结合动态加载和函数Native化的DEX保护方法

摘要

本发明涉及结合动态加载和函数Native化的DEX保护方法，属于计算机与信息科学技术领域中Android平台APP加固技术的一种。本发明第一步对应用的APK文件进行加固修改，加固过程首先通过apktool工具反编译应用APK文件，获取AndroidManifest.xml文件，修改应用启动入口，然后利用输入的待保护方法列表，生成植入代码，并植入原始DEX文件反编译得到的smali文件，重新生成DEX文件并重构，最后对DEX文件加密，输出得.jar，并重新打包生成APK。本发明第二步在APP运行过程中修改进程内存，首先启动壳DEX，运行植入的启动代码对原始DEX文件加密和动态加载,并重定向被保护的方法，接着，在函数调用时执行自定义的代码恢复被调用方法，调用原始函数，完成函数调用。

权利要求

1.结合动态加载和函数Native化的DEX保护方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：步骤1，对APK文件加固修改阶段，首先对应用APK进行反编译，修改应用启动入口，接着利用输入的待保护方法列表生成植入代码，植入原smali文件，然后进行DEX重构，包括DEX函数抽取和DEX文件加密，其中DEX函数抽取分为函数定位和函数变换；

步骤2，应用启动阶段，首先执行壳DEX，执行自定义的系统启动入口，运行植入的启动代码，完成对源DEX文件的动态加载和加密，并进行被保护函数的重定向；

步骤3，应用运行中的函数调用阶段，首先进行函数自修改，包括DEX文件内存定位，函数信息获取和函数修改，接着进行函数调用，返回结果，完成整个函数的执行过程。

2.根据权利要求1所述的结合动态加载和函数Native化的DEX保护方法，其特征在于：步骤1中DEX函数抽取中的函数变换，将access_flags赋值为access_flags|ACC_NATIVE，实现了Java函数的Native化。

3.根据权利要求1所述的结合动态加载和函数Native化的DEX保护方法，其特征在于：步骤2中对函数进行重定向，将函数的Method‑>nativeFunc地址设置为自定义函数接口重定向函数。

4.根据权利要求1所述的结合动态加载和函数Native化的DEX保护方法，其特征在于：步骤3中函数自修改的DEX文件内存定位阶段，函数调用时，传递一个指向Method结构体指针method，指针指向所调用函数的Method结构体。

5.根据权利要求1所述的结合动态加载和函数Native化的DEX保护方法，其特征在于：步骤3中函数自修改的函数信息获取阶段，通过Method结构体ClassObject类的属性char*descriptor指向的字符串获取类名，通过Method结构体属性char*name指向的字符串获取函数名，通过DexProto结构体的属性protoIdx获取函数声明索引值。

6.根据权利要求1所述的结合动态加载和函数Native化的DEX保护方法，其特征在于：步骤3中函数调用阶段，通过Native形式的Method的insns字段找到Java形式的Method，通过反射方式，在native层调用Java函数。

说明书

结合动态加载和函数Native化的DEX保护方法

技术领域

[0001] 本发明涉及结合动态加载和函数Native化的DEX保护方法，属于计算机与信息科学技术领域。

背景技术

[0002] Android APP的核心业务逻辑通过Java实现，最终被编译成了DEX文件。DEX的安全问题是APP安全的核心，未加固的DEX文件不具备自我保护能力，需要针对性地对DEX进行保
护，继而保证APP的安全性。本发明提出结合动态加载和函数Native化的DEX保护方法，使
Java函数在内存中始终为Native形式，对抗动态恢复和动态脱壳攻击。

[0003] 针对DEX文件的保护方法需要解决的基本问题是：保护Java函数在内存中的信息，避免DEX容易受到动态恢复和动态脱壳攻击。综观现有的DEX文件保护方法，通常使用方法
可归为四类：

[0004] 1.基于代码混淆的DEX保护方法

[0005] 代码混淆技术是相对通用和成熟的方法，随着混淆技术的发展，已经出现了多个实用的混淆工具。其中包括针对Java源码的混淆工具，如Smardec公司的Allatori，针对
Android程序的混淆工具，如GuardSquare公司的ProGuard，以及它的增强版DexGuard和针
对DEX文件的混淆工具，如AIRO等。

[0006] 代码混淆技术虽然可以降低代码可读性，提高逆向分析的难度，但是攻击者仍然可以直接获取源码，也不影响动态调试的流程，而且存在着混淆失败的风险，给APP新增漏
洞，因此代码混淆只是DEX保护初级的保护方案。

[0007] 2.基于动态加载的DEX保护方法

[0008] 基于动态加载的DEX保护方法，通过对DEX文件整体加密，并将加密后的DEX移动到其他目录，然后在APK文件的根目录下加入壳DEX。当APP启动时，系统加载壳DEX，壳DEX解密
并动态加载DEX文件。这种方法将DEX文件作为一个整体进行加载，加载到内存中的DEX文件
是完整的。这种保护方法对内存dump等动态逆向方法的防护作用很小。

