化问题描述的逻辑性，使得开发者能够更易理解并修改相关问题，至此插件实现及优化的方案确定。
2 工具实现介绍
FindBugs检测的是class文件，因此当待检测的源码未生成编译文件时，FindBugs会先将源码编译生成.class文件，然后对这个class文件进行分析。FindBugs会完成对class文件的自动建模，在此模型的基础上对代码进行分析。按照在实际编写检测代码过程中的总结，把检测的实现方式分成四种方式，下面分别进行介绍。
2.1 逐行检查
逐行检查主要是针对代码中使用的一些不安全方法或参数进行检测，其实现方式是重写sawOpcode()方法，下面以Android中使用外部存储问题作为示例进行讲解。
Android中获取外部存储文件夹地址的方法主要包括下面这些方法：
getExternalCacheDir() getExternalCacheDirs() getExternalFilesDir() getExternalFilesDirs() getExternalMediaDirs() Environment.getExternalStorageDirectory() Environment.getExternalStoragePublicDirectory()
检测的方式便是，如果发现存在该方法的调用，则作为一个问题进行上报，实现完整代码如下所示：
public class ExternalFileAccessDetector extends OpcodeStackDetector {
private static final String ANDROID_EXTERNAL_FILE_ACCESS_TYPE = "ANDROID_EXTERNAL_FILE_ACCESS";
private BugReporter bugReporter;
public ExternalFileAccessDetector(BugReporter bugReporter) {
this.bugReporter = bugReporter;
}
@Override
public void sawOpcode(int seen) {
//printOpCode(seen);
if (seen == Constants.INVOKEVIRTUAL && (
getNameConstantOperand().equals("getExternalCacheDir") ||
getNameConstantOperand().equals("getExternalCacheDirs") ||
getNameConstantOperand().equals("getExternalFilesDir") ||
getNameConstantOperand().equals("getExternalFilesDirs") ||
getNameConstantOperand().equals("getExternalMediaDirs")
)) {
// System.out.println(getSigConstantOperand());
bugReporter.reportBug(new BugInstance(this, ANDROID_EXTERNAL_FILE_ACCESS_TYPE, Priorities.NORMAL_PRIORITY).addClass(this).addMethod(this).addSourceLine(this));
}
else if(seen == Constants.INVOKESTATIC && getClassConstantOperand().equals("android/os/Environment") && (getNameConstantOperand().equals("getExternalStorageDirectory") || getNameConstantOperand().equals("getExternalStoragePublicDirectory"))) {
bugReporter.reportBug(new BugInstance(this, ANDROID_EXTERNAL_FILE_ACCESS_TYPE, Priorities.NORMAL_PRIORITY).addClass(this).addMethod(this).addSourceLine(this));
}
}
}
该类的实现是继承OpcodeStackDetector类，是FindBugs中的一个抽象类，封装了对于获取代码特定参数的方法调用。sawOpcode方法参数可以理解为待检测代码行的行号，通过printOpCode(seen)可以打印该代码行的具体内容。Constants.INVOKEVIRTUAL表示该行调用类的实例方法，Constants.INVOKESTATIC表示调用类的静态方法。getNameConstantOperand方法表示获取被调用方法的名称，getClassConstantOperand方法表示获取调用类的名称，getSigConstantOperand方法表示获取方法的所有参数。bugReporter.reportBug用于上报检测到的漏洞信息，其中BugInstance的三个参数分别表示：检测器、漏洞类型、漏洞等级，其中漏洞等级分为五个级别，如下表所示：
| 名称 | 参数 | 含义 |
|---|---|---|
| HIGH_PRIORITY | 1 | 高危风险 |
| NORMAL_PRIORITY | 2 | 中危风险 |
| LOW_PRIORITY | 3 | 低危风险 |
| EXP_PRIORITY | 4 | 安全提醒 |
| IGNORE_PRIORITY | 5 | 可忽略风险 |
addClass、addMethod、addSourceLine用于指定该漏洞所在的类、方法、行，方便报告漏洞时定位关键代码。
2.2 逐方法检查
逐方法检查首先获取待检测类的所有内容，然后对类中的方法进行逐个检查，多用于对方法体进行检测，其实现的方法主要是通过重写visitClassContext方法，下面以对Android TrustManager的空实现的检测为例进行说明。TrustManager的空实现，主要是指对于检测Server端证书是否可信的方法checkServerTrusted，是否是空实现。下面展示问题代码，如果是空实现那么将导致客户端接收任意证书，从而造成加密后的HTTPS消息被中间人解密。
@Override
public void checkServerTrusted(X509Certificate[] x509Certificates, String s) throws CertificateException {
}
检测的方式是通过遍历类中的所有方法，找到checkServerTrusted方法，对方法整体进行检测，确定其是否为空实现，部分代码如下所示：
public class WeakTrustManagerDetector implements Detector {
...
