APP安全防护基本方法（混淆/签名验证/反调试）

本教程所用Android Studio测试项目已上传：https://github.com/PrettyUp/SecTest

一、混淆

对于很多人而言是因为java才接触到“混淆”这个词，由于在前移动互联网时代在java程序中“混淆”也只是针对java代码，所以混淆基本就和对java源代码进行混淆等价。

但说到混淆的本质，不过就是将变量名、函数名由有助于开发维护人员理解其用途的名称（如my_name,get_key）改用a,b,c,d这种简短无意义的词去替换。从这个思路出发，资源其实也是可以混淆的。

在前移动互联网时代，对于B/S而言，前端页面资源则是放在服务器上且名称不适宜随便修改；对于C/S而言，由于java不擅长写界面所以java写的程序要么用到的资源很少要么就直接没有图形界面。

也就是说在前移动互联网时代，资源混淆确实是没多大用途和意义的。但在移动互联网时代，或者更直接一点对app而言，资源混淆还是有用武之地的。一是可以减小apk的大小，二是对比电脑客户端更多将信息直接放在变量中而言app将更多的信息存放于xml文件中，进行混淆有助于提高逆向者理解程序逻辑的难度。

1.1 资源混淆

1.1.1 资源混淆操作步骤

从这里要介绍的资源混淆操作方法看，因为是直接对apk进行操作所以放在最后讲才更合适。但顺从认识而言，资源混淆这种不是主角的东西就该放最前面讲。

资源混淆我们这里使用微信团队的AndResGuard。

1）进入tool_output目录，下载AndResGuard jar文件和config.xml模板配置文件（注意不要右键直接保存那样下载的是html文件，jar文件点进去下载，config.xml点进去复制内容自己在本地新建个config.xml。或才直接下载整个项目再找出这两个文件）

2） 修改config.xml

config.xml各配置项具体说明见官方说明，我的大概理解是默认会对res目录下的各xml文件进行混淆，在config.xml可以配置不进行混淆的白名单（Whitelist项）及是否使用7z对图片进行压缩（Compress项）等。其中注意不是写在config.xml中的项就是启用的，各项自己的isactive值为"true"时才是启用的。

我这里只修改最后的sign项，配置签名信息其他都不做修改（其实出于安全考虑签名最好用-signature选项而不是配置在config.xml中，但出于教程的统一和简洁这里我就这么操作）

3）进行资源混淆

执行以下命令进行混淆，注意我这里是用到的文件都放在了当前目录下（C:\Users\ls\Desktop\app），如果不在要注意使用全路径或写好相对路径。

-jar指定----AndResGuard程序

SecTest.apk----是我做好的测试app，改成自己的

-config----指定使用的配置文件

-7zip----指定7z可执行文件的路径，改成自己的；其实如果不指定命令会报错，但只是不能生成经过压缩的apk而已，未压缩的apk还是成功生成了的。

-zipalign----指定zipalign可执行文件的路径，这个程序在android sdk中就有，到sdk目录下找就行了。

官方文档中说，若7zip或zipalign的路径已设置环境变量中，这两项不需要单独设置。一是这两个安装时都不会自己加到环境变量，二是官方文档7z用的是7za这个名字的可执行程序在我安装的7z版本中是没有的。也就是说推荐用直接指定命令位置而不是改环境变量的方法。

mkdir test_dir

java -jar AndResGuard-cli-1.2.12.jar SecTest.apk -config  config.xml -out test_dir -7zip D:\7-Zip\7z.exe -zipalign D:\Language\ASDK\build-tools\28.0.0\zipalign.exe

如果出现“java.io.IOException: the signature file do not exit, raw”等报错，那多半是文件名等信息写错了，重新检查一遍。

最后test_dir中得到的有以下文件，各文件官方有说明，就我这里想要的是混淆并进行了签名的SecTest_signed.apk

1.1.2 验证资源混淆成功【可选】

以activity_main.xml为例，项目中代码如下：

使用反编译工具查看layout，可以看到生成了一堆名为a,b,c,d的xml的文件。我找了半天才找到a2.xml是activity_main.xml，且可以看到其中的控件id和字符串名称等都已混淆

