主功能模塊具有兩部分內(nèi)容，一是針對dex的防篡改保護(hù)，基于對dex文件的完整 性校驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。二是實(shí)現(xiàn)Java層被替換（Hook)的函數(shù)，如圖3所示，實(shí)現(xiàn)的主要思路為利用 Android JNI機(jī)制提供的native調(diào)用Java函數(shù)的方式，完成類似Java方法Hook的過程。利用 這個過程，可以有效防止通過直接刪除或替換so文件實(shí)現(xiàn)攻擊。
[00"] 經(jīng)過長期對Android應(yīng)用中Java層函數(shù)Hook的研究與實(shí)驗(yàn)，大部分Java函數(shù)均可 以被Hook，表2列舉了本方案中涉及到的Java函數(shù)。
[0100] 表2可Hook的Java函數(shù)列表
[0101]
[0102] 以第一個函數(shù)Java/io/FileWriter/〈init>為例，D_Guard的實(shí)現(xiàn)代碼如圖7所示：
[0? 03 ]步驟二，待保護(hù)的Andro i d應(yīng)用程序的解析
[0104]將待保護(hù)的Android應(yīng)用程序進(jìn)行解析，生成該應(yīng)用程序的函數(shù)調(diào)用圖，并對函數(shù) 調(diào)用圖中每一個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行描述;具體過程為：
[0105] 圖4是防御網(wǎng)構(gòu)造示意圖，如圖中步驟（1)所示，構(gòu)造防御網(wǎng)，首先會對輸入的APK 或其中的DEX文件進(jìn)行解析，生成該應(yīng)用的函數(shù)調(diào)用圖，該函數(shù)調(diào)用圖存儲為一個文本文 件，文件內(nèi)容為一個列表，列表的每一項(xiàng)對應(yīng)函數(shù)調(diào)用圖中的一個函數(shù)節(jié)點(diǎn)，通過四元組〈 函數(shù)名，函數(shù)ID，前驅(qū)函數(shù)ID，后繼函數(shù)ID>進(jìn)行描述。
[0106] 步驟三，生成目標(biāo)節(jié)點(diǎn)集合
[0107] 在待保護(hù)的Android應(yīng)用程序中，選取感興趣的區(qū)域作為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，并生成目標(biāo)節(jié) 點(diǎn)集合；
[0108] 本方案中，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)指的是目標(biāo)應(yīng)用軟件中需要防篡改保護(hù)的一段區(qū)域，一般是 一個函數(shù)或代碼段。如圖4中所示，步驟(2)表示在生成函數(shù)調(diào)用圖后，根據(jù)函數(shù)調(diào)用圖和待 保護(hù)函數(shù)集合，生成目標(biāo)節(jié)點(diǎn)集合。其中，待保護(hù)函數(shù)集合由用戶定義，集合的每一項(xiàng)為該 應(yīng)用待保護(hù)的關(guān)鍵函數(shù)的函數(shù)名。生成的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)集合的每一項(xiàng)為待保護(hù)函數(shù)對應(yīng)的函數(shù) ID〇
[0109] 步驟四，構(gòu)造防御關(guān)聯(lián)
[0110] 構(gòu)造目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與防御節(jié)點(diǎn)之間、防御節(jié)點(diǎn)與防御節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系；
[0111] 如圖4所示，步驟(3)表示輸入步驟（1)(2)生成的函數(shù)調(diào)用圖和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)集合，利 用防御網(wǎng)構(gòu)造算法結(jié)合中的算法，構(gòu)造防御網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。算法包括兩類，一是 構(gòu)造目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與防御節(jié)點(diǎn)間關(guān)聯(lián)的算法;二是構(gòu)造防御節(jié)點(diǎn)與防御節(jié)點(diǎn)間關(guān)聯(lián)的算法。由 于步驟(3)中節(jié)點(diǎn)間關(guān)聯(lián)關(guān)系構(gòu)造具有一定的隨機(jī)性，因此重復(fù)步驟(3)即可得到一組互不 相同的關(guān)系集合。關(guān)系集合每一項(xiàng)表示為三元組〈節(jié)點(diǎn)ID，觸發(fā)點(diǎn)所在函數(shù)ID，對應(yīng)防御節(jié) 點(diǎn)ID>，以文本的形式存儲在XML文件中。