public WeakTrustManagerDetector(BugReporter bugReporter) {
this.bugReporter = bugReporter;
}
@Override
public void visitClassContext(ClassContext classContext) {
JavaClass javaClass = classContext.getJavaClass();
//The class extends X509TrustManager
boolean isTrustManager = InterfaceUtils.isSubtype(javaClass,"javax.net.ssl.X509TrustManager");
boolean isHostnameVerifier = InterfaceUtils.isSubtype(javaClass,"javax.net.ssl.HostnameVerifier");
// if (!isTrustManager && !isHostnameVerifier) return;
if (!isTrustManager && !isHostnameVerifier){
for (Method m : javaClass.getMethods()) {
allow_All_Hostname_Verify(classContext, javaClass, m);
}
}
Method[] methodList = javaClass.getMethods();
for (Method m : methodList) {
MethodGen methodGen = classContext.getMethodGen(m);
if (DEBUG) System.out.println(">>> Method: " + m.getName());
if (isTrustManager &&
(m.getName().equals("checkClientTrusted") ||
m.getName().equals("checkServerTrusted") ||
m.getName().equals("getAcceptedIssuers"))) {
if(isEmptyImplementation(methodGen)) {
bugReporter.reportBug(new BugInstance(this, WEAK_TRUST_MANAGER_TYPE, Priorities.NORMAL_PRIORITY).addClassAndMethod(javaClass, m));
}
......
classContext.getJavaClass用于获取整个类的所有内容；javaClass.getMethods用于获取该类中的所有方法，以一个方法列表的形式返回；classContext.getMethodGen用于获取该方法的内容；isEmptyImplementation将方法的内容导入该函数进行检测，用于确定方法是否是空实现，该方法的代码如下所示：
private boolean isEmptyImplementation(MethodGen methodGen){
boolean invokeInst = false;
boolean loadField = false;
for (Iterator itIns = methodGen.getInstructionList().iterator();itIns.hasNext();) {
Instruction inst = ((InstructionHandle) itIns.next()).getInstruction();
if (DEBUG)
System.out.println(inst.toString(true));
if (inst instanceof InvokeInstruction) {
invokeInst = true;
}
if (inst instanceof GETFIELD) {
loadField = true;
}
}
return !invokeInst && !loadField;
}
该方法主要用于检测方法中是否包含方法调用、域操作，如果没有包含则认为是一个空实现的方法。因此该方法对于只包含 return true/false 语句的方法体同样认为是一个空实现。
2.3 污点分析
数据流分析主要用于分析特定方法加载的参数是否能够被用户控制，即进行污点分析。做污点分析首先需要定义污染源（source点），污染源可以理解为能够被用户控制的输入数据，这里定义的Android污染源主要包括用户的输入、Intent传入的数据，下面展示定义的部分污染源（source点）：
- EditText android/widget/EditText.getText()Landroid/text/Editable;:TAINTED - Intent android/content/Intent.getAction()Ljava/lang/String;:TAINTED android/content/Intent.getStringExtra(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String;:TAINTED ...... - Bundle android/os/Bundle.get(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/Object;:TAINTED android/os/Bundle.getString(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String;:TAINTED ......
