5.4.3 高级话题-安卓应用安全指南(Android Application Secure Design/Secure Coding Guidebook)

安卓应用安全指南 (Android Application Secure Design/Secure Coding Guidebook)

5.4.3 高级话题

5.4.3.1 如何创建私有证书并配置服务器

在本节中，将介绍如何在 Linux（如 Ubuntu 和 CentOS）中创建私有证书和配置服务器。私有证书是指私人签发的服务器证书，并由 Cybertrust 和 VeriSign 等可信第三方证书机构签发的服务器证书通知。

创建私有证书机构

首先，你需要创建一私有证书机构来颁发私有证书。私有证书机构是指私有创建的证书机构以及私有证书。你可以使用单个私有证书机构颁发多个私有证书。存储私有证书机构的个人电脑应严格限制为只能由可信的人访问。

为了创建私有证书机构，必须创建两个文件，例如以下 shell 脚本newca.sh和设置文件openssl.cnf，然后执行它们。在 shell 脚本中，CASTART和CAEND代表证书机构的有效期，CASUBJ代表证书机构的名称。所以这些值需要根据你创建的证书机构进行更改。在执行 shell 脚本时，访问证书机构的密码总共需要 3 次，所以你需要每次都输入它。

newca.sh -- 创建证书机构的 Shell 脚本

#!/bin/bash

umask 0077

CONFIG=openssl.cnf
CATOP=./CA
CAKEY=cakey.pem
CAREQ=careq.pem
CACERT=cacert.pem
CAX509=cacert.crt
CASTART=130101000000Z # 2013/01/01 00:00:00 GMT
CAEND=230101000000Z # 2023/01/01 00:00:00 GMT
CASUBJ="/CN=JSSEC Private CA/O=JSSEC/ST=Tokyo/C=JP"

mkdir -p ${CATOP}
mkdir -p ${CATOP}/certs
mkdir -p ${CATOP}/crl
mkdir -p ${CATOP}/newcerts
mkdir -p ${CATOP}/private
touch ${CATOP}/index.txt

openssl req -new -newkey rsa:2048 -sha256 -subj "${CASUBJ}" ¥
    -keyout ${CATOP}/private/${CAKEY} -out ${CATOP}/${CAREQ}
openssl ca -selfsign -md sha256 -create_serial -batch ¥
    -keyfile ${CATOP}/private/${CAKEY} ¥
    -startdate ${CASTART} -enddate ${CAEND} -extensions v3_ca ¥
    -in ${CATOP}/${CAREQ} -out ${CATOP}/${CACERT} ¥
    -config ${CONFIG}
openssl x509 -in ${CATOP}/${CACERT} -outform DER -out ${CATOP}/${CAX509}

openssl.cnf -- 2 个 shell 脚本共同参照的 openssl 命令的设置文件

[ ca ]
default_ca = CA_default # The default ca section

[ CA_default ]
dir = ./CA # Where everything is kept
certs = $dir/certs # Where the issued certs are kept
crl_dir = $dir/crl # Where the issued crl are kept
database = $dir/index.txt # database index file.
                    #Proprietary-defined _subject = no # Set to 'no' to allow creation of
                    # several ctificates with same subject.
new_certs_dir = $dir/newcerts # default place for new certs.
certificate = $dir/cacert.pem # The CA certificate
serial = $dir/serial # The current serial number
crlnumber = $dir/crlnumber # the current crl number
                    # must be commented out to leave a V1 CRL
crl = $dir/crl.pem # The current CRL
private_key = $dir/private/cakey.pem# The private key
RANDFILE = $dir/private/.rand # private random number file
x509_extensions = usr_cert # The extentions to add the cert
name_opt = ca_default # Subject Name options
cert_opt = ca_default # Certificate field options
policy = policy_match

[ policy_match ]
countryName = match
stateOrProvinceName = match
organizationName = supplied
organizationalUnitName = optional
commonName = supplied
emailAddress = optional

[ usr_cert ]
basicConstraints=CA:FALSE
nsComment = "OpenSSL Generated Certificate"
subjectKeyIdentifier=hash
authorityKeyIdentifier=keyid,issuer

[ v3_ca ]
subjectKeyIdentifier=hash
authorityKeyIdentifier=keyid:always,issuer
basicConstraints = CA:true