[0009] 3.基于Java函数动态恢复的DEX保护方法

[0010] 基于Java函数动态恢复的保护方法是更深层次的保护方法。以Java函数为基本单位进行DEX保护。目前国内大部分公司采取这样的方法，包括娜迦、腾讯乐固、梆梆、360、爱
加密等。方法有效改进了基于动态加载的DEX保护方法在内存中的完整性问题。如梆梆的加
固方法首先通过壳DEX去动态加载原始的DEX文件，但DEX文件在内存中是不完整的，部分函
数的代码被剥离。该方法Hook了dvmResolveClass函数，当类被加载时，该函数被执行，此时
对类中的被抽取的代码进行还原，填充Method结构体，完成动态恢复的过程。同时也保证了
DEX文件的不完整性。

[0011] 对于Java函数动态恢复的方法，内存中的DEX文件是不完整的。经过动态恢复的函数，虽然其在DEX文件中被描述是Native方法，但是其在内存中已经被还原成一个Java函
数。可以通过遍历class_data_item中所有类的所有函数，并获取该函数在内存中的Method
结构体信息，比较Method结构体对函数的描述和DEX文件对函数的描述，如果不一致，以
Method结构体为准。这样可以完成对已经加载过的类的函数进行恢复。

[0012] 4.基于虚拟机保护的DEX保护方法

[0013] 基于虚拟机保护(VMP)的DEX保护方法是目前安全性较高的一种保护方法。VMP技术通过自定义指令集和解释器，将DEX中函数的字节码全部替换成自定义的指令，运行过程
中，由自定义的解释器进行解释执行，从而使得内存中不会出现真实的字节码。基于虚拟机
保护的DEX保护方法，由于其对每一条指令都进行解释执行，时间和空间损耗较大，同时由
于Android系统的开源性，系统差异性较大，VMP的兼容性较差，主要用于一些关键的函数保
护。

[0014] 综上所述，现有DEX文件保护方法难以对DEX文件进行函数级的保护，实现函数的Native化，所以本发明提出结合动态加载和函数Native化的DEX保护方法。

发明内容

[0015] 本发明的目的是实现Java函数级的DEX保护，提出结合动态加载和函数Native化的DEX保护方法。

[0016] 本发明的设计原理为：首先对应用的APK文件进行加固修改，包括更换APP启动入口，代码植入，DEX重构，应用加壳几个步骤；然后进入在APP运行过程中修改进程内存的启
动阶段，包括动态加载和函数重定向；最后进入在APP运行过程中修改进程内存的函数调用
阶段，包括函数自修改和函数调用，最终实现动态加载和函数Native化的DEX保护。

[0017] 本发明的技术方案是通过如下步骤实现的：

[0018] 步骤1，对应用的APK文件进行加固修改。

[0019] 步骤1.1，通过apktool工具反编译应用APK文件，获取AndroidManifest.xml文件，修改应用启动入口。

[0020] 步骤1.2，利用输入的待保护方法列表，生成植入代码。

[0021] 步骤1.3，反编译原始DEX文件，得到smali文件，向其中植入步骤1.2中生成的植入代码，并生成DEX文件。

[0022] 步骤1.4，DEX重构第一阶段DEX函数抽取，包括函数定位和函数变换。

[0023] 步骤1.5，DEX重构第二阶段DEX文件加密。

[0024] 步骤1.6，应用加壳生成加固后的APK。

[0025] 步骤2，在APP运行过程中修改进程内存的启动阶段。

[0026] 步骤2.1，动态加载。

[0027] 步骤2.2，函数重定向。

[0028] 步骤3，在APP运行过程中修改进程内存的函数调用阶段。

[0029] 步骤3.1，函数自修改。

[0030] 步骤3.2，函数调用。

[0031] 有益效果

[0032] 相比于基于动态加载的DEX保护方法，本方法在防止静态攻击的同时，通过函数Native化，可以保证内存中DEX文件的不完整性，对抗动态脱壳攻击。

[0033] 相比于基于Java函数动态恢复的DEX保护方法，本方法使得函数始终是Native函数，不能通过获取Method结构体信息来动态恢复DEX文件。

[0034] 相比于虚拟机保护的DEX保护方法，本方法的时间增量与函数本身无关，对于执行时间较长的函数，时间损耗更少。

附图说明

[0035] 图1为本发明结合动态加载和函数Native化的DEX保护方法的对应用的APK文件进行加固修改的原理图。

具体实施方式

[0036] 为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合实例对本发明方法的实施方式做进一步详细说明。