定义好污染源后就需要确定污染的触发点（sink点），可以理解为会触发危险操作的函数。定义sink点的方式有两种，一种是直接从文件中导入，以命令注入为示例，代码如下：
public class CommandInjectionDetector extends BasicInjectionDetector {
public CommandInjectionDetector(BugReporter bugReporter) {
super(bugReporter);
loadConfiguredSinks("command.txt", "COMMAND_INJECTION");
}
从代码中可以清楚的看到其导入方式是继承BasicInjectionDetector类，然后再该类的构造方法中通过loadConfiguredSinks方法，导入包含sink点的文件，下面展示该示例文件中的内容：
java/lang/Runtime.exec(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/Process;:0 java/lang/Runtime.exec([Ljava/lang/String;)Ljava/lang/Process;:0 java/lang/Runtime.exec(Ljava/lang/String;[Ljava/lang/String;)Ljava/lang/Process;:0,1 java/lang/Runtime.exec([Ljava/lang/String;[Ljava/lang/String;)Ljava/lang/Process;:0,1 java/lang/Runtime.exec(Ljava/lang/String;[Ljava/lang/String;Ljava/io/File;)Ljava/lang/Process;:1,2 java/lang/Runtime.exec([Ljava/lang/String;[Ljava/lang/String;Ljava/io/File;)Ljava/lang/Process;:1,2 java/lang/ProcessBuilder.<init>([Ljava/lang/String;)V:0 java/lang/ProcessBuilder.<init>(Ljava/util/List;)V:0 java/lang/ProcessBuilder.command([Ljava/lang/String;)Ljava/lang/ProcessBuilder;:0 java/lang/ProcessBuilder.command(Ljava/util/List;)Ljava/lang/ProcessBuilder;:0 dalvik/system/DexClassLoader.loadClass(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/Class;:0
另一种是自定义导入，其实现是通过覆盖BasicInjectionDetector类中的getInjectionPoint方法，以WebView.loadurl方法为例，示例代码如下所示：
@Override
protected InjectionPoint getInjectionPoint(InvokeInstruction invoke, ConstantPoolGen cpg, InstructionHandle handle) {
assert invoke != null && cpg != null;
String method = invoke.getMethodName(cpg);
String sig = invoke.getSignature(cpg);
// System.out.println(invoke.getClassName(cpg));
if(sig.contains("Ljava/lang/String;")) {
if("loadUrl".equals(method)){
if(sig.contains("Ljava/util/Map;")){
return new InjectionPoint(new int[]{1}, WEBVIEW_LOAD_DATA_URL_TYPE);
}else{
return new InjectionPoint(new int[]{0}, WEBVIEW_LOAD_DATA_URL_TYPE);
}
}else if("loadData".equals(method)){
return new InjectionPoint(new int[]{2}, WEBVIEW_LOAD_DATA_URL_TYPE);
}else if("loadDataWithBaseURL".equals(method)){
//BUG
return new InjectionPoint(new int[]{4}, WEBVIEW_LOAD_DATA_URL_TYPE);
}
}
return InjectionPoint.NONE;
}
通过实例化InjectionPoint类构造新的sink点，其构造方法中的第一个参数表示该方法接收污染数据参数的位置，如方法为webView.loadUrl(url)，其第一个参数就是new int[]{0}，其它的以此类推。
上报发现漏洞的情况，则通过覆盖getPriorityFromTaintFrame方法的实现，示例代码如下所示：
@Override
protected int getPriorityFromTaintFrame(TaintFrame fact, int offset)
throws DataflowAnalysisException {
Taint stringValue = fact.getStackValue(offset);
// System.out.println(stringValue.getConstantValue());
if (stringValue.isTainted() || stringValue.isUnknown()) {
return Priorities.NORMAL_PRIORITY;
} else {
return Priorities.IGNORE_PRIORITY;
}
}
通过fact.getStackValue获取检测的函数变量，如果该变量被污染（isTainted）或 变量是否被污染未知（但是是可控制变量），那么作为一个中危风险（Priorities.NORMAL_PRIORITY）进行上报，其它的情况则上报为可忽略风险（Priorities.IGNORE_PRIORITY）。
2.4 自定义代码检测
自定义代码检测实现的前半部分同2.2的逐方法检测类似，均是获取类的内容，然后遍历所有的方法，对方法的内容进行检测，但是在具体代码检测实现上是通过自定义分析进行。目前自定义检测只应用到Android中本地拒绝服务的检测。本地拒绝服务的被触发的重要原因在于对通过Intent获取的参数未进行异常捕获，因此检测实现的方式便是检测获取参数的代码行是否被try catch包裹（这个存在误差，待改进）。对于其代码分析，不能使用FindBugs模型进行分析，而是使用最原始的class代码进行分析，原始class代码的形式通过javap命令进行查看，下图展示示例代码。
对原始class文件进行分析存在的缺陷是无法定位具体的代码行，那么在进行问题上报时无法将问题定位到代码行，因此第一步需要在原有模型的基础上对所有包含Intent获取参数的方法的位置存储到一个Map结构中，方便后面对方法的定位，代码实现如下所示，获取方法所在的行，然后以方法名作为Key值，以代码行相关信息作为Value值，存储到Map中。
