Android系统框架知识系列（十九）：Android安全架构深度剖析

关键词：安全启动链、应用沙箱、SELinux、硬件安全模块、权限控制、零信任架构

一、Android安全架构的基本概念与背景

1. 移动安全环境的特殊性

Android作为全球最大的移动操作系统，面临着独特的安全挑战：

移动设备的安全威胁维度：

物理接触风险：设备丢失或被盗导致数据泄露
无线攻击面：蓝牙、WiFi、NFC等无线接口的攻击向量
应用生态风险：第三方应用市场的恶意软件分发
隐私保护需求：位置、通讯录等敏感信息的保护要求

2. Android安全设计哲学

Android采用"深度防御"（Defense in Depth）策略，构建多层次的安全防护体系：

这种分层架构确保即使某一层被攻破，其他层仍然能够提供保护，极大提高了攻击者的攻击成本。

二、安全启动与信任链建立

1. 启动链验证流程

Android设备采用逐级验证的启动机制，确保系统完整性：

2. Verified Boot实现

Android从7.0开始引入全分区验证：

// dm-verity内核机制
int dm_verity_init() {
    // 1. 计算分区哈希树
    build_hash_tree();
    
    // 2. 验证根哈希
    if (verify_root_hash() != SUCCESS) {
        // 3. 损坏检测处理
        handle_corruption();
    }
    
    return SUCCESS;
}

三、应用沙箱与隔离机制

1. Linux内核级隔离

Android利用Linux内核特性实现应用隔离：

核心隔离机制：

UID/GID隔离：每个应用分配唯一用户ID和组ID
文件系统权限：基于Linux权限模型的访问控制
Capability机制：限制进程的系统权限

2. 应用沙箱实现

// Zygote进程孵化应用
void forkAppProcess() {
    // 创建新进程
    pid_t pid = fork();
    
    if (pid == 0) {
        // 子进程：设置权限限制
        setuid(app_uid);
        setgid(app_gid);
        
        // 设置Capability边界
        cap_set_bound(CAPABILITY_BOUND_SET);
        
        // 挂载私有文件系统
        mount_private_filesystem();
    }
}

四、SELinux强制访问控制

1. SELinux策略架构

Android从5.0开始全面启用SELinux：

策略类型：

宽容模式（Permissive）：仅记录不拒绝
强制模式（Enforcing）：严格执行策略

2. 策略配置文件

# 服务标签定义
type system_server, domain;
type system_server_exec, exec_type, file_type;

# 权限规则
allow system_server mediaserver:process { transition };
allow system_server mediaserver_tmpfs:file { read write };

五、硬件安全支持

1. 硬件密钥库（Keymaster）

Android利用硬件安全模块保护密钥：

// 密钥生成与存储
KeyGenParameterSpec spec = new KeyGenParameterSpec.Builder(
    "alias", KeyProperties.PURPOSE_ENCRYPT | KeyProperties.PURPOSE_DECRYPT)
    .setBlockModes(KeyProperties.BLOCK_MODE_GCM)
    .setEncryptionPaddings(KeyProperties.ENCRYPTION_PADDING_NONE)
    .setUserAuthenticationRequired(true)
    .build();

KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance(
    KeyProperties.KEY_ALGORITHM_AES, "AndroidKeyStore");
keyGenerator.init(spec);
SecretKey key = keyGenerator.generateKey();

2. 强盒（StrongBox）实现

Android 9+支持专用安全芯片：

// 检查StrongBox支持
if (KeyInfo.isInsideSecureHardware()) {
    // 使用安全芯片存储密钥
    KeyProtection protection = new KeyProtection.Builder()
        .setIsStrongBoxBacked(true)
        .build();
}

六、权限控制系统

1. 运行时权限模型

Android 6.0引入的动态权限机制：

// 权限请求流程
if (checkSelfPermission(Manifest.permission.ACCESS_FINE_LOCATION) 
    != PERMISSION_GRANTED) {
    
    // 解释权限用途
    if (shouldShowRequestPermissionRationale(
        Manifest.permission.ACCESS_FINE_LOCATION)) {
        showExplanationDialog();
    }
    
    // 请求权限
    requestPermissions(new String[]{
        Manifest.permission.ACCESS_FINE_LOCATION
    }, REQUEST_CODE);
}

2. 特殊权限保护

受限权限类别：

后台位置访问：Android 10+需要特殊审批
系统警报窗口：SYSTEM_ALERT_WINDOW权限
设备管理权限：设备管理员特权

七、数据加密与保护

1. 全盘加密（FDE）

Android 5.0-9.0的加密方案：

// dm-crypt加密实现
int cryptfs_setup_volume() {
    // 派生加密密钥
    key = derive_key_from_password(password);
    
    // 设置加密映射
    ioctl(device, DM_TABLE_LOAD, &crypt_params);
    
    // 激活加密设备
    ioctl(device, DM_DEVICE_CREATE);
}

2. 基于文件的加密（FBE）

Android 10+的现代化加密：

// 文件级加密策略
StorageManager storage = getSystemService(StorageManager.class);
if (storage.isFileEncrypted()) {
    // 每个文件使用独立密钥
    File file = new File("/data/app/private.file");
    file.setEncryptionKey(perFileKey);
}

八、更新与漏洞管理

1. 安全更新机制

更新渠道：

月度安全补丁：Google定期发布修复
Project Mainline：通过Google Play更新系统组件
A/B系统更新：无缝更新体验

2. 漏洞严重性评级

Android使用CVSS评分系统：

// 漏洞风险评估
Vulnerability vuln = scanSystemVulnerabilities();
if (vuln.getCVSSScore() >= 7.0) {
    // 高危漏洞，立即修复
    scheduleEmergencyUpdate();
} else if (vuln.getCVSSScore() >= 4.0) {
    // 中危漏洞，月度修复
    scheduleMonthlyUpdate();
}

九、隐私保护增强

1. 数据访问审计

Android 11引入的数据访问日志：

// 隐私数据访问监控
PrivacyManager privacy = getSystemService(PrivacyManager.class);
privacy.addOnPrivacyItemsChangedListener(items -> {
    for (PrivacyItem item : items) {
        logDataAccess(item.getPackageName(), 
                     item.getDataType(),
                     item.getAccessTime());
    }
});

2. 近似位置权限

Android 12提供的精确定位保护：

// 请求近似位置
if (checkSelfPermission(ACCESS_COARSE_LOCATION) == GRANTED &&
    checkSelfPermission(ACCESS_FINE_LOCATION) != GRANTED) {
    // 只能获取近似位置
    Location location = getApproximateLocation();
}

Android系统框架知识系列（十九）：Android安全架构深度剖析 - 从内核到应用的全栈防护