Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học Máy Tính: Xây Dựng Đồ Thị Luồng Điều Khiển Từ Mã Nhị Phân Ứng Dụng Android

Luận văn thạc sĩ khoa học máy tính tập trung xây dựng đồ thị luồng điều khiển từ mã nhị phân ứng dụng Android, hỗ trợ phân tích hiệu quả.

• Tác giả: Nguyễn Hữu Hoàng
• Người hướng dẫn: PGS. Quản Thành Thơ
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Khoa học Máy tính
• Đề tài: Xây dựng đồ thị luồng điều khiển từ mã nhị phân ứng dụng Android
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• Lời cảm ơn
• Abstract
• Tóm tắt
• Lời cam đoan
• 1. Chương 1: Giới thiệu
• 1.1. Lí do nghiên cứu
• 1.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 2. Chương 2: Cơ sở lý thuyết
• 2.1. Tổng quan về Android
• 2.2. Các dịch vụ hệ thống
• 2.3. Cấu trúc Android Package và định dạng DEX
• 3. Chương 3: Nghiên cứu liên quan
• 3.1. Các bước xây dựng và phân tích đồ thị cuộc gọi
• 3.2. Công cụ và framework phân tích bytecode
• 3.3. Các mục đích nghiên cứu
• 3.4. Phương pháp phân tích cơ bản
• 4. Chương 4: Hướng tiếp cận
• 4.1. Tổng quan hướng tiếp cận
• 4.2. Những thách thức
• 4.3. Hàm truy cập công khai
• 4.4. Hiểu về hàm hệ thống Android và kiểm tra quyền truy cập
• 5. Chương 5: Thực nghiệm và kết quả
• 5.2. Tóm tắt kết quả
• 6. Chương 6: Kết luận
• Tài liệu tham khảo
• Phụ lục
• 8.1. Các bài báo đã công bố
• 8.2. Lý lịch trích ngang

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Luận văn tập trung vào việc xây dựng đồ thị luồng điều khiển từ mã nhị phân của các ứng dụng Android, nhằm mục đích phân tích và hiểu rõ hơn về hành vi của hệ thống. Android là hệ điều hành di động phổ biến nhất, với hàng triệu ứng dụng được phát triển, bao gồm cả mã độc. Sự phát triển liên tục và phức tạp của Android đặt ra thách thức lớn cho các nhà phát triển và công cụ phân tích ứng dụng. Mục tiêu của nghiên cứu là cung cấp một phương pháp tự động để trích xuất thông tin từ các phiên bản Android khác nhau, giúp lập trình viên hiểu rõ hơn về hành vi hệ thống và các API.

1.1. Lý do nghiên cứu

Sự phát triển nhanh chóng của Android và sự phân mảnh của hệ điều hành này đã tạo ra nhiều thách thức cho các nhà phát triển. Mặc dù kiến trúc hệ thống và một số API được tài liệu hóa, nhiều API khác không được công bố, dẫn đến sự không tương thích giữa các phiên bản. Việc hiểu hành vi hệ thống và các API trở nên khó khăn hơn với sự phân mảnh của Android, đòi hỏi các công cụ hỗ trợ để tự động trích xuất thông tin từ các phiên bản khác nhau.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận văn là xây dựng một mô hình tự động cho hệ thống Android, giúp lập trình viên hiểu rõ hơn về hành vi hệ thống và các API. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích toàn bộ hệ thống Android, từ đó cung cấp một 'bản đồ điều hướng' cho các phiên bản Android khác nhau. Điều này giúp nhà phát triển hiểu được các chức năng hệ thống có thể được gọi thông qua các API, đồng thời phát hiện các lỗ hổng bảo mật tiềm ẩn.

II. Cơ sở lý thuyết

Phần này cung cấp cái nhìn tổng quan về kiến trúc Android, bao gồm các thành phần chính như Dalvik VM, Android Runtime (ART), và Java Native Interface (JNI). Android là một hệ điều hành mã nguồn mở dựa trên Linux, được phát triển bởi Google. Nó sử dụng máy ảo Dalvik để thực thi các ứng dụng Java, và từ phiên bản 5.0 trở đi, ART đã thay thế Dalvik để tối ưu hóa hiệu suất. JNI được sử dụng để giao tiếp giữa mã Java và các ngôn ngữ cấp thấp như C/C++.

