Automatische Modellierung des Lebenszyklus von Android-Anwendungen

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1 Institut für Programmstrukturen und Datenorganisation (IPD) Lehrstuhl Programmierparadigmen Prof. Dr.-Ing. Gregor Snelting Diplomarbeit an der Fakultät für Informatik Automatische Modellierung des Lebenszyklus von Android-Anwendungen Und die Verwendung dieses Modells im Rahmen einer IFC-Analyse Diplomarbeit von Tobias Blaschke

2 Agenda 1 Motivation Aufbau von Android Applikationen Notwendigkeit des Modells 2 Modellierung der Einsprungspunkte Auffinden der Einsprungspunkte Setzen des Instanziierungsverhaltens Synthese des Modells 3 Auflösung von Intents und System Services Beschreibung von Intents Behandlung innerhalb des Modells 4 Implementierung in WALA Weitere neue Programmteile Beispielhafte Analysen Tobias Blaschke Automatische Modellierung des Lebenszyklus von Android-Anwendungen 7. April /16

3 Aufbau von Android Apps Zunächst unabhängige Komponenten Mehrere Einsprungspunkte pro Komponente Einbeziehung von Komponenten fremder Applikationen Android Betriebssystem Anforderung: Anwendungsfenster zeigen Wird sichtbar Andere Anw. kommt in Vordergr. Speichermangel Anwendung Anwendung Activity Activity oncreate onstart onpause ondestroy Activity initialisiert Läuft im Vordergund Ausführung unterbrochen Speicher freigegeben finish() Tobias Blaschke Automatische Modellierung des Lebenszyklus von Android-Anwendungen 7. April /16

4 Notwendigkeit des Modells Bisheriger Zustand Werkzeuge nur auf einen Einsprungspunkt ausgelegt Intents nicht gesondert Behandelt Das Problem Einsprungspunkte nur einzeln analysierbar Beziehungen zwischen Einsprungspunkten nicht berücksichtigt Datenaustausch über statische Variablen Auflösung von Intents würde benötigen Die Lösung String-Analyse Reflection Datei Einlesen Generierung eines Lebenszyklus-Modells Modellierung von Intents Implementierung in einer Bibliothek Modularität ermöglicht leichte Anpassung Tobias Blaschke Automatische Modellierung des Lebenszyklus von Android-Anwendungen 7. April /16

5 Agenda 1 Motivation Aufbau von Android Applikationen Notwendigkeit des Modells 2 Modellierung der Einsprungspunkte Auffinden der Einsprungspunkte Setzen des Instanziierungsverhaltens Synthese des Modells 3 Auflösung von Intents und System Services Beschreibung von Intents Behandlung innerhalb des Modells 4 Implementierung in WALA Weitere neue Programmteile Beispielhafte Analysen Tobias Blaschke Automatische Modellierung des Lebenszyklus von Android-Anwendungen 7. April /16

6 Auffinden der Einsprungspunkte Erstellung einer Klassenhierarchie Selektion anhand Deskriptor von Methoden Vererbungsbeziehungen Vergleich mit fest codierter Liste 213 Einträge Information über Positionierung relativ zu Anderen Einsprungspunkten Virtuellen Positionen Labels Berücksichtigung durch Heuristik Call-Back Funktionen Überraschende Leaks (z.b. tostring) Keine Information über Position Tobias Blaschke Automatische Modellierung des Lebenszyklus von Android-Anwendungen 7. April /16

7 Anordnung der Einsprungspunkte Anordnung in Sektionen Beginnen mit einem Label Acht feste Sektionen Beliebig weitere Spezielles Verhalten an Sektionsgrenzen Beliebiger Code einfügbar Einfügen von Schleifen Verhalten gemäß eines abstrakten Modells Berücksichtigung von UI-Interaktion Überschattung von Anzeigen Neustart wegen Speicherknappheit Tobias Blaschke Automatische Modellierung des Lebenszyklus von Android-Anwendungen 7. April /16