1.2 代码混淆

1.2.1 代码混淆操作步骤

代码混淆这里以Android Studio中使用ProGuard为例，Eclipse看了一下也都是指定一下规则文件而已就不多做介绍。至于其他混淆工具并没有研究。

将项目切换到Project视图，找到app文件夹下的build.gradle并打开，锁定到buildTypes节区，如图所示其中有minifyEnabled项该项控制编译时是否启用混淆，默认为false表示不使用。

minifyEnabled下方的proguardFiles用于指定混淆规则文件，其中的proguard-android.txt是Android Studio自带的基本的混淆规则（一般在$SDK_PATH\tools\proguard目录下）这个一般不要去做修改。另一个proguard-rules.pro是专门供写个性化混淆规则用的，如果有个性化混淆需求将自己的规则写入其中即可（在下图中也可看到改文件与build.gradle一样同处app目录下）。

proguard-android.txt中已排除了android关键组件然后对除此之外的java代码都进行混淆，已符合我当前需要，所以我这里只将minifyEnabled项由默认的false改为true，其他都不做改动。

如果要写个性化规则可参考：https://www.cdsy.xyz/computer/programme/android/230601/cd43988.html

1.2.2 验证代码成功混淆【可选】

以MainActivity.java为例，项目中OnCreate函数部分代码如下

使用反编译工具反编译代码，对应片段代码如下，可以看到变量名称已被i,j,k等代替

另外再查看AESCoder.java，也已被成功混淆

二、签名验证

签名验证，就是在APP中写入自己私钥的hash值，和一个获取当前签名中的私钥hash值的函数两个值相一致，那么就说明APP没有被改动允许APP运行。如果两值不一致那么说明APP是被二次打包的，APP就自我销毁进程。

签名验证又可以在两个地方做，一个是在MainActivity.java的OnCreate函数中做，一个是在原生代码文件的JNI_OnLoad函数中做。

在OnCreate函数中做，短处是反编译者只要找到在OnCreate中定位到验证函数，然后将其注释，重新打包APP就可以成功运行；好处就是代码简单。

在JNI_OnLoad中做，短处是比较复杂（需要创建支持C/C++原生代码的项目，获取hash需要绕道java代码获取等）；好处就是反编译者需要进一步掌握ida等反汇编工具将验证函数删除才能绕过验证。

为了最大限度地提高安全性，可以考滤两种验证都使用。

最后为了避免争议，在此要做一下统一声明，以下代码基本我个人都不是原作者，个人在本节的作用是将几个方案整合成了一个比较合理的方案，并验证这些代码和整合出来的方案是可行的。

2.1 在MainActivity.java的OnCreate函数中进行签名验证

OnCreate函数内、setContentView后加入以下代码：

       // 获取当前上下文
        Context context = getApplicationContext();
        // 发布apk时用来签名的keystore中查看到的sha1值，改成自己的
        String cert_sha1 = "937FF2936CDB81EEF4A776290EA9E076B3BC03A9";
        // 调用isOrgApp()获取比较结果
        boolean is_org_app = isOrgApp(context,cert_sha1);
        // 如果比较初始从证书里查看到的sha1，与代码获取到的当前证书中的sha1不一致，那么就自我销毁
        if(! is_org_app){
            android.os.Process.killProcess(android.os.Process.myPid());
        }

在MainActivity类内，OnCreate函数外加入以下代码：

    // 此函数用于返回比较结果
    public static boolean isOrgApp(Context context,String cert_sha1){
        String current_sha1 = getAppSha1(context,cert_sha1);
        // 返回的字符串带冒号形式，用replace去掉
        current_sha1 = current_sha1.replace(":","");
        return current_sha1.equals(current_sha1);
    }
    // 此函数用于获取当前APP证书中的sha1值
    public static String getAppSha1(Context context,String cert_sha1) {
        try {
            PackageInfo info = context.getPackageManager().getPackageInfo(context.getPackageName(), PackageManager.GET_SIGNATURES);
            byte[] cert = info.signatures[0].toByteArray();
            MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA1");
            byte[] publicKey = md.digest(cert);
            StringBuffer hexString = new StringBuffer();
            for (int i = 0; i < publicKey.length; i++) {
                String appendString = Integer.toHexString(0xFF & publicKey[i]).toUpperCase(Locale.US);
                if (appendString.length() == 1)
                    hexString.append("0");
                hexString.append(appendString);
                hexString.append(":");
            }
            String result = hexString.toString();
            return result.substring(0, result.length()-1);
        } catch (PackageManager.NameNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }

