本发明涉及信息安全技术领域，尤其涉及一种基于dex与so文件动态执行的Android应用加固方法。
背景技术：
Android是google公司于2007年推出的开源手机操作系统，由于其强大的功能和灵活的定制能力，使其在短短几年内便跃居智能手机操作系统市场份额的首位，据著名市场研究机构IDC的最新数据表明，2015年第三季度，Android系统智能手机的市场份额高达84.7％，远超其他系统。
虽然Android系统在设计之初便充分考虑到了安全问题，但随着其广泛应用，诸多潜在的安全问题还是逐渐地暴露出来，对其安全性的研究开始受到人们的广泛关注。由于Android平台软件使用的编程语言是Java，而Java源代码编译后的二进制代码极易被反编译，导致其破解难度远小于其他使用编译性语言编写的程序。虽然Android 2.3以后加入了代码混淆机制，但通过逆向工程，其API级别上的代码仍是难以隐藏，对攻击者来说，破解的可能性仍是很大。
现有的一些Android应用程序加固方法，大多采用静态处理的方法，即对dex文件进行一些修改来增加攻击的难度。这种加固方法只是增加了代码阅读难度。或者基于JNI调用机制，通过加密原so文件，使用壳程序加载并解密原so文件，间接调用原so文件的函数。然而，由于基于JNI调用机制该方案，不可避免地会在硬盘短暂的留下解密后的明文so文件，攻击者使用Hook系统API、自动化脚本可以轻易地破解此方案。因此攻击者依然能够得到程序的代码，无法保证应用程序的安全性。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术的不足，本发明详细分析了Android的系统架构、程序结构、程序执行机制以及Android平台软件面临的逆向威胁，基于classes.dex文件动态加载、利用so库解密dex文件加固方案，提出和实现了一种能使so库脱离JNI调用机制依赖，从而在内存中完成so文件的加解密，保证没有临时so文件的生成、保证不能通过内存中映射表截断方法获得的so核心代码的具有更高安全性的加固方案。
本发明提供的技术方案是：
一种基于dex与so文件动态执行的Android应用加固方法，通过二进制流加密方法对Android应用程序中的关键代码进行加固，使得Android应用程序代码得到保护；所述加固方法包括加密过程和解密过程，具体包括如下步骤：
A.通过软件加固模块实现加密过程：
软件加固模块即为针对Android应用程序的加固模块，通过二进制流加密方法对Android
应用程序中的关键代码进行加固；
A1.解压软件主体部分apk文件，提取其classes.dex文件；
一个Android应用程序(软件)会打包成一个APK文件，对于APK文件进行解压可以得到dex文件、assets文件、arsc文件等；其中classes.dex包含是Android平台上可执行文件的类型；
A2.将核心功能部分代码编译成独立的apk文件并对其进行加密；
核心功能部分代码根据提取classes.dex文件之后对代码进行分析得到，一般地，核心代码是自己编写的程序，而不是引用的系统或者外部库的代码；
A3.把加密后的apk文件写入到软件主体部分的classes.dex文件的末尾，并在文件尾部添加加密数据的大小，用以解密时找到核心功能部分代码的起始位置；
应用程序编译成独立的apk文件之后可以得到此文件的大小的数值，即为加密数据的大小；
A4.重新计算classes.dex文件的checksum、signature和file_size字段的值。分别计算这几个字段变化之后的值，替换原位置的checksum、signature和file_size字段的值，替换原位置的内容即可；
A5.将修改后的classes.dex文件放回软件主体部分apk包中，使用Android SDK中提供的签名工具对程序进行签名；
A6.读取待加固的so库文件(假设为a.so)，解析文件信息，得到待加密函数的偏移地址与大小，并向待加密函数末尾处写入decryDEX()解密函数，用于解密加密后的dex文件，重新计算待加密函数的大小并填写；具体地，修改解密函数中的数值，也就是将原来待加密函数中的数值修改为改变之后的数值，此数值为待加密函数的大小；
A7.对待加密函数进行异或加密；
A8.解析so库文件的文件头，修改文件头部部分字段值，包括so文件大小、so文件中函数的偏移地址；
A9.计算so库文件的MD5值，并将其写入文件末尾；
A10.在so文件中的.init_array节的代码段中添加运行环境检测、对抗动态调试、MD5完整性校验，以及对so文件进行解密的代码。
B.开始动态执行Android应用程序进行解密时，执行如下操作：
B1.软件主体部分从自身的apk文件中读取classes.dex文件，在classes.dex文件尾部得到加密数据的长度，根据加密数据长度计算出加密数据的起始位置，从而读取得到加密数据；