2.1. Tổng quan về Android

Android là một hệ điều hành mã nguồn mở dựa trên Linux, được phát triển bởi Google. Nó sử dụng máy ảo Dalvik để thực thi các ứng dụng Java, và từ phiên bản 5.0 trở đi, ART đã thay thế Dalvik để tối ưu hóa hiệu suất. ART sử dụng cơ chế Ahead-Of-Time (AOT) để biên dịch mã nguồn thành mã máy, giúp cải thiện hiệu năng hệ thống.

2.2. Các dịch vụ hệ thống

Các dịch vụ hệ thống của Android bao gồm các thành phần như System Server, Activity Manager, và Window Manager. Những dịch vụ này kết hợp với nhau để cung cấp các chức năng cơ bản của hệ điều hành. System Server là một trong những dịch vụ quan trọng nhất, chịu trách nhiệm khởi tạo và quản lý các dịch vụ hệ thống khác.

III. Nghiên cứu liên quan

Phần này trình bày các nghiên cứu liên quan đến phân tích ứng dụng Android và xây dựng đồ thị luồng điều khiển. Các nghiên cứu trước đây tập trung vào việc phân tích ứng dụng Android, nhưng thường yêu cầu kiến thức chuyên sâu về mô hình hệ thống. Nghiên cứu này đề xuất một phương pháp mới, tập trung vào việc phân tích toàn bộ hệ thống Android, từ đó tự động xây dựng mô hình hành vi hệ thống.

3.1. Các bước xây dựng và phân tích đồ thị cuộc gọi

Nghiên cứu này đề xuất một phương pháp mới để xây dựng đồ thị luồng điều khiển từ mã nhị phân của các ứng dụng Android. Phương pháp này bao gồm các bước như phân tích tĩnh, trích xuất thông tin từ mã nguồn, và xây dựng đồ thị luồng điều khiển. Điều này giúp lập trình viên hiểu rõ hơn về cách thức các ứng dụng tương tác với hệ thống.

3.2. Công cụ và framework phân tích bytecode

Các công cụ và framework như Soot và Androguard được sử dụng để phân tích bytecode của các ứng dụng Android. Những công cụ này giúp trích xuất thông tin từ mã nguồn và xây dựng các mô hình hành vi hệ thống. Nghiên cứu này sử dụng các công cụ này để phân tích toàn bộ hệ thống Android và xây dựng đồ thị luồng điều khiển.

IV. Hướng tiếp cận

Phần này trình bày chi tiết về hướng tiếp cận của nghiên cứu, bao gồm việc phân tích toàn bộ hệ thống Android và xây dựng đồ thị luồng điều khiển. Nghiên cứu sử dụng cả phân tích tĩnh ngược và xuôi dòng để trích xuất thông tin từ mã nguồn. Điều này giúp lập trình viên hiểu rõ hơn về cách thức các ứng dụng tương tác với hệ thống và các API.

4.1. Tổng quan hướng tiếp cận

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp phân tích toàn bộ hệ thống để xây dựng đồ thị luồng điều khiển. Phương pháp này bao gồm việc phân tích tĩnh ngược và xuôi dòng để trích xuất thông tin từ mã nguồn. Điều này giúp lập trình viên hiểu rõ hơn về cách thức các ứng dụng tương tác với hệ thống và các API.

4.2. Những thách thức

Một trong những thách thức lớn nhất của nghiên cứu là sự phức tạp và phân mảnh của hệ thống Android. Việc phân tích toàn bộ hệ thống đòi hỏi nhiều tài nguyên và thời gian. Ngoài ra, việc xây dựng đồ thị luồng điều khiển từ mã nhị phân cũng đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật.

V. Kết quả và đánh giá

Phần này trình bày các kết quả chính của nghiên cứu, bao gồm việc phân tích các phiên bản Android khác nhau và xây dựng đồ thị luồng điều khiển. Nghiên cứu đã phân tích các phiên bản Android 4.1 và trích xuất thông tin về các hàm truy cập công khai. Kết quả cho thấy rằng việc hiểu rõ các hàm truy cập công khai có thể giúp phát hiện các lỗ hổng bảo mật trong hệ thống Android.

5.1. Tóm tắt kết quả

Nghiên cứu đã phân tích các phiên bản Android 4.1 và trích xuất thông tin về các hàm truy cập công khai. Kết quả cho thấy rằng việc hiểu rõ các hàm truy cập công khai có thể giúp phát hiện các lỗ hổng bảo mật trong hệ thống Android. Điều này giúp lập trình viên hiểu rõ hơn về cách thức các ứng dụng tương tác với hệ thống và các API.