我自己调试结果如下，确实可以成功获取sha1值（获取sha1函数代码原文链接）

2.2 原生代码文件的JNI_OnLoad函数中进行签名验证

看到这文章，就喜欢这种有图有真相的文章，说明其代码应该是真的可以获取到APP当前的sha1值的。

但后来理清他的做法是：从java中把context传过去，在c++中完成比较返回true或false；也就是说决定程序退不退出的if语句还是在java中的，这种做法和2.1中全在java中做除了显示技术比较强之外安全效果完全一样并没有提升啊。if应当在c++中实现，context也需要c++自己获取。

另一文章，其指出判断需要在c++中做而且是在JNI_OnLoad函数中做并给出了方法，但是他获取context时实现的NoProGuard我没搞清楚在哪导入。

文章，其给出了JNI获取context的方案，验证也确实是可行的。

所以整合的方案就是：第二位小哥哥在JNI_OnLoad函数中做的思想+第三位小哥哥获取context的方法+第一位小哥哥获取sha1的方法。

（其实第二位小哥哥还有一个思想就是debug时不需要验证release才要验证，这也是可取的，我这里也采用了。但debug时要做验证也不是不可以的，只是要注意debug时运行在avd中的app使用的是Android Studio自己生成的keystore而不是我们发布apk时自己的keystore，所以此时填的sha1的值应当是Android Studio自己生成的keystore的sha1，

当然第二位小哥哥获取md5的方法改一下好像也是能获取正确的sha1值的）

2.2.1 C++中验证签名代码

最终C++中验证签名的代码如下，自己使用时要注意将其中的app_sha1赋值成自己keystore中的sha1值

#include <jni.h>
#include <string>

// const char *app_sha1="FAAB30C11EEF7333C81D48FECA25D21A18E2C789";
// 这里是keystore中的sha1值，改成自己的
const char *app_sha1 = "937FF2936CDB81EEF4A776290EA9E076B3BC03A9";
const char hexcode[] = {'0','1','2','3','4','5','6','7','8','9','A','B','C','D','E','F'};

jobject getGlobalContext(JNIEnv *env)
{
    //获取Activity Thread的实例对象
    jclass activityThread = env->FindClass("android/app/ActivityThread");
    jmethodID currentActivityThread = env->GetStaticMethodID(activityThread, "currentActivityThread", "()Landroid/app/ActivityThread;");
    jobject at = env->CallStaticObjectMethod(activityThread, currentActivityThread);
    //获取Application，也就是全局的Context
    jmethodID getApplication = env->GetMethodID(activityThread, "getApplication", "()Landroid/app/Application;");
    jobject context = env->CallObjectMethod(at, getApplication);
    return context;
}

char* getSha1(JNIEnv *env){
    // 调用getGlobalContext，获取上下文
    jobject context_object = getGlobalContext(env);
    if (context_object == NULL){
        printf("context is NULL");
        return NULL;
    }
    jclass context_class = env->GetObjectClass(context_object);

    //反射获取PackageManager
    jmethodID methodId = env->GetMethodID(context_class, "getPackageManager", "()Landroid/content/pm/PackageManager;");
    jobject package_manager = env->CallObjectMethod(context_object, methodId);
    if (package_manager == NULL) {
        printf("package_manager is NULL!!!");
        return NULL;
    }

    //反射获取包名
    methodId = env->GetMethodID(context_class, "getPackageName", "()Ljava/lang/String;");
    jstring package_name = (jstring)env->CallObjectMethod(context_object, methodId);
    if (package_name == NULL) {
        printf("package_name is NULL!!!");
        return NULL;
    }
    env->DeleteLocalRef(context_class);

    //获取PackageInfo对象
    jclass pack_manager_class = env->GetObjectClass(package_manager);
    methodId = env->GetMethodID(pack_manager_class, "getPackageInfo", "(Ljava/lang/String;I)Landroid/content/pm/PackageInfo;");
    env->DeleteLocalRef(pack_manager_class);
    jobject package_info = env->CallObjectMethod(package_manager, methodId, package_name, 0x40);
    if (package_info == NULL) {
        printf("getPackageInfo() is NULL!!!");
        return NULL;
    }
    env->DeleteLocalRef(package_manager);

