Android应用加固原理
一、前言
Android开发者常常面临的一个问题就是防破解、 防二次打包。现如今安全问题越来越重要,越来越多的Android开发者也开始寻求安全的保护方案。
二、什么是加壳？
移动平台攻防技术的发展基本是沿着PC端发展轨迹在进行,从windows平台的加壳脱壳反调试到Andriod的平台apk加固,反调试代码混淆等。
加壳是在二进制的程序中植入一段代码，在运行的时候优先取得程序的控制权，做一些额外的工作。大多数病毒就是基于此原理。PC EXE文件加壳的过程如下：
三、加壳作用和分类
作用：
加壳的程序可以有效阻止对程序的反汇编分析，以达到它不可告人的目的。这种技术也常用来保护软件版权，防止被软件破解。
分类：
从App的加固技术来看:主流分为dex加密和so加密,目前来看保护dex文件更为重要,应为dex反编译后的java代码可读性更强。
四、APK文件结构
每个文件及文件夹的作用如下表所示。
| 文件或目录 | 说明 |
|---|---|
| assets文件夹 | 存放资源文件的目录 |
| lib文件夹 | 存放ndk编译出来的so文件 |
| META-INF文件夹 | 1.该目录下存放的是签名信息，用来保证apk包的完整性和系统的安全性 2.CERT.RS 保存着该应用程序的证书和授权信息 3.CERT.SF 保存着SHA-1信息资源列表 4.MANIFEST.MF 清单信息 |
| res文件夹 | 存放资源文件的目录 |
| AndroidManifest.xml | 一个清单文件，它描述了应用的名字、版本、权限、注册的服务等信息。 |
| classes.dex | java源码编译经过编译后生成的dalvik字节码文件，主要在Dalvik虚拟机上运行的主要代码部分 |
| resources.arsc | 编译后的二进制资源文件 |
五、DEX文件格式
5.1什么是DEX文件？
他是Android系统的可执行文件，包含应用程序的全部操作指令以及运行时数据
由于dalvik是一种针对嵌入式设备而特殊设计的java虚拟机，所以dex文件与标准的class文件在结构设计上有着本质的区别
当java程序编译成class后，还需要使用dx工具将所有的class文件整合到一个dex文件，目的是其中各个类能够共享数据，在一定程度上降低了冗余，同时也是文件结构更加经凑，实验表明，dex文件是传统jar文件大小的50%左右
5.2dex文件结构
Dex文件整体结构如下：
Dex文件整体结构说明：
| 数据名称 | 解释 |
|---|---|
| dex_header | dex文件头部记录整个dex文件的相关属性 |
| string_table | 字符串数据索引，记录了每个字符串在数据区的偏移量 |
| type_table | 类似数据索引，记录了每个类型的字符串索引 |
| proto_table | 原型数据索引，记录了方法声明的字符串，返回类型字符串，参数列表 |
| field_table | 字段数据索引，记录了所属类，类型以及方法名 |
| method_table | 类方法索引，记录方法所属类名，方法声明以及方法名等信息 |
| class_def | 类定义数据索引，记录指定类各类信息，包括接口，超类，类数据偏移量 |
| data_section | 数据区，保存了各个类的真是数据 |
下面是DEX文件目录：
这里面，有3个成员我们需要特别关注，这在后面加固里会用到，它们分别是checksum、signature和fileSize。
checksum字段
checksum是校验码字段，占4bytes，主要用来检查从该字段（不包含checksum字段，也就是从12bytes开始算起）开始到文件末尾，这段数据是否完整，也就是完整性校验。它使用alder32算法校验。
signature字段
signature是SHA-1签名字段，占20bytes，作用跟checksum一样，也是做完整性校验。之所以有两个完整性校验字段，是由于先使用checksum字段校验可以先快速检查出错的dex文件，然后才使用第二个计算量更大的校验码进行计算检查。
fileSize字段
占4bytes，保存classes.dex文件总长度。
这3个字段当我们修改dex文件的时候，这3个字段的值是需要更新的，否则在加载到Dalvik虚拟机的时候会报错。
为什么说我们只需要关注这三个字段呢？
因为我们需要将一个文件(加密之后的源Apk)写入到Dex中，那么我们肯定需要修改文件校验码(checksum).因为他是检查文件是否有错误。那么signature也是一样，也是唯一识别文件的算法。还有就是需要修改dex文件的大小。
不过这里还需要一个操作，就是标注一下我们加密的Apk的大小，因为我们在脱壳的时候，需要知道Apk的大小，才能正确的得到Apk。那么这个值放到哪呢？这个值直接放到文件的末尾就可以了。
所以总结一下我们需要做：修改Dex的三个文件头，将源Apk的大小追加到壳dex的末尾就可以了。
六、加固原理
Dex文件整体加固原理如下：
在该过程中涉及到三个对象，分别如下：
- 源程序
源程序也就是我们的要加固的对象，这里面主要修改的是原apk文件中的classes.dex文件和AndroidManifest.xml文件。
- 壳程序
壳程序主要用于解密经过加密了的dex文件，并加载解密后的原dex文件，并正常启动原程序。
- 加密程序
加密程序主要是对原dex文件进行加密，加密算法可以是简单的异或操作、反转、rc4、des、rsa等加密算法。
该加固过程可以分为如下4个阶段：
（1） 加密阶段
（2）合成新的dex文件
（3）修改原apk文件并重打包签名
（4）运行壳程序加载原dex文件
6.1 加密阶段
加密阶段主要是讲把原apk文件中提取出来的classes.dex文件通过加密程序进行加密。加密的时候如果使用des对称加密算法，则需要注意处理好密钥的问题。同样的，如果采用非对称加密，也同样存在公钥保存的问题。
6.2 合成新的dex文件
这一阶段主要是讲上一步生成的加密的dex文件和我们的壳dex文件合并，将加密的dex文件追加在壳dex文件后面，并在文件末尾追加加密dex文件的大小数值
在壳程序里面，有个重要的类：ProxyApplication类，该类继承Application类，也是应用程序最先运行的类。所以，我们就是在这个类里面，在原程序运行之前，进行一些解密dex文件和加载原dex文件的操作。
6.3 修改原apk文件并重打包签名
在这一阶段，我们首先将apk解压，会看到如下图的6个文件和目录。其中，我们需要修改的只有2个文件，分别是classes.dex和AndroidManifest.xml文件，其他文件和文件加都不需要改动。
首先，我们把解压后apk目录下原来的classes.dex文件替换成我们在0x02上一步合成的新的classes.dex文件。然后，由于我们程序运行的时候，首先加载的其实是壳程序里的ProxyApplication类。所以，我们需要修改AndroidManifest.xml文件，指定application为ProxyApplication，这样才能正常找到识别ProxyApplication类并运行壳程序。
6.4运行壳程序加载原dex文件
Dalvik虚拟机会加载我们经过修改的新的classes.dex文件，并最先运行ProxyApplication类。在这个类里面，有2个关键的方法：attachBaseContext和onCreate方法。ProxyApplication显示运行attachBaseContext再运行onCreate方法。
在attachBaseContext方法里，主要做两个工作：
读取classes.dex文件末尾记录加密dex文件大小的数值，则加密dex文件在新classes.dex文件中的位置为：len(新classes.dex文件) – len(加密dex文件大小)。然后将加密的dex文件读取出来，加密并保存到资源目录下
然后使用自定义的DexClassLoader加载解密后的原dex文件
在onCreate方法中，主要做两个工作：
通过反射修改ActivityThread类，并将Application指向原dex文件中的Application
创建原Application对象，并调用原Application的onCreate方法启动原程序