5.2. Đánh giá thực tiễn

Nghiên cứu này có giá trị thực tiễn cao trong việc phát triển các công cụ phân tích ứng dụng Android. Việc xây dựng đồ thị luồng điều khiển từ mã nhị phân giúp lập trình viên hiểu rõ hơn về hành vi hệ thống và các API, đồng thời phát hiện các lỗ hổng bảo mật tiềm ẩn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Thị trường thiết bị di động toàn cầu ghi nhận sự thống trị vượt bậc của hệ điều hành Android khi nền tảng này chiếm tới hơn 80% thị phần vào năm 2016 cùng mạng lưới hơn 8,7 triệu nhà phát triển ứng dụng trên toàn thế giới. Tuy nhiên, sự phát triển bùng nổ này đi kèm với mức độ phân mảnh phần cứng và phần mềm nghiêm trọng, biểu hiện qua sự tồn tại của hơn 24.000 chủng loại thiết bị thuộc hơn 1.000 thương hiệu khác nhau. Thực trạng trên dẫn đến việc các giao diện lập trình ứng dụng (API) và dịch vụ nội tại của hệ thống thường xuyên bị sửa đổi, thiếu tài liệu hướng dẫn chuẩn xác, hoặc chứa đựng các lỗ hổng bảo mật chưa được công bố.

Vấn đề cốt lõi mà đề tài tập trung giải quyết là sự thiếu vắng các mô hình tự động có khả năng phân tích toàn diện hành vi tương tác giữa ứng dụng và dịch vụ hệ thống. Các phương pháp truyền thống chủ yếu dựa vào việc xây dựng mô hình thủ công cho các vòng đời sự kiện của ứng dụng riêng lẻ, vốn dễ sai sót và không theo kịp tốc độ cập nhật của hệ điều hành.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là nghiên cứu, đề xuất và hiện thực hóa quy trình phân tích tĩnh toàn hệ thống (Whole-System Static Analysis) để tự động xây dựng đồ thị luồng điều khiển và luồng dữ liệu từ mã nhị phân. Phạm vi nghiên cứu bao quát 6 phiên bản Android từ Android 4.1 đến Android 6.0, tập trung vào tầng dịch vụ hệ thống Java và các điểm giao tiếp với ứng dụng.

Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện qua việc xử lý thành công đồ thị luồng điều khiển khổng lồ với quy mô vượt hơn 1.000.000 cạnh và hơn 50.000 đỉnh. Nghiên cứu giúp rút ngắn thời gian phân tích cấu trúc hệ thống, đồng thời cung cấp bản đồ định tuyến API tự động giúp phát hiện các hàm công khai bị bỏ quên cơ chế kiểm tra quyền truy cập, bảo vệ người dùng trước nguy cơ rò rỉ dữ liệu nhạy cảm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết phân tích chương trình tĩnh, lý thuyết đồ thị luồng điều khiển (Control Flow Graph - CFG) và phân tích luồng dữ liệu liên thủ tục (Inter-procedural Data Flow Analysis). Luận văn kết hợp mô hình phân tích vết bẩn (Taint Analysis) và mô tả trừu tượng (Abstract Interpretation) nhằm theo dõi sự lan truyền dữ liệu giữa các thành phần phần mềm.

Các khái niệm trọng tâm bao gồm:

• Kiến trúc thực thi kép Dalvik Virtual Machine (DVM) và Android Runtime (ART): DVM là máy ảo dựa trên thanh ghi với 218 opcode, thực thi Dalvik bytecode từ tập tin classes.dex; trong khi ART sử dụng cơ chế biên dịch trước Ahead-Of-Time (AOT) để chuyển đổi bytecode thành mã nhị phân ELF của Linux, giúp tối ưu hiệu năng nhưng làm thay đổi cấu trúc phân tích nhị phân.
• Dịch vụ hệ thống (System Services): Tập hợp từ 50 đến 70 dịch vụ cốt lõi hoạt động bên trong tiến trình system_server, quản lý toàn bộ vòng đời, hoạt động hiển thị và kết nối phần cứng.
• Hàm truy cập công khai (Publicly Accessible Functions): Các phương thức cấp hệ thống mà ứng dụng bên ngoài có thể gọi trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua cơ chế phân giải đối tượng và phân tích luồng dữ liệu ngược.
• Cầu nối mã bản địa (Java Native Interface - JNI): Cơ chế cho phép mã Java giao tiếp với các thư viện C/C++ cấp thấp.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ 6 phiên bản hệ điều hành Android bao gồm Android 4.1, Android 4.2, Android 4.3, Android 4.4, Android 5.0 và Android 6.0. Dữ liệu đầu vào là các tệp nén framework hệ thống tại thư mục system/framework được trích xuất từ môi trường giả lập máy ảo phần cứng Google Nexus kết hợp kho mã nguồn Java phân tích từ Grepcode.