    //获取签名信息
    jclass package_info_class = env->GetObjectClass(package_info);
    jfieldID fieldId = env->GetFieldID(package_info_class, "signatures", "[Landroid/content/pm/Signature;");
    env->DeleteLocalRef(package_info_class);
    jobjectArray signature_object_array = (jobjectArray)env->GetObjectField(package_info, fieldId);
    if (signature_object_array == NULL) {
        printf("signature is NULL!!!");
        return NULL;
    }
    jobject signature_object = env->GetObjectArrayElement(signature_object_array, 0);
    env->DeleteLocalRef(package_info);

    //签名信息转换成sha1值
    jclass signature_class = env->GetObjectClass(signature_object);
    methodId = env->GetMethodID(signature_class, "toByteArray", "()[B");
    env->DeleteLocalRef(signature_class);
    jbyteArray signature_byte = (jbyteArray) env->CallObjectMethod(signature_object, methodId);
    jclass byte_array_input_class=env->FindClass("java/io/ByteArrayInputStream");
    methodId=env->GetMethodID(byte_array_input_class,"<init>","([B)V");
    jobject byte_array_input=env->NewObject(byte_array_input_class,methodId,signature_byte);
    jclass certificate_factory_class=env->FindClass("java/security/cert/CertificateFactory");
    methodId=env->GetStaticMethodID(certificate_factory_class,"getInstance","(Ljava/lang/String;)Ljava/security/cert/CertificateFactory;");
    jstring x_509_jstring=env->NewStringUTF("X.509");
    jobject cert_factory=env->CallStaticObjectMethod(certificate_factory_class,methodId,x_509_jstring);
    methodId=env->GetMethodID(certificate_factory_class,"generateCertificate",("(Ljava/io/InputStream;)Ljava/security/cert/Certificate;"));
    jobject x509_cert=env->CallObjectMethod(cert_factory,methodId,byte_array_input);
    env->DeleteLocalRef(certificate_factory_class);
    jclass x509_cert_class=env->GetObjectClass(x509_cert);
    methodId=env->GetMethodID(x509_cert_class,"getEncoded","()[B");
    jbyteArray cert_byte=(jbyteArray)env->CallObjectMethod(x509_cert,methodId);
    env->DeleteLocalRef(x509_cert_class);
    jclass message_digest_class=env->FindClass("java/security/MessageDigest");
    methodId=env->GetStaticMethodID(message_digest_class,"getInstance","(Ljava/lang/String;)Ljava/security/MessageDigest;");
    jstring sha1_jstring=env->NewStringUTF("SHA1");
    jobject sha1_digest=env->CallStaticObjectMethod(message_digest_class,methodId,sha1_jstring);
    methodId=env->GetMethodID(message_digest_class,"digest","([B)[B");
    jbyteArray sha1_byte=(jbyteArray)env->CallObjectMethod(sha1_digest,methodId,cert_byte);
    env->DeleteLocalRef(message_digest_class);

    //转换成char
    jsize array_size=env->GetArrayLength(sha1_byte);
    jbyte* sha1 =env->GetByteArrayElements(sha1_byte,NULL);
    char *hex_sha=new char[array_size*2+1];
    for (int i = 0; i <array_size ; ++i) {
        hex_sha[2*i]=hexcode[((unsigned char)sha1[i])/16];
        hex_sha[2*i+1]=hexcode[((unsigned char)sha1[i])%16];
    }
    hex_sha[array_size*2]='\0';

    printf("hex_sha %s ",hex_sha);
    return hex_sha;
}

static jboolean checkSignature(JNIEnv *env) {
    // 调用getSha1获取app当前证书中的sha1
    char *sha1 = getSha1(env);
    // 调用checkValidity获取比较结果并直接返回
    // jboolean signatureValid = checkValidity(env,sha1);
    if (strcmp(sha1,app_sha1)==0)
    {
        return JNI_TRUE;
    }
    else{
        return JNI_FALSE;
    }
}
jint JNI_OnLoad(JavaVM *vm, void *reserved) {
    JNIEnv *env;
    if (vm->GetEnv((void **) (&env), JNI_VERSION_1_6) != JNI_OK) {
        return -1;
    }