创建私有证书

为了创建私有证书，你必须创建一个 shell 脚本并执行它，像下面的newca.sh一样。在 shell 脚本中，SVSTART和SVEND代表私有证书的有效期，SVSUBJ代表 Web 服务器的名称，所以这些值需要根据目标 Web 服务器而更改。尤其是，你需要确保不要将错误的主机名设置为SVSUBJ的/CN，它指定了 Web 服务器主机名。在执行 shell 脚本时，会询问访问证书机构的密码，因此你需要输入你在创建私有证书机构时设置的密码。之后，y / n总共被询问 2 次，每次需要输入y。

newsv.sh -- 签发私有证书的 Shell 脚本

#!/bin/bash

umask 0077

CONFIG=openssl.cnf
CATOP=./CA
CAKEY=cakey.pem
CACERT=cacert.pem
SVKEY=svkey.pem
SVREQ=svreq.pem
SVCERT=svcert.pem
SVX509=svcert.crt
SVSTART=130101000000Z # 2013/01/01 00:00:00 GMT
SVEND=230101000000Z # 2023/01/01 00:00:00 GMT
SVSUBJ="/CN=selfsigned.jssec.org/O=JSSEC Secure Cofing Group/ST=Tokyo/C=JP"

openssl genrsa -out ${SVKEY} 2048
openssl req -new -key ${SVKEY} -subj "${SVSUBJ}" -out ${SVREQ}
openssl ca -md sha256 ¥
    -keyfile ${CATOP}/private/${CAKEY} -cert ${CATOP}/${CACERT} ¥
    -startdate ${SVSTART} -enddate ${SVEND} ¥
    -in ${SVREQ} -out ${SVCERT} -config ${CONFIG}
openssl x509 -in ${SVCERT} -outform DER -out ${SVX509}

执行上面的 shell 脚本后，Web 服务器的svkey.pem（私钥文件）和svcert.pem（私有证书文件）都在工作目录下生成。当 Web 服务器是 Apache 时，你将在配置文件中指定prikey.pem和cert.pem，如下所示。

SSLCertificateFile "/path/to/svcert.pem"
SSLCertificateKeyFile "/path/to/svkey.pem"

5.4.3.2 将私有证书机构的根证书安装到 Android 操作系统的证书商店

在示例代码“5.4.1.3 通过使用私有证书的 HTTPS 进行通信”中，介绍了通过将根证书安装到应用中，使用私有证书建立应用到 Web 服务器的 HTTPS 会话的方法。本节将介绍通过将根证书安装到 Android OS 中，建立使用私有证书的所有应用到 Web 服务器的 HTTPS 会话的方法。请注意，你安装的所有东西，应该是由可信证书机构颁发的证书，包括你自己的证书机构。

首先，你需要将根证书文件cacert.crt复制到 Android 设备的内部存储器中。你也可以从 https://selfsigned.jssec.org/cacert.crt 获取示例代码中使用的根证书文件。

然后，你将从 Android 设置中打开安全页面，然后你可以按如下方式在 Android 设备上安装根证书。

在 Android 操作系统中安装根证书后，所有应用都可以正确验证证书机构颁发的每个私有证书。下图显示了在 Chrome 浏览器中显示 https://selfsigned.jssec.org/droid_knight.png 时的示例。

通过以这种方式安装根证书，即使是使用示例代码“5.4.1.2 通过 HTTPS 通信”的应用，也可以通过 HTTPS 正确连接到使用私有证书操作的 Web 服务器。

5.4.3.3 禁止证书验证的危险代码

互联网上发现了很多不正确的示例（代码片段），它们允许应用在证书验证错误发生后，通过 HTTPS 与 Web 服务器继续通信。由于它们作为一种方式而引入，通过 HTTPS 与使用私有证书的 Web 服务器进行通信，因此开发人员通过复制和粘贴使用这些示例代码，创建了许多应用。不幸的是，他们中的大多数容易受到中间人攻击。正如本文前面所述，“2012 年，Android 应用中 HTTPS 通信实现中的许多缺陷被指出”，许多 Android 应用已经实现了这种易受攻击的代码。