[0112] 提高防御節(jié)點(diǎn)安全性，可以從兩方面進(jìn)行。一是提高節(jié)點(diǎn)自身的逆向和篡改難度。 在步驟一中，本方案利用Andro id JNI機(jī)制，將防御節(jié)點(diǎn)的核心功能代碼從安全性較低的 Java層通過C重寫的方式迀移到逆向和篡改難度較高的native層。另一方面，可以通過構(gòu)造 防御網(wǎng)，在防御節(jié)點(diǎn)之間建立一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系，使得防御節(jié)點(diǎn)之間互相保護(hù)。所謂關(guān)聯(lián)，就 是在應(yīng)用中選擇合適的位置(函數(shù)體)進(jìn)行防御節(jié)點(diǎn)部署的過程，或指在應(yīng)用中已有的防御 節(jié)點(diǎn)間構(gòu)建保護(hù)關(guān)系的過程。
[0113]防御網(wǎng)由兩種節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，一是程序中需要保護(hù)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，記為g;另一種是執(zhí)行 保護(hù)功能的防御節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，是指兩個節(jié)點(diǎn)間的單向的保護(hù)關(guān)系，通常包括兩 類，第一類是由防御節(jié)點(diǎn)指向?qū)?yīng)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，記為G_>g;第二類是指由防御節(jié)點(diǎn)指向需要 保護(hù)的其他防御節(jié)點(diǎn)，記為G_>G' ；防御網(wǎng)實(shí)例如圖5所示，圖中G表示防御節(jié)點(diǎn)，g表示目標(biāo) 節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間的單向連線表示保護(hù)關(guān)系。
[0114]構(gòu)造關(guān)聯(lián)關(guān)系時，需要滿足以下約束條件a至c:
[0115] a.每個目標(biāo)節(jié)點(diǎn)至少被一個防御節(jié)點(diǎn)J_Guard進(jìn)行保護(hù)；
[0116] b.每個防御節(jié)點(diǎn)至少被除自身以外的兩個防御節(jié)點(diǎn)J_Guarc^PN_Guard保護(hù)；
[0117] c. Android應(yīng)用程序執(zhí)行時，執(zhí)行保護(hù)功能的防御節(jié)點(diǎn)必須能夠在被保護(hù)節(jié)點(diǎn)執(zhí) 行時間附近及時執(zhí)行；
[0118]對于條件a，防御網(wǎng)內(nèi)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)一般為Android應(yīng)用中的一個自定義Java函數(shù)， 設(shè)置目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與至少一個具有函數(shù)保護(hù)功能的防御節(jié)點(diǎn)（即J_Guard)進(jìn)行關(guān)聯(lián)；
[0119] 對于條件b，根據(jù)步驟一中防御節(jié)點(diǎn)構(gòu)造過程可知，每個防御節(jié)點(diǎn)的代碼部分包括 java層的觸發(fā)模塊和native層的主功能模塊，因此為了防止防御節(jié)點(diǎn)代碼被篡改，對每個 防御節(jié)點(diǎn)設(shè)置至少兩個防御節(jié)點(diǎn)進(jìn)行保護(hù)，其中一個為J_Guard，負(fù)責(zé)保護(hù)防御節(jié)點(diǎn)的觸發(fā) 模塊，其中另一個SN_Guard，負(fù)責(zé)保護(hù)防御節(jié)點(diǎn)的主功能模塊；
[0120] 對于條件c，每個目標(biāo)節(jié)點(diǎn)或防御節(jié)點(diǎn)在選擇保護(hù)自己的防御節(jié)點(diǎn)時，需要考慮保 護(hù)功能的響應(yīng)及時性。所謂響應(yīng)及時性，是指當(dāng)被保護(hù)節(jié)點(diǎn)發(fā)生篡改時，對應(yīng)的防御節(jié)點(diǎn)能 及時的監(jiān)測到該攻擊并作出響應(yīng)。因此，應(yīng)選擇程序運(yùn)行時被保護(hù)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行前后較近的防 御節(jié)點(diǎn)作為其防御節(jié)點(diǎn)。
[0121] 根據(jù)構(gòu)造關(guān)聯(lián)關(guān)系的3個約束條件，對防御網(wǎng)的構(gòu)造算法進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)與實(shí) 現(xiàn)如下：
[0122] 假設(shè)應(yīng)用中有Μ個目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，則每個目標(biāo)節(jié)點(diǎn)g的入度（In-degree)至少為1，記為 giN(i) > Ι,?^Μ；