private Map<String, List<Location>> get_line_location(Method m, ClassContext classContext){
HashMap<String, List<Location>> all_line_location = new HashMap<>();
ConstantPoolGen cpg = classContext.getConstantPoolGen();
CFG cfg = null;
try {
cfg = classContext.getCFG(m);
} catch (CFGBuilderException e) {
e.printStackTrace();
return all_line_location;
}
for (Iterator<Location> i = cfg.locationIterator(); i.hasNext(); ) {
Location loc = i.next();
Instruction inst = loc.getHandle().getInstruction();
if(inst instanceof INVOKEVIRTUAL) {
INVOKEVIRTUAL invoke = (INVOKEVIRTUAL) inst;
if(all_line_location.containsKey(invoke.getMethodName(cpg))){
all_line_location.get(invoke.getMethodName(cpg)).add(loc);
}else {
LinkedList<Location> loc_list = new LinkedList<>();
loc_list.add(loc);
all_line_location.put(invoke.getMethodName(cpg), loc_list);
}
// }
}
}
return all_line_location;
}
之后获取Exception包裹的范围，FindBugs中包含对Exception的建模，因此能够通过其模型能够直接获取其范围并存储到一个列表中，代码如下所示，其中exceptionTable[i].getStartPC用于获取try catch 的起始代码行，exceptionTable[i].getEndPC用于获取try catch 的结束代码行。
public int[] getExceptionScope(){
try {
CodeException[] exceptionTable = this.code.getExceptionTable();
int[] exception_scop = new int[exceptionTable.length * 2];
for (int i = 0; i < exceptionTable.length; i++) {
exception_scop[i * 2] = exceptionTable[i].getStartPC();
exception_scop[i * 2 + 1] = exceptionTable[i].getEndPC();
}
return exception_scop;
}catch (Exception e){
}
return new int[0];
}
在对代码进行逐行检查时，因为使用的是最原始class文件形式，因此需要限定其遍历的范围，限定的方式是通过代码的行号，即上图中每行代码的第一个数值。首先需要获取代码总行数的大小，获取的方式便是解析FindBugs建模后的第一行代码，找到关键词code-length后面的数值，即为代码的行数，解析代码如下所示：
public int get_Code_Length(String firstLineCode){
try{
String[] split1 = firstLineCode.split("code_length");
// System.out.println(split1[split1.length-1]);
byte[] code_length_bytes = split1[split1.length-1].getBytes();
byte[] new_code_bytes = new byte[code_length_bytes.length];
for(int i=0; i<code_length_bytes.length; i++){
// System.out.println();
if(code_length_bytes[i]<48 || code_length_bytes[i]>57){
new_code_bytes[i] = 32;
}else{
new_code_bytes[i] = code_length_bytes[i];
}
}
return Integer.parseInt(new String(new_code_bytes).trim());
}catch(Exception e){
e.printStackTrace();
}
return 0;
}
最后对代码进行逐行遍历，遍历中为防止try catch块被遍历到，使用行号来限制遍历的范围。检测代码行是否包含通过Intent获取参数，及该行是否被try catch 包裹，如果上述两个条件均被触发，那么就作为一个问题进行上报。示例代码如下，其中get_code_line_index方法用于获取代码的行号，获取的方式是截取代码行的首字符的数值，以确定是否在代码包裹的范围内。
private void analyzeMethod(JavaClass javaClass, Method m, ClassContext classContext) throws CFGBuilderException {
HashMap<String, List<Location>> all_line_location = (HashMap<String, List<Location>>) get_line_location(m, classContext);
Code code = m.getCode();
StringCodeAnalysis sca = new StringCodeAnalysis(code);
String[] codes = sca.codes_String_Array();
int code_length = sca.get_Code_Length(sca.get_First_Code(codes));
int[] exception_scop = sca.getExceptionScope();
for(int i=1; i<codes.length; i++){
int line_index = sca.get_code_line_index(codes[i]);
if (line_index < code_length){
if(codes[i].toLowerCase().contains("invokevirtual") &&
(codes[i].contains("android.content.Intent.get") || codes[i].contains("android.os.Bundle.get"))){
if(exception_scop.length == 0){
......