下面显示了 HTTPS 通信的几个存在漏洞的代码片段。当你找到此类代码片段时，强烈建议替换为“5.4.1.3 通过 HTTPS 与私有证书进行通信”的示例代码。

风险：创建空TrustManager时的情况

TrustManager tm = new X509TrustManager() {
    @Override
    public void checkClientTrusted(X509Certificate[] chain,
        String authType) throws CertificateException {
        // Do nothing -> accept any certificates
    }
    
    @Override
    public void checkServerTrusted(X509Certificate[] chain,
        String authType) throws CertificateException {
        // Do nothing -> accept any certificates
    }
    
    @Override
    public X509Certificate[] getAcceptedIssuers() {
        return null;
    }
};

风险：创建空HostnameVerifier时的情况

HostnameVerifier hv = new HostnameVerifier() {
    @Override
    public boolean verify(String hostname, SSLSession session) {
        // Always return true -> Accespt any host names
        return true;
    }
};

风险：使用ALLOW_ALL_HOSTNAME_VERIFIER的情况

SSLSocketFactory sf;

[...]

sf.setHostnameVerifier(SSLSocketFactory.ALLOW_ALL_HOSTNAME_VERIFIER);

5.4.3.4 HTTP 请求头配置的注意事项

如果你希望为 HTTP 或 HTTPS 通信指定你自己的单个 HTTP 请求头，请使用URLConnection类中的setRequestProperty()或addRequestProperty()方法。如果你使用从外部来源接收的输入数据作为这些方法的参数，则必须实施 HTTP 协议头注入保护。 HTTP 协议头注入攻击的第一步，是在输入数据中包含回车代码（在 HTTP 头中用作分隔符）。因此，必须从输入数据中删除所有回车代码。

配置 HTTP 请求头

public byte[] openConnection(String strUrl, String strLanguage, String strCookie) {
    // HttpURLConnection is a class derived from URLConnection
    HttpURLConnection connection;
    try {
        URL url = new URL(strUrl);
        connection = (HttpURLConnection) url.openConnection();
        connection.setRequestMethod("GET");
        // *** POINT *** When using input values in HTTP request headers,
        // check the input data in accordance with the application's requirements
        // (see Section 3.2: Handling Input Data Carefully and Securely)
        if (strLanguage.matches("^[a-zA-Z ,-]+$")) {
            connection.addRequestProperty("Accept-Language", strLanguage);
        } else {
            throw new IllegalArgumentException("Invalid Language : " + strLanguage);
        }
        // *** POINT *** Or URL-encode the input data (as appropriate for the purposes of the app in
        queestion)
        connection.setRequestProperty("Cookie", URLEncoder.encode(strCookie, "UTF-8"));
        connection.connect();
        
        [...]

5.4.3.5 用于固定的注解和实现示例

当应用使用 HTTPS 通信时，在通信开始时执行的握手过程中的一个步骤是，检查从远程服务器发送的证书是否由第三方证书机构签署。但是，攻击者可能会从第三方认证代理获取不合适的证书，或者可能从证书机构获取签署的密钥来构造不合适的证书。在这种情况下，应用将无法在握手过程中检测到攻击，即使在攻击者建立不正确的服务器或中间人攻击的情况下也是如此 - 因此，，可能会造成损失。

固定技术是一种有效的策略，可以防止不正当的第三方证书机构使用这些类型的证书，来进行中间人攻击。在这种方法中，远程服务器的证书和公钥被预先存储在一个应用中，并且这个信息用于握手过程，以及握手过程完成后的重新测试。

如果第三方证书机构（公钥基础设施的基础）的可信度受到损害，则可以使用固定来恢复通信的安全性。应用开发人员应评估自己的应用处理的资产级别，并决定是否实现这些测试。

在握手过程中使用存储在应用中的证书和公钥

为了在握手过程中，使用存储在应用中的远程服务器证书或公钥中包含的信息，应用必须创建包含此信息的，自己的KeyStore并在通信时使用它。如上所述，即使在使用来自不正当的第三方证书机构的证书的，中间人攻击的情况下，这也将允许应用检测握手过程中的不当行为。请参阅“5.4.1.3 使用 HTTPS 与私有证书进行通信”一节中介绍的示例代码，了解建立应用自己的KeyStore来执行 HTTPS 通信的详细方法。