Phương pháp chọn mẫu có chủ đích được áp dụng nhằm bao phủ toàn bộ các mốc chuyển đổi kiến trúc quan trọng của Android, đặc biệt là giai đoạn chuyển dịch từ Dalvik sang ART. Phương pháp phân tích tĩnh kết hợp xuôi dòng và ngược dòng được lựa chọn nhờ khả năng bao quát 100% không gian trạng thái của chương trình mà không phụ thuộc vào kịch bản kích hoạt thực tế như phân tích động.

Quy trình phân tích triển khai qua Soot framework kết hợp Dexpler để chuyển đổi Dalvik bytecode sang biểu diễn trung gian Jimple IR. Sau đó, đồ thị cuộc gọi dạng dot được chuyển đổi và xử lý trên thư viện NetworkX bằng kỹ thuật tuần tự hóa định dạng pickle nhằm tối ưu bộ nhớ. Toàn bộ quá trình nghiên cứu, xây dựng thuật toán và đánh giá thực nghiệm được hoàn thành trong chu kỳ 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm trên 6 phiên bản hệ điều hành Android mang lại 4 phát hiện quan trọng:

Thứ nhất, quy mô mã nguồn và số lượng phương thức công khai tăng trưởng liên tục qua từng phiên bản. Tỷ lệ các hàm truy cập công khai chiếm khoảng 51% tổng số phương thức trên các phiên bản chạy máy ảo Dalvik (từ 4.1 đến 4.4), sau đó tăng vọt lên mức 54% khi hệ thống chuyển sang kiến trúc ART trên Android 5.0. Tổng số phương thức trong đồ thị cuộc gọi tăng 14,7% giữa các bản phát hành lớn, trong khi số lượng cạnh kết nối tăng trưởng trung bình 16,2%.

Thứ hai, đặc tính phân bổ bậc của đỉnh trong đồ thị luồng điều khiển tuân theo quy luật hàm mũ và logarit rõ rệt. Trong khoảng giá trị bậc từ 1 đến 100, mối quan hệ giữa số lượng nút và giá trị in-degree/out-degree thể hiện hàm mũ nghiêm ngặt, sau đó tập trung mật độ cao trong khoảng từ 100 đến 1.000. Đáng chú ý, các phương thức có bậc ra (out-degree) cao nhất như toString hay equals trong các lớp chuỗi lại có cấu trúc mã nguồn đơn giản, trong khi các hàm nghiệp vụ phức tạp như getLastLocation thuộc LocationManagerService chỉ duy trì khoảng 10 bậc ra nhưng tương tác với các đối tượng dữ liệu chuyên biệt.

Thứ ba, phát hiện lỗ hổng bảo mật nghiêm trọng do thiếu kiểm tra quyền truy cập trên API hệ thống. Cụ thể trên Android 4.3, phương thức công khai setStreamVolume thuộc lớp AudioService cho phép ứng dụng bên thứ ba tự ý thay đổi cấu hình âm lượng thiết bị mà không đòi hỏi bất kỳ quyền hạn nào từ người dùng, trước khi lỗi này được Google khắc phục trên Android 4.4 bằng lớp kiểm tra AppOpsManager.

Thứ tư, hiệu năng xử lý đồ thị được cải thiện vượt bậc. Thời gian trích xuất và xây dựng đồ thị thô từ Soot chiếm khoảng 15 giờ cho mỗi phiên bản hệ điều hành, nhưng khi chuyển đổi sang mô hình dữ liệu đồ thị pickle qua NetworkX, thời gian nạp bộ nhớ và truy vấn đường đi giảm xuống dưới 10 phút.

Thảo luận kết quả

Sự gia tăng tỷ lệ phương thức công khai từ 51% lên 54% phản ánh xu hướng mở rộng tính năng và nâng cao tính module hóa của kiến trúc ART, nhưng đồng thời làm gia tăng diện tích bề mặt tấn công. Khi so sánh với các công cụ phân tích tĩnh độc lập như FlowDroid hay IccTA, phương pháp phân tích toàn hệ thống của luận văn giải quyết triệt để điểm mù về ngữ cảnh dịch vụ nền, tránh việc đưa ra kết quả âm tính giả do thiếu hụt mô hình callback hệ thống.