8 Setzen des Instanziierungsverhaltens Verhalten ist einem Datentyp zugeordnet Derzeit Zwei Arten REUSE-Verhalten Variable wird Argument des Modells Einmischen von Rückgabewerten Oft zu Konservativ CREATE-Verhalten Neue Instanz bei jedem Auftreten Verlust von Abhängigkeiten Weitere Verhalten Vorbereitet Abhängig von Einsprungspunkt Abhängig von Komponente Tobias Blaschke Automatische Modellierung des Lebenszyklus von Android-Anwendungen 7. April /16

9 Aufbau des Modells Tobias Blaschke Automatische Modellierung des Lebenszyklus von Android-Anwendungen 7. April /16

10 Synthese des Modells Klasse com.ibm.wala.androidmodelclass enthält: Anfangs ein Modell: Makro-Modell aller Komponenten Intent-Modell Application-Einsprungspunkte ContentProvider Eine Zielkomponente (z.b. Main-Intent) Eine Wrapper-Methode Initialisiert REUSE-Parameter Initialisiert Android-Komponenten (optional) Einstellung: doflatcomponents In AndroidModelClass hinterlegt Setzen des Android-Aufruf-Kontext Ruft Modell auf Aufruf von CallBacks für den Rückgabewert Tobias Blaschke Automatische Modellierung des Lebenszyklus von Android-Anwendungen 7. April /16

11 Agenda 1 Motivation Aufbau von Android Applikationen Notwendigkeit des Modells 2 Modellierung der Einsprungspunkte Auffinden der Einsprungspunkte Setzen des Instanziierungsverhaltens Synthese des Modells 3 Auflösung von Intents und System Services Beschreibung von Intents Behandlung innerhalb des Modells 4 Implementierung in WALA Weitere neue Programmteile Beispielhafte Analysen Tobias Blaschke Automatische Modellierung des Lebenszyklus von Android-Anwendungen 7. April /16

12 Intents Besteht aus Aktion optionaler URL m:n-mapping zu Komponenten Explizites Intent Aktion lautet auf Klassennamen Ziel eindeutig Implizites Intent Mehrere potentielle Ziele Benutzer wird gefragt 1 1 Es sei denn bei startfirstmatching Tobias Blaschke Automatische Modellierung des Lebenszyklus von Android-Anwendungen 7. April /16

13 Intents innerhalb Androids Tobias Blaschke Automatische Modellierung des Lebenszyklus von Android-Anwendungen 7. April /16

14 Umsetzung von Intents innerhalb des Modells Macro-Modell App Activity 1 Wrapper Externes Ziel Mini-Modell Activity 2 Wrapper Externes Ziel Micro-Modell Activity 3 Wrapper Service 1 Tobias Blaschke Automatische Modellierung des Lebenszyklus von Android-Anwendungen 7. April /16

15 Feststellen der Ziele von Intents Bei Aufruf einschlägiger Funktionen (z.b. Intent-Constructor) Behandlung durch IntentContextSelector Argument konstant Wert auslesbar Wert mit Schlüssel in einer Struktur hinterlegt Bei Auftritt einer Start Funktion Zuweisung eines sogenannten IntentContext Redirektion basierend auf diesem IntentContext Neue Art von WALA-Kontext (IntentContext) Zusätzlich zu bisherigem Kontext Enthält hinterlegte Informationen Tobias Blaschke Automatische Modellierung des Lebenszyklus von Android-Anwendungen 7. April /16

16 Ersetzung des Aufrufes Zielauflösung anhand des IntentContext Nachschlagen in einer Tabelle Ziel eindeutig und intern aufgelöst Erstellung eines MicroModel Enthält Einsprungspunkte der Zielkomponente Ziel eindeutig und extern aufgelöst Erstellung einer Dummy-Funktion Emuliert Beziehungen zwischen erreichbaren Daten Ziel ist unbekannt Erstellung eines MiniModel für passenden Komponententyp Enthält Einsprungspunkte aller passenden Komponenten Aufruf des Extern-Verhaltens Ziel ist ein System-Service Rückgabe einer neuen Instanz der passenden Klasse Ersetzung der Intermediate Representation der Start-Funktion Tobias Blaschke Automatische Modellierung des Lebenszyklus von Android-Anwendungen 7. April /16