}else{
boolean is_scope = false;
for(int j=0; j<exception_scop.length; j+=2){
int start = exception_scop[j];
int end = exception_scop[j+1];
if(line_index >= start && line_index <= end){
is_scope = true;
}
if(is_scope){
break;
}
}
if(!is_scope){
String method_name = get_method_name(codes[i]);
if(all_line_location.containsKey(method_name)){
for(Location loc : all_line_location.get(method_name)){
bugReporter.reportBug(new BugInstance(this, LOCAL_DENIAL_SERVICE_TYPE, Priorities.NORMAL_PRIORITY).addClass(javaClass).addMethod(javaClass, m).addSourceLine(classContext, m, loc));
}
}else {
bugReporter.reportBug(new BugInstance(this, LOCAL_DENIAL_SERVICE_TYPE, Priorities.NORMAL_PRIORITY).addClass(javaClass).addMethod(javaClass, m));
}
}
}
}
}
}
}
3 注册打包
上面详细叙述了如何构造自己的问题检测代码，完成检测方法的书写后，下一步就是在配置文件中对检测方法进行注册，才能使检测代码运转起来。
需要在两个文件中进行注册，第一个是findbugs.xml，注册示例如下：
<Detector class="com.h3xstream.findsecbugs.android.LocalDenialOfServiceDetector" reports="LOCAL_DENIAL_SERVICE"/> <BugPattern type="LOCAL_DENIAL_SERVICE" abbrev="SECLDOS" category="Android安全问题" cweid="276"/>
其中Detector用于注册该检测方法的位置及其唯一标识，BugPattern用于对检测出的问题进行归类，方便展示，如此处归类到"Android安全问题"中，那么在生成报告的时候问题也将被归类到"Android安全问题"中。
第二个是messages.xml注册，注册示例如下，该注册主要是对该问题进行说明，包括问题的危害及修复方法。
<Detector class="com.h3xstream.findsecbugs.android.LocalDenialOfServiceDetector">
<Details>Local Denial of Service.</Details>
</Detector>
<BugPattern type="LOCAL_DENIAL_SERVICE">
<ShortDescription>本地拒绝服务</ShortDescription>
<LongDescription>通过Intent接收的参数未进行异常捕获，导致出现异常使得应用崩溃</LongDescription>
<Details>
<![CDATA[
<p>
<b>危害:</b><br/>
<pre>
应用崩溃无法使用，影响用户体验；
被竞争对手利用，进行点对点攻击。
</pre>
</p>
<p>
<b>错误代码:</b><br/>
<pre>
bundle.getString(""); //未try/catch
intent.getStringExtra(""); //未try/catch
</pre>
</p>
<p>
<b>解决方案:</b><br/>
<pre>
对通过Intent接收的参数处理时，进行严格的异常捕获。
try {
bundle.getString("");
intent.getStringExtra("");
}catch (Exception e){}
</pre>
</p>
]]>
</Details>
</BugPattern>
<BugCode abbrev="SECLDOS">本地拒绝服务</BugCode>
一切完成就绪后使用Maven进行打包，就生产了供FindBugs集成开发工具插件使用的JAR包，完成安装并重启，即可使用自定义插件对特定问题进行检测。最终分析的效果图如下图所示：
4 结语
本文介绍了Android集成开发环境Android Studio的代码实时检测工具Code Arbiter的产生原因及代码实现，最后展示了分析的效果。通过Code Arbiter在生产环境中的应用，其检测效果还是相当不错，能够发现很多编码过程中存在的问题。但是Code Arbiter仍然存在许多不足，需要优化。后续将在以下两个方面对工具进行改进：
- 扩大漏洞检测范围，使Code Arbiter能够囊括Android编码常见安全问题；
- 优化漏洞检测规则，提高检测的准确性，减少误报。
5 作者简介
建弋，2016年加入美团点评，目前主要负责金融部门相关的安全工作。对于代码审计/漏洞扫描感兴趣的同学，可以阅读本人Freebuf上发表的相关文章，期待与大家共同学习共同提高。
美团点评金融服务平台-安全与合规中心致力于维护美团点评金融平台的安全工作，努力构建行业顶级安全架构，打造行业领先安全产品。欢迎各位行业同仁加入我们，共同建设美团点评金融安全。联系邮箱：isec#meituan.com
【思考题】
文中描述了Android IDE漏洞扫描工具产生的前因后果，对实现的代码也进行了概括总结。不管是在IDE集成开发环境下的源码扫描，还是对APK文件的解包扫描，其最终的目的还是为了保证应用的安全性，那么大家在日常的工作中对于移动安全建设，以及互联网快速迭代环境下业务安全问题的排查有何独到的见地呢？希望不吝赐教。
下一章：前端可用性保障实践
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