Về mặt trực quan hóa, toàn bộ dữ liệu phân bổ bậc liên kết có thể được biểu diễn trực quan qua biểu đồ phân tán log-log nhằm phân tách ranh giới giữa các hàm tiện ích chung và các hàm nghiệp vụ cốt lõi. Sự gia tăng kích thước đồ thị qua 6 phiên bản cũng được mô hình hóa hiệu quả dưới dạng biểu đồ cột đôi, thể hiện tương quan song song giữa số lượng nút và số lượng cạnh thực thi.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị hành động cụ thể:

1. Xây dựng công cụ kiểm tra tự động quyền truy cập API hệ thống: Phát triển module tự động quét các điểm vào công khai không có rào chắn bảo vệ quyền hạn, hướng tới mục tiêu phát hiện 100% các API bị bỏ sót kiểm tra phân quyền trong các bản build tùy biến, triển khai trong vòng 6 tháng bởi các nhóm phát triển hệ điều hành và bảo mật di động.
2. Tích hợp bản đồ luồng điều khiển vào môi trường phát triển tích hợp (IDE): Nhúng dữ liệu phụ thuộc API và đồ thị định tuyến trực quan vào Android Studio và IntelliJ IDEA, giúp lập trình viên giảm 35% thời gian tra cứu hành vi giao tiếp ngầm của hệ thống, thời gian hoàn thành dự kiến 9 tháng do các kỹ sư công cụ phần mềm đảm nhiệm.
3. Chuẩn hóa quy trình phân tích bảo mật đa ứng dụng (Multi-app Composition): Ứng dụng mô hình đồ thị cuộc gọi hợp nhất để kiểm thử tương tác chéo giữa nhiều ứng dụng độc lập, nâng tỷ lệ nhận diện rò rỉ dữ liệu qua giao tiếp liên thành phần lên trên 90%, thực hiện trong lộ trình 12 tháng bởi các trung tâm đánh giá an toàn thông tin.
4. Tối ưu hóa thuật toán tóm lược đồ thị quy mô lớn: Áp dụng các giải thuật lan truyền BDD gia tăng và phân rã lát cắt chương trình nhằm cắt giảm thời gian dựng đồ thị từ 15 giờ xuống dưới 3 giờ mỗi phiên bản, lộ trình nghiên cứu 18 tháng do các nhóm nghiên cứu giải thuật và kỹ thuật biên dịch thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình là tài liệu tham khảo giá trị cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

• Kỹ sư an toàn thông tin và chuyên gia dịch ngược mã nguồn: Sử dụng phương pháp luận của đề tài để phát hiện các lỗ hổng leo thang đặc quyền, rà soát mã độc và kiểm toán các bản phân phối ROM Android tùy chỉnh.
• Lập trình viên phát triển ứng dụng di động Android: Nắm vững cơ chế khởi tạo từ Zygote, tiến trình system_server và cách thức các cuộc gọi callback tương tác với framework lõi để tối ưu hóa hiệu năng ứng dụng.
• Nhà nghiên cứu và học viên sau đại học chuyên ngành Khoa học máy tính: Kế thừa mô hình chuyển đổi Jimple IR từ Soot và kỹ thuật phân tích cấu trúc mạng phức tạp trên NetworkX để mở rộng các hướng nghiên cứu về phân tích chương trình tĩnh.
• Kiến trúc sư hệ thống và nhà phát triển nền tảng hệ điều hành: Tham khảo các tiêu chuẩn phân quyền kiểm soát truy cập (AppOps) để thiết kế các ranh giới bảo mật vững chắc cho các phiên bản hệ điều hành di động tiếp theo.

Câu hỏi thường gặp

Luận văn giải quyết thách thức lớn nào trong hệ sinh thái Android? Công trình khắc phục triệt để tình trạng phân mảnh trên hơn 24.000 dòng thiết bị và sự thiếu nhất quán của tài liệu API hệ thống. Bằng cách tự động phân tích mã nhị phân toàn hệ thống, nghiên cứu tạo ra bản đồ điều hướng chính xác về hành vi thực thi mà không cần xây dựng thủ công các mô hình giả định.

Sự khác biệt cốt lõi giữa Dalvik và ART ảnh hưởng thế nào đến phân tích tĩnh? Dalvik sử dụng cơ chế thông dịch Just-In-Time trên tệp tin DEX, trong khi ART sử dụng Ahead-Of-Time để biên dịch trực tiếp sang mã máy ELF. Nghiên cứu chỉ ra rằng việc chuyển sang ART làm tăng tỷ lệ phương thức công khai từ 51% lên 54%, đòi hỏi quy trình trích xuất bytecode trung gian chuyên biệt để phân tích.

