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Android恶意代码动态分析:基于沙箱的系统与有效性验证
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更新于2024-07-02
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随着3G网络在中国的快速发展,Android智能手机因其开源性和高性价比逐渐成为市场的宠儿。然而,这种增长也带来了安全隐患,因为针对Android平台的恶意代码数量剧增,对用户的设备安全构成了严重威胁。传统的安全解决方案主要依赖于静态分析,这种手段无法有效检测程序在运行时执行的恶意操作,且动态分析方法在稳定性和效率上尚存挑战。 本文深入研究了这个问题,提出了一个基于虚拟机层的动态分析技术,它与传统静态分析不同,通过主动监控和记录恶意程序的运行行为,捕捉恶意代码在执行过程中的关键动作。作者设计了一套新的基于沙箱的Android恶意代码行为分析系统。这个系统的核心是修改Android的原生系统,对敏感数据的流向进行实时追踪,确保数据安全。系统通过定义和嵌入数据标签,利用Binder IPC机制在程序间传递这些标签,以便在数据传输过程中提取有用信息。同时,系统具备日志记录功能,记录关键数据的流动情况。 为了验证系统的有效性,文章设计了两种类型的测试样本:一是模拟常见恶意行为特征的应用程序,涵盖了文件访问、获取敏感信息和后台网络连接等功能;二是真实的恶意代码样本,对比分析系统的性能和识别能力。这种设计能够更全面地反映恶意代码的典型行为模式。 该分析系统的优点在于它能在运行时动态地监控程序行为,对敏感数据的保护更为精确,弥补了静态分析的局限。通过在虚拟机层面嵌入标签,系统能够隐藏沙箱的存在,降低恶意代码发现和逃避检测的可能性,从而增强整体的安全防护能力。本文的工作为提高Android平台的安全性提供了一种创新的动态分析策略,对于提升移动设备的安全管理水平具有重要意义。
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电子科技大学硕士学位论文
6
文献
[22]
提到沙箱作为动态分析技术中的一种,是分析移动平台恶意代码非常
有潜力的一个发展方向。目前沙箱技术的应用还很少,并同时存在一些问题
[22]
。
以下几篇文献使用到了沙箱技术进行分析。
文献
[23]
在 Android 模拟器环境中放置了一个 LKM 模块(Loadable Kernel
Module),构建了一个沙箱系统,从内核底层拦截并记录所有系统调用日志
[23]
,明
确提出了沙箱技术。然而修改 Linux 内核底层会导致 Android 模拟器运行极不稳定,
并且该文献仅使用了自动工具模拟用户交互过程
[5]
,而没有进行真实的操作。
Asaf Shabtai 等在另一篇文献中设计了 SELinux 系统,并部署在了 Android 系
统中。SELinux 弥补了高权限等级进程的缺陷,在 HTC G1 手机上进行的实验表明
在 Android 手机上运行 SELinux 具备可行性
[24]
。但 SELinux 的策略维护比较繁琐,
而手机有限的计算和存储能力不是十分适合该系统的运行。
文献
[25]
提出了一种监视系统,它能自动监控数据的发送和存储等情况。当数
据以危险的方式使用时,该系统会自动记录数据内容及使用数据的程序信息
[25]
。
然而该系统是在 Linux 底层插入的监控部分的代码,很容易造成系统运行不稳定甚
至崩溃。
另外,还存在一些结合静态和动态分析方法,以及使用支持向量机进行分析
的方案。
Engin Kirda 等
[26]
对基于 BHO 接口(Browser Helper Object)的恶意代码进行
了研究,该类恶意代码的一般特征是使用 BHO 和工具栏接口监控用户浏览习惯。
该文献结合使用静态和动态分析方法来分析 BHO 的行为特征
[26]
。作者在文章最后
还使用一组典型的间谍软件对系统进行了测试,测试结果表明使用抽象行为特征
分析恶意组件是可行的,且结果比较准确,不过该文献提出的方法的适用对象范
围比较窄,仅适用于基于 BHO 接口的恶意代码。
为解决机器学习需要大量训练样本的缺陷,Lewis 和 Gale 等
[27]
首先提出了主
动学习的方法。文献
[28]
在此基础上实现了 SVM(Support Vector Machine)主动学
习算法,减少了训练样本需求量,达到了更高的分类准确性
[28]
。从论文后续的测
试可以看出其准确率较高,但同时其分析过程比较耗时
[28]
。
1.3 论文研究工作
基于上述研究情况,本论文对 Android 平台恶意代码的分析方法进行了探索和
研究,完成了以下工作:
万方数据
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第一章 引言
7
(1) 从研究背景和意义出发,分析了当前 Android 平台的发展趋势,以及面临
的安全威胁概况和造成恶劣的安全形势的深层次原因;根据研究现状,深入研究
了已提出的一些分析系统的实现机制、效果和存在的缺陷。
(2) 详细阐述了 Android 平台安全机制的构成,以及由应用程序间数据共享机