17 Agenda 1 Motivation Aufbau von Android Applikationen Notwendigkeit des Modells 2 Modellierung der Einsprungspunkte Auffinden der Einsprungspunkte Setzen des Instanziierungsverhaltens Synthese des Modells 3 Auflösung von Intents und System Services Beschreibung von Intents Behandlung innerhalb des Modells 4 Implementierung in WALA Weitere neue Programmteile Beispielhafte Analysen Tobias Blaschke Automatische Modellierung des Lebenszyklus von Android-Anwendungen 7. April /16

18 Weitere neue Programmteile ToolBox für synthetische Methoden Typsichere Instruktionen Verwaltung von SSA-Variablen Referenzierung über Namen Vermeidung von Mehrfachzuweisungen Export von Variablennamen in den SDG Helfer für Instanziierung Konvertierung von SuSi-Daten Automatische Selektion von Quellen und Senken Annotation mit mehrwertigem Sicherheitsverband Hilfsprogramm für die Generierung von Stubs Hinzufügen von Klassen in Vanilla-Stubs Textersetzungen Tobias Blaschke Automatische Modellierung des Lebenszyklus von Android-Anwendungen 7. April /16

19 Vergleich mit FlowDroid anhand von DroidBench DroidBench Entwickelt an der TU-Darmstadt Android-spezifische und generelle Tests FlowDroid Entwickelt an der TU-Darmstadt Soot-basiert FlowDroid JoDroid beschränkt JoDroid komplett Anzahl Tests Zu findende Schwachstellen Verpasste Schwachstellen Überapproximation Tobias Blaschke Automatische Modellierung des Lebenszyklus von Android-Anwendungen 7. April /16

20 Stärken und Schwächen JoDroids Stärken Auflösung von Intents Rückgabewerte von Komponenten Zuordnung von System-Services Flexibel wählbare Konservativität Offene Arbeiten Gleichzeitige Analyse mehrerer Apps Exception-Analyse Reflection String-Analyse UI-CallBacks aus Ressourcen-Dateien Tobias Blaschke Automatische Modellierung des Lebenszyklus von Android-Anwendungen 7. April /16

21 Zusammenfassung Notwendigkeit des Modells Modell zum Analysestart Auflösung von Intents Weitere Programmteile DroidBench-Analysen Macro-Modell App Activity 1 Wrapper Externes Ziel Mini-Modell Activity 2 Wrapper Externes Ziel Micro-Modell Activity 3 Wrapper Service 1 Vielen Dank! Tobias Blaschke Automatische Modellierung des Lebenszyklus von Android-Anwendungen 7. April /16

22 Quelltext-Statistiken Zeilen Davon Kommentare com.ibm.wala.dalvik ,86% 4 com.ibm.wala.util ,09% 4 com.ibm.wala sonstige ,36% 4 Summe WALA ,45% 2 edu.kit.joana.wala.jodroid ,94% 4 JOANA sonstige ,52% 4 Summe JOANA ,13% 2 SuSi2Joana ,26% 5 StubsBuilder ,44% 5 Gesamtsumme ,82% 2 Quelle: gitinspector Berechnet aus gitinspector Ausgabe 4 Berechnung aus mehreren gitinspector Durchläufen 5 Quelle: manuelle Auszählung, vim, grep, wc, bc Tobias Blaschke Automatische Modellierung des Lebenszyklus von Android-Anwendungen 7. April /16

23 Analyse einer Real-World-Application Analyse von Insecure Bank Vorbereitende Arbeiten Überführung in ein analyseäquivalentes Programm Entfernen von Einsprungspunkten mit Object-Parametern Entfernen von Support-Bibliotheken Anpassung der Stubs Durchführung der Analyse Quellen und Senken unter Berücksichtigung von Stubs und Exclusions Bewertung des Ergebnis Berechnung von Chops Tobias Blaschke Automatische Modellierung des Lebenszyklus von Android-Anwendungen 7. April /16