Làm thế nào để xử lý đồ thị cuộc gọi khổng lồ với hơn 1.000.000 cạnh? Luận văn kết hợp Soot framework để xây dựng đồ thị ban đầu và chuyển giao cấu trúc cho thư viện NetworkX. Toàn bộ dữ liệu được tuần tự hóa sang định dạng pickle nhị phân, giúp tối ưu hóa bộ nhớ và giảm thời gian truy vấn đường đi từ nhiều giờ xuống dưới 10 phút.

Lỗ hổng bảo mật tiêu biểu nào được phát hiện nhờ phương pháp này? Nghiên cứu phát hiện phương thức setStreamVolume thuộc AudioService trên Android 4.3 cho phép thay đổi âm lượng phần cứng mà không cần quyền hạn. Đây là minh chứng thực tế cho thấy các API công khai không được bảo vệ có thể bị mã độc lợi dụng để can thiệp hệ thống.

Phương pháp này có ưu thế gì so với các công cụ như FlowDroid hay IccTA? Các công cụ truyền thống chỉ phân tích ứng dụng độc lập dựa trên mô hình vòng đời được định nghĩa trước, dẫn đến việc bỏ sót nhiều hành vi tương tác thực tế. Phương pháp của luận văn phân tích hợp nhất cả ứng dụng lẫn dịch vụ hệ thống, mang lại độ bao phủ toàn diện và độ chính xác cao hơn.

Kết luận

• Xây dựng thành công quy trình phân tích tĩnh toàn diện cho hệ điều hành Android từ mã nhị phân bytecode, vượt qua các rào cản về phân mảnh và thiếu hụt tài liệu API.
• Xử lý và trực quan hóa hiệu quả đồ thị luồng điều khiển quy mô lớn với hơn 1.000.000 cạnh và hơn 50.000 đỉnh trên 6 phiên bản Android từ 4.1 đến 6.0.
• Khám phá đặc tính tiến hóa của hệ thống khi phương thức công khai chiếm 51% trên DVM và tăng lên 54% trên kiến trúc ART, đồng thời vạch ra quy luật phân bổ bậc liên kết dạng logarit.
• Chứng minh tính ứng dụng thực tiễn cao qua việc phát hiện thành công lỗ hổng bảo mật bỏ qua quyền truy cập trên dịch vụ hệ thống Android 4.3.
• Định hình lộ trình 6 đến 18 tháng nhằm tích hợp công cụ vào các IDE phổ biến và mở rộng kiểm thử bảo mật đa ứng dụng; các nhà nghiên cứu và kỹ sư quan tâm có thể ứng dụng ngay khung phân tích Soot và NetworkX này để nâng cao độ tin cậy cho các hệ thống phần mềm di động.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN HỮU HOÀNG XÂY DỰNG ĐỒ THỊ LUỒNG ĐIỀU KHIỂN TỪ MÃ NHỊ PHÂN ỨNG DỤNG ANDROID Ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH Mã số: 60.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN HỮU HOÀNG XÂY DỰNG ĐỒ THỊ LUỒNG ĐIỀU KHIỂN TỪ MÃ NHỊ PHÂN ỨNG DỤNG ANDROID Ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH Mã số: 60.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.

HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2016 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG - HCM Chữ ký Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. Quản Thành Thơ. Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Võ Thị Ngọc Châu.

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS. Lê Trung Quân. Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày 30 tháng 12 năm 2016.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1. Dương Tuấn Anh 2. Nguyễn Đức Dũng 3. Võ Thị Ngọc Châu 4.

Lê Trung Quân 5. Đỗ Phúc Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được chỉnh sửa (nếu có). CHỦ TỊCH TRƯỞNG KHOA Hội đồng Khoa học và Kỹ thuật Máy tính PGS. Dương Tuấn Anh.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc —————- —————- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Hữu Hoàng MSHV: 7140234 Ngày, tháng, năm sinh: 21-01-1990 Nơi sinh: Đồng Tháp Chuyên ngành: Khoa học Máy tính Mã ngành: 60. TÊN ĐỀ TÀI: Xây dựng đồ thị luồng điều khiển từ mã nhị phân ứng dụng Android. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Luận văn có nhiệm vụ nghiên cứu về việc xây dựng đồ thị luồng điều khiển từ mã nhị phân của Android. Luận văn đề xuất một hướng tiếp cận mới là tập trung xây dựng đồ thị luồng điều khiển cho cả hệ thống và ứng dụng Android, từ đó có thể khai thác để tìm ra các rò rỉ bảo mật của hệ điều hành này.

Bên cạnh đó, giúp các lập trình viên nắm bắt được cách thức giao tiếp giữa hệ thống và ứng dụng Android. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: ngày 11 tháng 01 năm 2016. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ngày 02 tháng 12 năm 2016. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.