[0037] 具体流程为：

[0038] 步骤1，对应用的APK文件进行加固修改。

[0039] 步骤1.1，修改应用启动入口，首先点击桌面图标，触发点击事件，Launcher进程与AMS通信；然后AMS通过Socket向Zegote进程发送创建进程请求；接着Zegote进程Fork自身，
新建一个应用进程；接着进入应用进程，应用进程调用ActivityThread类的main函数作为
应用程序的入口；然后调用attach函数初始化应用信息；接着调用Application类中经过重
载的attachBaseContext配置应用上下文，最后执行Application的onCreate()方法，进入
应用程序。

[0040] 步骤1.2，生成植入代码，首先修改代码文件，即读取待保护的函数，并将类名和函数名添加入代码集，然后进行Java编译，将Java代码编译成Dalvik虚拟机可执行的字节码。

[0041] 步骤1.3，植入代码，将原始DEX文件反编译后的smali文本集和植入代码的smali文本集合并，并转为DEX文件。

[0042] 步骤1.4，DEX重构第一阶段DEX函数抽取，首先遍历string_id段找到类名字符串和函数名字符串对应的string_id，接着遍历type_id段，确定类type_id值，然后遍历
class_def段，根据type_id确定类的class_def_item，接着遍历method_ids段，根据函数名
string_id和所属类的type_id确定method_id，然后遍历class_data_item的所有函数，根
据method_id确定偏移code_off，完成函数定位；接着函数变为Native的方法，即将access_
flags赋值为access_flags|ACC_NATIVE，其中ACC_NATIVE值为0x100，access_flags在成员
函数的encode_method结构字段中，完成函数变换。

[0043] 步骤1.5，DEX重构第二阶段DEX文件加密，首先利用密钥种子通过自定义的一系列操作生成一个密钥，然后利用密钥对DEX文件加密，解密程序中保存密钥种子，完成对DEX文
件的整体加密。

[0044] 步骤1.6，应用加壳生成加固后的APK，首先将原始的DEX文件经过DEX重构后变成.jar文件，并移动到/assets文件夹，在原DEX位置插入壳DEX文件，在/libs下插入用于脱壳
的动态库，对加壳后的APK重新编译和签名，生成加壳后的APK文件。

[0045] 步骤2，在APP运行过程中修改进程内存的启动阶段。

[0046] 步骤2.1，动态加载，首先打开加密后的DEX文件，读取密钥种子生成密钥，对内存中的DEX文件镜像解密，解密结果仍然存在内存之中，接着将解密后的DEX文件在内存中的
地址构造一个u4参数，调用openDexFile进行加载，然后通过NDK方式修改DexFile对象的
cookie值，最后新建源DEX的Application对象，调用Application的attach方法，完成对源
DEX动态加载和启动。

[0047] 步骤2.2，函数重定向，通过将函数的method‑>nativeFunc地址设定为自定义函数接口，重定向函数，其中自定义函数接口的原型为void hookedMethodCallback(const u4*
args,JValue*pResult,const Method*method,::Thread*self)。

[0048] 步骤3，在APP运行过程中修改进程内存的函数调用阶段。

[0049] 步骤3.1，函数自修改，首先通过一个指向Method结构体指针method，定位当前被调用的函数所在的DEX文件在内存中的位置；然后获取函数的信息，包括所属类的类名
(Method结构体ClassObject类的属性char*descriptor指向的字符串)、函数名(Method结
构体属性char*name指向的字符串)、函数声明索引编号(DexProto结构体的属性
protoIdx)；最后通过遍历DEX中函数抽取区域的被保护函数信息，匹配以上三个特征，找到
code_item在内存中的位置，读取信息并修改Method的值。

[0050] 步骤3.2，函数调用，首先通过Native形式的Method的insns字段找到Java形式的Method，通过反射方式，在native层调用Java函数。反射调用的函数原型为
dvmInvokeMethod(thisObject,meth,argList,params,returnType,true)；调用
dvmInvokeMethod之后，返回结果，完成整个函数执行过程。

[0051] 测试结果：实验基于结合动态加载和函数Native化的DEX保护方法，通过静态分析实验可以得出，结合动态加载和函数Native化的DEX文件保护方法利用动态加载方式，可以
保护APP原代码不被反编译和逆向分析，防止DEX被静态分析；通过动态脱壳实验可以得出，
通过对函数的Native化处理，可以保证DEX文件在内存中始终是不完整的，从而可以对抗内
存dump攻击；通过Native化验证实验可以得出，通过本发明方法保护DEX，在应用运行阶段，
被保护的函数始终是一个Native函数，实现了函数的Native化；通过性能分析实验可以得
出，a)经过函数抽取保护的DEX，每一个被保护函数的执行时间将会有等量的延长；b)方法
更适合于保护执行时间较长的函数。

[0052] 以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范
围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明
的保护范围之内。