    // RELEASE_MODE这个宏是通过编译脚本设定的，如果是release模式，
    // 则RELEASE_MODE=1，否则为0或者未定义
    // 如果想不管release还是debug都进行签名验证，注释掉下方ifdef和endif两条预编译语句即可
#ifdef RELEASE_MODE
    // 如果是release版本，检查当前应用的签名是否一致；如果不签名不一致的话则返回-1,-1会引发app异常自动退出
    if (RELEASE_MODE == 1) {
        if (checkSignature(env) != JNI_TRUE) {
            return -1;
        }
    }
#endif

    return JNI_VERSION_1_6;
}

2.2.2 配置build_gradle

由于代码中使用了以下预编译语句，所以如果只是使用上边的代码，验证是没有生效的。说明如下：

build_gradle中未配置RELEASE_MODE=1----release/debug都不进行签名验证

build_gradle中配置RELEASE_MODE=1----release模式验证/debug模式不验证

注释掉ifdef和endif两条预编译语句----release/debug都进行签名验证

#ifdef RELEASE_MODE
    // 检查当前应用的签名是否一致，如果不签名不一致的话则返回-1，-1会引发app异常自动退出
    if (checkSignature(env) != JNI_TRUE) {
        return -1;
    }
#endif

所以为了启用验证，还需要打开app目录下的build_gradle文件，在如下图所示位置加入以下代码：

ndk {
    // release包定义RELEASE_MODE=1宏，供so库中的ifdef语句使用
    cFlags "-DRELEASE_MODE=1"
}

2.2.3 MainActivity.java中加载so文件

当然最还得要在java文件中，载入so文件才能起来作用。netive-test是我这里so的库名改成自己的

// Used to load the 'native-test' library on application startup.
static {
    System.loadLibrary("native-test");
}

三、反调试

反调试，这文章说可以有两个思路。

第一个是一个进程同时最多只能被一个进程所调试，所以可以自己使用ptrace()函数假装自己在调试自己，占住调试的位置以此来拒绝别的进程的调试请求。

第二个是查看/proc/{pid}/status文件如果发现TracerPid的值不等于0（TracerPid是调试进程的pid，如果不为0则表示有进程在调试），则kill掉自己。

第一个思路由于我在复现时没有起到反调试效果，未排查到原因暂且就先不管了。

第二个思路中作者给的具体做法是只是在JNI_Onload中只检测一次。在姜维的《Android 应用安全防护和逆向分析》中也提到了第二种思路，但他给出的具体做法是去启动一个线程不断地检测/proc/{pid}/status的TracerPid值，如果检测到不为0则使用exit退出。

不是很清楚有没有可能/proc/{pid}/status的TracerPid值开始为0，后来不为0的情况。但其实我是先看到姜维写的，所以这里就采用姜维的做法。

3.1 加入检测函数

在要防护的c++文件中加入以下两个函数

#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
void* thread_function(void *arg){
    int pid = getpid();
    char file_name[20] = {'\0'};
    sprintf(file_name,"proc/%d/status",pid);
    char line_str[256];
    int i = 0,traceid;
    FILE *fp;
    while(1){
        i = 0;
        fp = fopen(file_name,"r");
        if(fp == NULL){
            break;
        }
        while(!feof(fp)){
            fgets(line_str,256,fp);
            if(i == 5){
                // traceid = getnumberfor_str(line_str);
                traceid = atoi(&line_str[10]);
                if(traceid > 0){
                    exit(0);
                }
                break;
            }
            i++;
        }
        fclose(fp);
        sleep(5);
    }
}


void create_thread_check_traceid(){
    pthread_t thread_id;
    int err = pthread_create(&thread_id,NULL,thread_function,NULL);
    if(err != 0){

    }
}

3.2 在JNI_OnLoad函数开头调用检测函数

要强调两点，一个是这里是反调试只有ida进行动态分析时才能起到防护效果，ida静态打开还是不能阻止的。第二个是这里是反调试，自己开发过程中使用IDE debug也是调试，如果加了以下代码那IDE debug时进程也会自我销毁的（实际发现IDE中 run也是不行的）。

也就是说，在开发时要注意先注释该函数调用，在打包生成apk时才去掉注释。