握手过程完成后，使用应用中存储的证书和公钥信息进行重新测试

为了在握手过程完成后重新测试远程服务器，应用首先会获得证书链，它在握手过程中受到系统测试和信任，然后比较该证书链和预先存储在应用中的信息。如果比较结果表明它与应用中存储的信息一致，则可以允许通信进行；否则，应该中止通信过程。但是，如果应用使用下面列出的方法，尝试获取在握手期间受系统信任的证书链，则应用可能无法获得预期的证书链，从而存在固定可能无法正常工作的风险 [26]。

[26] 这篇文章详细解释了风险：https://www.cigital.com/blog/ineffective-certificate-pinning-implementations/。

javax.net.ssl.SSLSession.getPeerCertificates()
javax.net.ssl.SSLSession.getPeerCertificateChain()

这些方法返回的东西，不是在握手过程中受系统信任的证书链，而是应用从通信伙伴本身接收到的证书链。因此，即使中间人攻击导致证书链中附加不正当证书机构的证书，上述方法也不会返回握手期间受系统信任的证书; 相反，应用最初试图连接的服务器的证书也将同时返回。由于固定，这个证书将等同于预先存储在应用中的证书；因此重新测试它不会检测到任何不当行为。由于这个以及其他类似的原因，在握手后执行重新测试时，最好避免使用上述方法。

在 Android 版本4.2（API 级别 17）及更高版本中，使用net.http.X509TrustManagerExtensions中的checkServerTrusted()方法，将允许应用仅获取握手期间受系统信任的证书链。

一个示例，展示了使用X509TrustManagerExtensions的固定

// Store the SHA-256 hash value of the public key included in the correct certificate for the remote server (pinning)
private static final Set<String> PINS = new HashSet<>(Arrays.asList(
    new String[] {
        "d9b1a68fceaa460ac492fb8452ce13bd8c78c6013f989b76f186b1cbba1315c1",
        "cd13bb83c426551c67fabcff38d4496e094d50a20c7c15e886c151deb8531cdc"
    }
));

// Communicate using AsyncTask work threads
protected Object doInBackground(String... strings) {

    [...]

    // Obtain the certificate chain that was trusted by the system by testing during the handshake
    X509Certificate[] chain = (X509Certificate[]) connection.getServerCertificates();
    X509TrustManagerExtensions trustManagerExt = new X509TrustManagerExtensions((X509TrustManager) (trus
    tManagerFactory.getTrustManagers()[0]));
    List<X509Certificate> trustedChain = trustManagerExt.checkServerTrusted(chain, "RSA", url.getHost());
    // Use public-key pinning to test
    boolean isValidChain = false;
    for (X509Certificate cert : trustedChain) {
        PublicKey key = cert.getPublicKey();
        MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA-256");
        String keyHash = bytesToHex(md.digest(key.getEncoded()));
        // Compare to the hash value stored by pinning
        if(PINS.contains(keyHash)) isValidChain = true;
    }
    if (isValidChain) {
        // Proceed with operation
    } else {
        // Do not proceed with operation
    }
    
    [...]
}

private String bytesToHex(byte[] bytes) {
    StringBuilder sb = new StringBuilder();
    for (byte b : bytes) {
        String s = String.format("%02x", b);
        sb.append(s);
    }
    return sb.toString();
}

5.4.3.6 使用 Google Play 服务解决 OpenSSL 漏洞的策略

Google Play 服务（版本 5.0 和更高）提供了一个称为 Provider Installer 的框架。这可以用于解决安全供应器中的漏洞，它是 OpenSSL 和其他加密相关技术的实现。详细信息请参见 “5.6.3.5 通过 Google Play 服务解决安全供应器的漏洞”。

5.4.3.7 网络安全配置

Android 7.0（API Level 24）引入了一个称为“网络安全配置”的框架，允许各个应用为网络通信配置它们自己的安全设置。通过使用此框架，应用可以轻松集成各种技术，来提高应用安全性，不仅包括与私钥证书和公钥固定的 HTTPS 通信，还可防止未加密（HTTP）通信，以及仅在调试过程中启用的私钥证书 [27]。

[27] 网络安全配置的更多信息，请见 https://developer.android.com/training/articles/security-config.html。