[0123]假設(shè)應(yīng)用中Ν個防御節(jié)點(diǎn)，貝lj每個防御節(jié)點(diǎn)G的入度（In-degree)至少為2,其中對 于每個入度，至少一個終點(diǎn)為J_Guard節(jié)點(diǎn)，至少一個終點(diǎn)為N_Guard節(jié)點(diǎn)，記為GinU )= Gin-JGuard(i)+GlN-NGuard(i) 2 2，iEN，其中Gin-JGuard(i) 2 landGlN-NGuard(i) 2 1。三種防御節(jié)點(diǎn) 中，除了D_Guard外，對于J_Guarc^PN_Guard節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)的出度(Out-degree)至少為1， 記為G 0UT( i) 2 1，其中 G(i) g (Z)_ G歸-J。
[0124] 根據(jù)步驟一可知，對于D_Guard節(jié)點(diǎn)，會執(zhí)行一種Hook函數(shù)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)內(nèi)Hook的 Java函數(shù)不同，D_Guard具有不同的類型。因此，D_Guard節(jié)點(diǎn)的具體類型和數(shù)量與實(shí)際的被 保護(hù)應(yīng)用有關(guān)，同時該數(shù)量也可根據(jù)具體情況進(jìn)行人工調(diào)節(jié)，例如應(yīng)用中Java函數(shù)Java/ io/FileWriter/〈init>的調(diào)用點(diǎn)數(shù)目為20,若設(shè)置對應(yīng)該函數(shù)的D_Guard數(shù)量上限為5,則 只對原程序中的任意5處調(diào)用點(diǎn)進(jìn)行Hook處理。
[0125]對于如何滿足約束條件c，本文提出了一種基于函數(shù)調(diào)用鏈的解決方式，方法如 下：
[0126] Android應(yīng)用程序的功能實(shí)現(xiàn)是由一個個函數(shù)構(gòu)成的，當(dāng)程序運(yùn)行時，多個函數(shù)按 照一定的時間順序依次執(zhí)行，這些函數(shù)組成了一個函數(shù)調(diào)用鏈，在同一個函數(shù)調(diào)用鏈中兩 個函數(shù)在執(zhí)行時間上接近;記兩個函數(shù)之間的函數(shù)個數(shù)稱為跳數(shù)，則跳數(shù)越小，兩個函數(shù)的 執(zhí)行間隔越短，因此每個目標(biāo)節(jié)點(diǎn)或防御節(jié)點(diǎn)選擇與其跳數(shù)最小的防御節(jié)點(diǎn)作為其防御節(jié) 點(diǎn)。
[0127] 根據(jù)以上對3個約束條件的具體分析，防御網(wǎng)構(gòu)造時的主要算法如下：
[0128]
[Olzvj

[0130] 防御節(jié)AD_Guard的部署算法如下： 1
[0132]
[0133] 對于防御節(jié)點(diǎn)間保護(hù)關(guān)系的建立，其關(guān)聯(lián)算法如下：
[0134]
[0136] 步驟五，根據(jù)用戶輸入，生成對應(yīng)防御節(jié)點(diǎn)實(shí)例
[0137] 根據(jù)用戶定義的防御節(jié)點(diǎn)種類和數(shù)據(jù)，在防御節(jié)點(diǎn)模板庫中選擇對應(yīng)種類的防御 節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)代碼，生成對應(yīng)的防御節(jié)點(diǎn)實(shí)例；
[0138] 為了保證防御網(wǎng)具有良好的可擴(kuò)展性，本文防御網(wǎng)構(gòu)造方案允許通過改變防御節(jié) 點(diǎn)數(shù)量來調(diào)節(jié)防御網(wǎng)的規(guī)模。圖4步驟(4)表示根據(jù)用戶定義的防御節(jié)點(diǎn)種類和數(shù)目，在防 御節(jié)點(diǎn)模板庫選擇對應(yīng)種類的防御節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)代碼，生成對應(yīng)的防御節(jié)點(diǎn)實(shí)例，實(shí)例的觸 發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)存儲在.smal i代碼文件中，主功能模塊實(shí)現(xiàn)和關(guān)鍵信息模塊實(shí)現(xiàn)存儲在.c后綴 的代碼文件中。
[0139] 步驟六，生成并初始化防御網(wǎng)
[0140] 根據(jù)步驟四中構(gòu)造的防御關(guān)聯(lián)，結(jié)合步驟五中生成的防御節(jié)點(diǎn)實(shí)例，進(jìn)行防御網(wǎng) 的初始化，該防御網(wǎng)包括防御節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)以及防御關(guān)聯(lián)；
[0141] 如圖4,步驟(5)表示結(jié)合步驟(3)得到的防御網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)間關(guān)聯(lián)關(guān)系集和步驟(4)生 成的防御節(jié)點(diǎn)實(shí)例，進(jìn)行防御網(wǎng)的初始化。具體初始化過程包括:首先會解析步驟(3)得到 的一組節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)關(guān)系集合，獲取各節(jié)點(diǎn)編號，對應(yīng)觸發(fā)模塊綁定函數(shù)ID，然后計(jì)算各防御節(jié) 點(diǎn)對應(yīng)保護(hù)目標(biāo)的hash值，最后根據(jù)以上