B2.调用loadLibrary系统函数加载a.so，这一阶段loadLibrary会加载共享库(即实施例中的so文件a.so)、控制权传递给动态连接器Linker，Linker会检查文件头部合法性、根据头部的数据分别读入对应的各种数据结构，并将所有PT_LOAD属性的段加载至合适的地址空间，然后为该库在共享库链表中分配一个soinfo节点并填充其数据结构，执行标记为.init，.init_array的节的代码进行代码初始化工作，若存在JNI_OnLoad函数，执行该代码；(.init_array过程会解密加密函数)；
B3.调用decryDEX()解密得到核心功能部分的apk；
B4.通过Android API提供的DexClassLoader类，对核心功能部分码(核心功能部分的apk)进行反射调用，从而实现核心功能部分代码的动态加载；
B5.调用完成后，删除核心功能部分apk文件，从而避免核心功能部分代码暴露在系统内部存储之中，被攻击者得到。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
现有的一些Android应用程序加固方法，大多采用静态处理的方法，即对dex文件进行一些修改来增加攻击的难度，或者基于JNI调用机制，通过加密原so文件，使用壳程序加载并解密原so文件，间接调用原so文件的函数。然而，由于基于JNI调用机制该方案，不可避免地会在硬盘短暂的留下解密后的明文so文件，攻击者使用Hook系统API、自动化脚本可以轻易地破解此方案。本发明提供的加固方法对核心dex进行加密保护，对核心dex的解密函数用C++语言编写，增加了其反编译的难度，以动态链接库的形式存在并且也进行了加密。相当于对核心dex双重加密，对动态链接库的关键代码也进行了加密。并且解密过程摆脱了JNI调用机制，使得解密过程不会在硬盘留下解密后的明文so文件，全部在内存中进行，避免被攻击者得到。本发明方法能够保证没有临时so文件的生成、保证不能通过内存中映射表截断方法获得的so核心代码，是具有更高安全性的加固方案。
附图说明
图1是本发明提供方法的流程框图；
其中，A为提取dex文件核心功能部分并编译成一个独立的apk文件，并将它写入文件classes.dex文件尾部；B为将该独立的apk文件解密函数写入待加固的so文件中的待加密部分并加密该部分代码；C为在dex的软件主体写入相关加载so文件的代码，并计算classes.dex文件的checksum、signature和file_size字段的值并替换原位置的内容；D为读取classes.dex文件尾部，执行dex主体中的so文件，解密classes核心部分正常运行。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。
本发明提供一种基于dex与so文件动态执行的Android应用加固方法，图1是本发明提供方法的流程框图，包括如下步骤：
A.软件加固模块：
A1.解压软件主体部分apk文件，提取其classes.dex文件；
A2.将核心功能部分代码编译成独立的apk文件并对其进行加密；
A3.把加密后的apk文件写入到软件主体部分的classes.dex文件的末尾，并在文件尾部添加加密数据的大小，用以解密时找到核心功能部分代码的起始位置；
A4.重新计算classes.dex文件的checksum、signature和file_size字段的值。分别计算这几个字段变化之后的值，替换原位置的内容即；
A5.将修改后的classes.dex文件放回软件主体部分apk包中，使用AndroidSDK中提供的签名工具对程序进行签名；
A6.读取待加固的so库文件(假设为a.so)，解析文件信息，得到待加密函数的偏移地址与大小并向待价密函数末尾处写入decryDEX()解密函数用于解密加密后的dex文件，重新计算待加密函数的大小并填写；
A7.对待加密函数进行异或加密；
A8.解析文件头，修改文件头部部分字段值；
A9.计算文件的MD5值，并将其写入文件末尾；
A10.在.init_array节的代码段中添加运行环境检测、对抗动态调试、MD5完整性校验，对so文件相应加密函数解密的解密代码。
B.开始动态执行Android应用程序时，执行如下操作：
B1.软件主体部分从自身的apk文件中读取classes.dex文件，在classes.dex文件尾部得到加密数据的长度，根据加密数据长度计算出加密数据的起始位置，从而读取得到加密数据；
B2.调用loadLibrary加载a.so，这一阶段loadLibrary会加载的共享库、控制权传递给动态连接器Linker，Linker会检查文件头部合法性、根据头部的数据分别读入对应的各种数据结构，并将所有PT_LOAD属性的段加载至合适的地址空间，然后为该库在共享库链表中分配一个soinfo节点并填充其数据结构，执行标记为.init，.init_array的节的代码进行代码初始化工作，若存在JNI_OnLoad函数，执行该代码。(.init_array过程会解密加密函数)
B3.调用decryDEX()解密得到核心功能部分apk；
B4.通过Android API提供的DexClassLoader类，对核心功能部分码进行反射调用，从而实现核心功能部分代码的动态加载；
B5.调用完成后，删除核心功能部分apk文件，从而避免核心功能部分代码暴露在系统内部存储之中，被攻击者得到。