制带来的安全设计缺陷,并对 Android 平台恶意代码的分类和危害作了细致的讨
论。然后对比、总结了现有理论的优势和劣势,提出了应用动态分析技术分析
Android 平台恶意代码的方法。
(3) 基于动态分析技术中的沙箱技术和标签动态跟踪技术,探索了结合二者实
现沙箱的方法,采用在 Android 操作系统应用程序框架层和底层监控、记录程序行
为的方式,提出了一种新的基于沙箱的 Android 平台恶意代码行为分析(Android
Malware Behavior Analysis,AMBA)方法。该方法的核心在于跟踪标签在系统和
应用程序间的传递,并根据不同标签的性质输出对应的信息。
(4) 根据前边提出的结合沙箱和标签动态跟踪技术的方法,在 Android 原生系
统的基础上,构建了新的沙箱系统,用于分析应用程序在运行期间使用数据的方
式。同时也在 Ubuntu 系统上实现了外部脚本,使得沙箱生成的信息能够经过脚本
在 Ubuntu 系统上输出。
(5) 对该系统进行了系统化的测试,其中测试过程选用了不同种类的样本,分
别显示出了不同的效果。通过深入分析测试结果,验证了本文提出的方法的正确
性,并发现了该方法的不足,以及今后可以改进的研究方向。
在研究过程中,本文不同于现有研究方法的创新之处主要体现在以下几个方
面:
(1) 将计算机代码动态分析方法中的沙箱技术的实现放到了 Dalvik 虚拟机层,
而不是放在 Linux 内核层,使得该系统易于日后的移植,能弥补不能跨平台操作的
缺陷,并且避免了修改 Linux 内核造成的系统不稳定、甚至崩溃的情况。
(2) 结合了标签动态跟踪技术和沙箱系统的优点,使用标签动态跟踪来实现沙
箱,使得标签的跟踪过程对上层应用透明,对系统造成的负担较小,且不易被恶
意代码发现。
1.4 论文组织结构
本文的一共分为六章,每章的安排具体如下所示:
第一章对论文的研究背景与国内外研究现状进行介绍,说明本文的研究意义,
万方数据
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电子科技大学硕士学位论文
8
并描述本文所做的工作。
第二章首先介绍 Android 平台及其面临的恶意代码威胁,然后对各种分析理论
的优劣进行分析。
第三章详细阐述基于沙箱的 Android 平台恶意代码行为分析方法的理论基础、
实现原理,以及基于该思路的具体分析流程。
第四章设计基于沙箱的 Android 平台恶意代码行为分析系统,详细阐述开发环
境的搭建、各模块的实现细节以及所使用的关键技术。
第五章对本文提出的分析系统进行测试,验证本文提出的分析方法的正确性,
并深入分析实验结果。
第六章总结本文工作,探讨本文提出的方法的优势与不足,以及针对不足的
改进方向,并展望该领域今后的发展趋势。
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第二章 Android 平台恶意代码及其分析
9
第二章 Android 平台恶意代码及分析
2.1 Android 操作系统
Android 是一种以 Linux 为基础的开放源码操作系统,主要使用于便携设备。
它由 Google 公司和开放手持设备联盟(OHA,Open Handset Alliance)开发和领导。
Android 的系统架构和其它操作系统一样,采用了分层的架构。如下面的架构图所
示,Android 分为四个层,从高层到低层分别是应用程序层、应用程序架构层、系
统运行库层和 Linux 核心层
[29]
。
应用层
Home Contacts Phone Browser
„
Activity
Manager
Window
Manager
Content
Providers
View
System
Notification
Manager
应用程序框架层
Package
Manager
Telephony
Manager
Resource
Manager
Location
Manager
XMPP Service
Display
Driver
Camera
Driver
Bluetooth
Driver
Flash Memory
Driver
Binder(IPC)
Driver
Linux 内核
USB Driver
Keypad
Driver
WiFi Driver Audio Drivers
Power
Management
Surface
Manager
OpenGL|ES
SGL
Media
Framework
FreeType
SSL
SQLite
WebKit
libc
函数库
Core Libraries
Dalvik Virtual
Machine
Android运行时
图 2-1 Android 系统架构
应用程序层包含一个核心应用程序集合,包括电子邮件客户端、日历、地图、
浏览器、联系人和其他设置,所有应用程序用 Java 语言编写。
应用程序框架层允许开发者完全访问核心应用程序使用的 API 框架,该架构
简化了组件的复用,提供了一系列的服务, 包括视图、Content Provider、资源管理
器、通知管理和 Activity 管理器等
[30]
。
系统运行库层包含一个 C/C++库的集合,供 Android 系统的各个组件使用。除
万方数据
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