只需通过配置xml文件中的设置，即可访问网络安全配置提供的各种功能，它们可应用于整个应用的 HTTP 和 HTTPS 通信。这消除了修改应用代码或执行任何额外操作的需要，简化了实现并提供了防范组合错误或漏洞的有效方法。

使用私有证书通过 HTTPS 进行通信

“5.4.1.3 通过 HTTPS 与有证书进行通信”部分介绍了与私有证书（例如自签名证书或公司内部证书）的 HTTPS 通信的示例代码。但是，通过使用网络安全配置，开发人员可以在“5.4.1.2 通过 HTTPS 进行通信”的示例代码中使用私有证书，而无需实现。

使用私有证书与特定域进行通信

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<network-security-config>
    <domain-config>
        <domain includeSubdomains="true">jssec.org</domain>
        <trust-anchors>
            <certificates src="@raw/private_ca" />
        </trust-anchors>
    </domain-config>
</network-security-config>

在上面的示例中，用于通信的私有证书（private_ca）可以作为资源存储在应用中，带有使用条件及其在.xml文件中描述的适用范围。通过使用<domain-config>标签，私有证书可以仅仅应用于特定域。为了对应用执行的所有 HTTPS 通信使用私有证书，请使用<base-config>标签，如下所示。

对应用执行的所有 HTTPS 通信使用私人证书

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<network-security-config>
    <base-config>
        <trust-anchors>
            <certificates src="@raw/private_ca" />
        </trust-anchors>
    </base-config>
</network-security-config>

固定

我们在“5.4.3.5 针对固定的注解和实现示例”中提到了公钥固定。通过使用网络安全配置，如下例所示，你不必在代码中实现认证过程; 相反，xml文件中的规范足以确保正确的认证。

对 HTTPS 通信使用公钥固定

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<network-security-config>
    <domain-config>
    <domain includeSubdomains="true">jssec.org</domain>
        <pin-set expiration="2018-12-31">
            <pin digest="SHA-256">e30Lky+iWK21yHSls5DJoRzNikOdvQUOGXvurPidc2E=</pin>
            <!-- 用于备份 -->
            <pin digest="SHA-256">fwza0LRMXouZHRC8Ei+4PyuldPDcf3UKgO/04cDM1oE=</pin>
        </pin-set>
    </domain-config>
</network-security-config>

上面<pin>标签描述的数量，是用于固定的公钥的 base64 编码哈希值。唯一支持的散列函数是 SHA-256。

防止未加密（HTTP）通信

使用网络安全配置可以阻止应用进行 HTTP 通信（未加密通信）。

防止未加密（HTTP）通信

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<network-security-config>
    <domain-config cleartextTrafficPermitted="false">
    <domain includeSubdomains="true">jssec.org</domain>
    </domain-config>
</network-security-config>

在上面的例子中，我们在<domain-config>标签中指定了属性cleartextTrafficPermitted="false"。这可以防止指定域的 HTTP 通信，从而强制使用 HTTPS 通信。在<base-config>标记中包含此属性设置，将会阻止所有域的 HTTP 通信 [28]。但请谨慎注意，此设置不适用于WebView。

[28] 网络安全配置如何为非 HTTP 连接工作，请参阅以下 API 参考。

特地用于调试目的的私有证书

为了在应用开发过程中进行调试，开发人员可能希望使用私有证书，与某些 HTTPS 服务器进行通信，它们由于应用开发目的而存在。在这种情况下，开发人员必须注意确保没有危险的实现（包括禁用证书认证的代码）被合并到应用中；这在“5.4.3.3 禁用证书验证的危险代码”一节中讨论。在网络安全配置中，可以按照下面的示例来配置，来规定一组仅在调试时才使用的证书（仅当AndroidManifest.xml文件中的android:debuggable设置为true时）。这消除了危险代码可能无意中保留在应用的发行版中的风险，因此是防止漏洞的有效手段。

仅在调试时使用私有证书

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<network-security-config>
    <debug-overrides>
        <trust-anchors>
            <certificates src="@raw/private_cas" />
        </trust-anchors>
    </debug-overrides>
</network-security-config>

安卓应用安全指南 (Android Application Secure Design/Secure Coding Guidebook)