实施例
本实施例是对于一个Android应用进行加固操作，包括部分反调试步骤。此Android应用可以命名为b.apk，对于b.apk对于可以进行加固，经过以上的加固步骤，可以对于b.apk进行加固，防止此APK被调试破解，查看软件的源码。对于此APK的实施实例步骤如下所示，其中A、B步骤作为常规的防调试步骤加入，C、D、E步骤作为以上发明的核心步骤进行。具体步骤如下所示：
A.检测模拟器：
A1.检测“/dev/socket/qemud”，“/dev/qemu_pipe”这两个通道。//判断两个通道是否存在，存在则为模拟器access(“/dev/socket/qemud”,0)access(“/dev/qemu_pipe”,0)
A2.检测props。包括：ro.product.model：该值在模拟器中为sdk，通常在正常手机中为手机的型号；ro.build.tags：该值在模拟器中为test-keys，通常在正常手机中为release-keys；ro.kernel.qemu：该值在模拟器中为1，通常在正常手机中没有该属性。
B.防动态调试：
B1.多进程使用ptrace，//阻止被调试器附加ptrace(PTRACE_TRACEME,0,0,0)；
B2.对proc/xxx/task和proc/xxx/status进行检测；默认情况下status中TracerPid值为0，若不为0，则程序正处于被调试状态。
C.自定义so库文件ELF头文件信息
ELF头部的各个字段如下：typedef struct{unsigned char e_ident[16]；Elf32_Half e_type；Elf32_Half e_machine；Elf32_Word e_version；Elf32_Addr e_entry；Elf32_Off e_phoff；Elf32_Off e_shoff；Elf32_Word e_flags；Elf32_Half e_ehsize；Elf32_Half e_phentsize；Elf32_Half e_phnum；Elf32_Half e_shentsize；Elf32_Half e_shnum；Elf32_Half e_shstrndx；}Elf32_Ehdr；
通过对Android平台下动态库的加载过程的分析，发现许多字段并没有使用。修改这些字段值也不会影响动态库的正常使用。然而，在使用readelf、IDA等静态分析工具的时候，若这些字段值错误，会导致静态分析失败。本发明技术方案利用这一特性，修改部分字段，达到阻止程序被静态分析的目的。具体包括：1)修改e_ident字段后9个字节。2)修改e_type,e_machine,e_version,e_flag字段。3)修改e_shoff,e_shentsize,e_shnum,e_shstrndx字段。
D.so特定函数加密
D1.读取文件头，获取e_phoff、e_phentsize和e_phnum信息。
D2.通过Elf32_Phdr中的p_type字段，找到DYNAMIC。其实DYNAMIC就是.dynamic section，这是so文件中的一个段。从p_offset和p_filesz字段得到文件中的起始位置和长度。
D3.遍历.dynamic，找到.dynsym、.dynstr、.hash section文件中的偏移和.dynstr的大小。在我的测试环境下，Fedora 14和Windows 7Cygwin x64中elf.h定义.hash的d_tag标示是：DT_GNU_HASH；而Android源码中的是：DT_HASH。
D4.根据函数名称，计算hash值，进一步得到待加密函数的偏移地址与大小。
D5.根据hash值，找到下标hash％nbuckets的bucket；根据bucket中的值，读取.dynsym中的对应索引的Elf32_Sym符号；从符号的st_name所以找到在.dynstr中对应的字符串与函数名进行比较。若不等，则根据chain[hash％nbuckets]找下一个Elf32_Sym符号，直到找到或者chain终止为止，代码如下：
for(i＝bucket[funHash％nbucket]；i！＝0；i＝chain[i]){if(strcmp(dynstr+(funSym+i)->st_name,funcName)＝＝0){flag＝0；break；}}
D6.找到函数对应的Elf32_Sym符号后，即可根据st_value和st_size字段找到函数的位置和大小。
D7.将需要加密的区域进行加密，采用异或加密方法，即取反操作：*content＝～(*content)。
E.解密流程为加密逆过程，大体相同，只有一些细微的区别，具体如下：
E1.找到so文件在内存中的起始地址。
E2.通过so文件头找到Phdr；从Phdr找到PT_DYNAMIC后，需取p_vaddr和p_filesz字段。
后续步骤与D7步骤中的加密(取反操作)相同。由此完成对应用的加固。
需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。