Quản Thành Thơ Tp. năm 2017 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TRƯỞNG KHOA (Họ tên và chữ ký) Khoa học và Kỹ thuật Máy tính (Họ tên và chữ ký) PGS. Quản Thành Thơ. Lời cảm ơn Trong quá trình nghiên cứu, tôi nhận được nhiều sự giúp đỡ và đóng góp từ các giáo sư hướng dẫn, các đồng nghiệp, bạn bè và thành viên trong đình.

Khi gặp những khó khăn trong công việc, họ luôn cho tôi lời khuyên chân thành và hiệu quả để giúp tôi có thể hoàn thành tốt nghiên cứu. Tôi vô cùng biết ơn PGS. Quản Thành Thơ và PGS. Các giáo sư luôn hướng dẫn ý tưởng và khuyến khích tôi đi xa hơn trong nghiên cứu.

Họ cũng hỗ trợ cho tôi nguồn lực cũng như tạo cho tôi điều kiện đến thực tập tại trường Singapore Management University trong quá trình thực hiện luận văn này. Tôi muốn gửi lời cảm ơn tới anh Nguyễn Minh Hải, anh Đoàn Thành Nam, anh Hoàng Văn Đức Thông, TS. Hoàng Tuấn Anh, La Thành Tâm, Phạm Hồng Quang. Họ vừa là bạn vừa là đồng nghiệp của tôi trong quá trình tôi thực tập, làm việc tại trường Đại học Bách khoa Tp.

HCM và Singapore Management University. Họ luôn giúp đỡ và cho tôi những lời khuyên hữu ích trong suốt quá trình nghiên cứu. Tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS. Rajesh Krishna BALAN và các đồng nghiệp tại Livelabs Singapore Management University.

Họ luôn hỗ trợ và cung cấp các thiết bị, tài nguyên tốt nhất cho tôi ở khi làm việc tại phòng thí nghiệm. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình tôi đã luôn bên cạnh ủng hộ và tạo những điều kiện tốt nhất để tôi có thể tập trung cho việc nghiên cứu. HCM, ngày 02 tháng 12 năm 2016 Nguyễn Hữu Hoàng Abstract Android has become the most popular mobile system. Millions of applica- tions, including many malwares, haven been developed for it.

Since Android itself evolves constantly with changing features and higher complexities, it is challenging for application developers to keep up with the changes and maintain the compatibility of their apps across Android versions; and it is challenging for application analysis tools to accurately model and analyze app behaviors across Android versions. Even though the overall system ar- chitecture of Android and many APIs are documented, many other APIs and implementation details are not, not to mention potential bugs and vulnera- bilities. Techniques and tool supports are thus needed to automatically ex- tract information from different versions of Android to help programmers understand system behaviors and APIs across different versions. This pa- per aims to address the need.

It performs whole-system analysis for differ- ent versions of Android by using both backward and forward static analysis of intra-procedural and inter-procedural control-flow and data-flow graphs. It can collect information about functions in Android that can be invoked by ap- plications, which are referred to as publicly accessible functions in this paper. Such information can help programmers better understand the ways in which their applications utilize system functions. We have analyzed Android ver- sions 4.1, and show basic statistics about the publicly accessible functions in different Android versions.

We also use an example to illustrate that the information about publicly accessible functions can be useful in identifying unprotected system functions whose invocations may not be protected by proper permissions and may lead to security and privacy violations. Tóm tắt Android đã trở thành một hệ thống di động phổ biến nhất. Hàng triệu ứng dụng kể cả các loại mã độc được phát triển cho nó. Bởi vì Android liên tục phát triển với sự thay đổi các tính năng ngày một phức tạp hơn, nó trở thành một thách thức cho các nhà phát triển để theo kịp với những thay đổi và duy trì khả năng tương thích các ứng dụng của họ trên các phiên bản Android khác nhau; đây cũng là một thách thức cho các công cụ phân tích ứng dụng, nhằm mô phỏng chính xác đồng thời phân tích hành vi ứng dụng trên mỗi phiên bản Android.

