Android安全的研究现状与展望
卿斯汉1,2,3
（1.中国科学院软件研究所，北京；
2.北京大学软件与微电子学院，北京；
3.中国科学院信息工程研究所信息安全国家重点实验室，北京）
摘 要：Android是目前最受用户欢迎的智能手机操作系统，与此同时，其安全态势也日益严重。介绍了Android版本更新的发展历程、Android系统的特色、Android的安全机制、Android的安全隐患分析、Android恶意软件与攻击、Android的分析与防御。最后，阐述了Android安全的研究现状与发展趋势以及今后可能的研究方向。
关键词：Android系统；安全机制；安全隐患；恶意软件；分析与防御
1引言
Android是目前最受用户欢迎的智能手机操作系统。根据Gartner[1]的统计数据，Android在年第4季度的市场占有率已经高达80.7%，iOS仅占有17.7%的市场份额，其余如Windows、黑莓等则远远落后，具体见表1。
与此同时，Android的安全态势也日益严重。为了适应不断变化的市场需求，并不断改善手机的安全性能，Android系统的版本更新速度很快。表2是Android版本的更新历史，包括不同的版本代码、版本号、首次发行日期以及相应的API级别。
例如，当前最新的Marshmallow版本（API23）主要聚焦对前一个版本（Lollipop版本（API21、API22））的用户体验改进。主要的改进包括：引入一个新的权限架构；引入一个新的支持上下文的API，可与Google（谷歌）搜索App的新特性“NowonTap（随时应用）”配合使用；引入一个新的电源管理系统，可以在不访问手机时减少设备的后台活动；增加对指纹识别的本地支持等。Lollipop版本最重要的改进之一是：Google推出了一种新的称为“质感设计（materialdesign）”的设计语言，重新设计了用户界面。其特点是：可以在用户界面生成动画，动画是仿照真实的物理世界生成的。并且，该设计语言具有跨平台的特点。其他改进包括：对通知的改进（即使在锁屏时也能访问通知）；Android运行时（Androidruntime，ART）正式取代Dalvik虚拟机，改善应用性能；优化电池使用等。又如，在Android2.3版本后增加了基于硬件的NX（noexecute）支持，不允许在堆和栈中执行代码。在Android4.0后，增加了“地址空间布局随机化(addressspacelayoutrandomization,ASLR)功能，防止内存相关攻击。为防止内核级提权攻击，Android4.3后增加了具有强制访问控制机制的SELinux支持。
有时，Android也会删除一些过时或有害的特征。例如，为防止“Setuid()-RLIMIT_NPROC交互”型漏洞利用，Android4.3版本之后撤消了对setuid()/setgid()的支持。又如，Android4.3版本未加声张地引入了一个名为AppOps的新特征，使用户可以有选择地禁止App安装时请求的某些权限，从而改进Android粗粒度的权限模型。但最终，Android4.4.2版本之后删除了这一新特性，因为Google认为这一试验性的特性会导致兼容性问题。
自年9月23日Google正式发布Android版本1.0以来，学术界和产业界对Android及其安全性进行了大量研究。除安全综述论文[2-4]外，还有针对各类不同具体安全问题的讨论[5-7]等。
本文将在参考文献[4]的基础上，结合近年来的最新研究成果[8-12]，对Android面临的安全问题与挑战进行全面的概括。
2Android系统特性
Android是基于Linux内核的开源智能移动操作系统，由Google与开放手机联盟（OpenHandsetAlliance,OHA）合作开发。其特点是：开放性，相对于苹果系统的封闭性，Android更加开放，具有更低的进入门槛，吸引了更多用户、第三方开发商与应用程序开发者；资源有限性设计，由于手机应用的资源（内存、电池等）有限，或者由于某些系统受到版权保护，必须进行相应的重新设计；简单性，为了最大程度地方便用户，Android系统遵从“简单、快速和易用”的设计原则，在安全和用户体验之间进行了折中。
2.1Android系统的分层结构
Android系统采用分层结构，由上到下分别是应用层、Android中间件层和Linux内核层。每一层只专注于自己所需提供的服务，各层自己所需要使用的服务都由下面的层提供。
应用层既包含系统提供的基本应用，如桌面、拨打电话和通讯录等；也包含用户安装的第三方应用程序。
中间件层由应用框架、本地类和ART组成。其中，Android应用框架是用C/C++或Java编写的系统应用，由系统内容提供器（systemcontentprovider）和系统服务（systemservice）构成。开发者编写的App和Android系统提供的App调用应用框架，用于提高代码的复用性，并能大大简化代码的复杂度。本地类库是一组C/C++库，提供诸如图形处理等基本功能。ART由核心Java类库与Dalvik虚拟机（DVM）组成。
Linux内核层提供最基本的服务，如进程调度、内存管理、网络协议栈、设备驱动等。同时，Linux内核还作为硬件和软件栈之间的抽象层，将硬件透明化，提供有效的接口和函数，供上层调用，起到了承上启下的作用。Android支持两种指令集架构：ARM和x86。
2.2Android的组件与组件间通信
Android有4类组件：activity（活动）是App与用户之间进行交互的可视化界面；service（服务）是Android系统在后台运行的服务；contentprovider（内容提要）是一种SQL数据库，用于为App提供数据与数据共享支持；broadcastreceiver（广播接收器）是用于接收广播消息的邮箱。
Android的组件间通信主要通过Intent完成。Intent是一个包含目标组件地址和数据的消息对象。AndroidAPI定义了接收Intent和通过其中的信息启动activity、service和广播消息的方法。调用这些方法相当于通知Android系统开始调用目标应用中的执行代码。Intent对象有两类：显式（标注目标组件名称）和隐式（不标注目标组件名称）。
2.3Android的进程通信机制
Android在内核层实现了基于Binder（OpenBinder的精简版本）的轻量级进程间通信，称为组件间通信（inter-如何根治白癜风北京白癜风哪个最好