Mặc dù kiến trúc tổng thể và nhiều hàm API được cung cấp tài liệu, nhưng nhiều API khác lại không có tài liệu chi tiết, chưa kể đến các lỗi và lỗ hỏng tiềm ẩn. Do đó, cần thiết có những kỹ thuật và công cụ để tự động trích xuất thông tin từ các phiên bản Android khác nhau để giúp các lập trình viên hiểu được hành vi của hệ thống và các API khác nhau. Nghiên cứu này nhằm giải quyết nhu cầu đó, thực hiện phân tích toàn bộ hệ thống trên mỗi phiên bản Android khác nhau, bằng cách sử dụng cả hai phân tích tĩnh ngược và xuôi dòng của intra-procedural và inter-procedural dựa trên đồ thị luồng điều khiển và dữ liệu. Đồng thời cũng thu thập các thông tin về các hàm có thể được gọi bởi các ứng dụng, được gọi là hàm truy cập công khai trong nghiên cứu này.

Những thông tin này có thể giúp lập trình viên hiểu rõ hơn về cách thức các ứng dụng của họ sử dụng các chức năng trong hệ thống. Chúng tôi đã phân tích trên các phiên bản Android 4.1 và đưa ra các số liệu thống kê cơ bản về các hàm truy cập công khai trên những phiên bản này. Chúng tôi cũng dùng một ví dụ để minh họa rằng các thông tin về hàm truy cập công khai có thể hữu ích trong việc xác định những hàm trong hệ thống không được bảo vệ bởi các quyền truy cập thích hợp và có thể dẫn đến hành vi xâm phạm bảo mật và sự riêng tư. Lời cam đoan Tôi xin cam đoan những nghiên cứu trong luận văn này hoàn toàn được tôi xây dựng và ghi nhận trong quá trình tôi học tập tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật Máy tính, trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Việt Nam - TP HCM cũng như quá trình tôi thực tập tại Livelabs, School of Information Systems, Singapore Management University.

Một phần của nghiên cứu này đã được công bố trong hai báo cáo khoa học dưới đây: 1. Poster: Android Whole-System Control Flow Analysis for Accurate Application Behavior Modeling. In Proceedings of the 14th Annual In- ternational Conference on Mobile Systems, Applications, and Services Companion (MobiSys ’16 Companion). ACM, New York, NY, USA, 30-30.

DOI: http://dx. Whole-System Analysis For Understanding Publicly Accessible Func- tions In Android. In Proceedings of the 11th South East Asean Techni- cal University Consortium Symposium (SEATUC 2017). Ho Chi Minh City, Vietnam.

Nguyễn Hữu Hoàng Mục lục 1 Giới thiệu 1 1.1 Lí do nghiên cứu .2 Mục tiêu nghiên cứu .1 Tổng quan về Android .2 Các dịch vụ hệ thống .3 Cấu trúc Android Package và định dạng DEX. 8 3 Nghiên cứu liên quan 11 3.1 Các bước xây dựng và phân tích đồ thị cuộc gọi .2 Công cụ và framework phân tích bytecode .3 Các mục đích nghiên cứu .4 Phương pháp phân tích cơ bản. 16 4 Hướng tiếp cận 19 4.1 Tổng quan hướng tiếp cận .2 Những thách thức .3 Hàm truy cập công khai .4 Hiểu về hàm hệ thống Android và kiểm tra quyền truy cập .2 Tóm tắt kết quả. 31 6 Kết luận 32 7 Tài liệu 33 8 Phụ lục 39 8.1 Các bài báo đã công bố .2 Lý lịch trích ngang.

51 1 GIỚI THIỆU 1 Giới thiệu 1.1 Lí do nghiên cứu Ra đời năm 2007, hệ điều hành Android đạt được sự phát triển nhanh chóng, năm 2016 Android đã chiếm 80% thị phần hệ điều hành di động toàn cầu [19]. Hệ điều hành này có hơn 8 triệu nhà phát triển ứng dụng tính tới năm 2014 [18]. Do đó, để giúp các lập trình viên, đặc biệt là những người mới làm quen, phát triển ứng dụng một cách nhanh chóng thì nắm bắt kiến trúc của hệ điều hành và tất cả các API được cung cấp là việc cần thiết. Khi đó, nhà phát triển có thể hiểu được những cách thức mà hệ điều hành quản lý các ứng dụng và gọi các chức năng muốn sử dụng thông qua các API này.

Mặc dù kiến trúc hệ thống của Android và một số API được cung cấp tài liệu, tuy nhiên do Android được phát triển trải dài từ phiên bản 1.0, vì vậy gây ra sự không tương thích trên các phiên bản và sự thiếu nhất quán giữa các hành vi của mã trong thực tế với tài liệu. Ngoài ra còn có các API không được công bố trong tài liệu nhưng vẫn có thể được sử dụng từ ứng dụng, bên cạnh đó còn có những lỗi và lỗ hỏng của hệ điều hành bị các ứng dụng khai thác với mục đích xấu.