Mechanisms for Resource Protection on the Android Platform

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Establishing mandatory access control on Android OS

Common characteristic of all mobile operating systems for smart devices is an extensive middleware that provides a feature-rich API for the onboard sensors and user’s data (e.g., contacts). To effectively protect the device’s integrity, the user’s privacy, and to ensure non-interference between mutually distrusting apps, it is imperative that the middleware enforces rigid security and privacy policies. This thesis presents a line of work that integrates mandatory access control (MAC) mechanisms into the middleware of the popular, open source Android OS. While our early work established a basic understanding for the integration of enforcement hooks and targeted very specific use-cases, such as multi-persona phones, our most recent works adopt important lessons learned and design patterns from established MAC architectures on commodity systems and intertwine them with the particular security requirements of mobile OS architectures like Android. Our most recent work also complemented the Android IPC mechanism with provisioning of better provenance information on the origins of IPC communication. Such information is a crucial building block for any access control mechanism on Android. Lastly, this dissertation outlines further directions of ongoing and future research on access control on modern mobile operating systems.Gemeinsame Charakteristik aller modernen mobilen Betriebssysteme für sog. ”smart devices” ist eine umfangreiche Diensteschicht, die funktionsreiche Programmierschnittstellen zu der Gerätehardware sowie den Endbenutzerdaten (z.B. Adressbuch) bereitstellt. Um die Systemintegrität, die Privatsphäre des Endbenutzers, sowie die Abgrenzung sich gegenseitig nicht vertrauender Apps effektiv zu gewährleisten, ist es unabdingbar, dass diese Diensteschichten rigide Sicherheitspolitiken umsetzen. Diese Dissertation präsentiert mehrere Forschungsarbeiten, die “Mandatory Access Control” (MAC) in die Diensteschicht des weit verbreiteten Android Betriebssystems integrieren. Die ersten dieser Arbeiten schufen ein grundlegendes Verständnis für die Integration von Zugriffsmechanismen in das Android Betriebssystem und waren auf sehr spezielle Anwendungsszenarien ausgerichtet. Neuere Arbeiten haben hingegen wichtige Erkenntnisse und Designprinzipien etablierter MAC Architekturen auf herkömmlichen Betriebssystemen für Android adaptiert und mit den speziellen Sicherheitsanforderungen mobiler Systeme verflochten. Die letzte Arbeit in dieser Reihe hat zudem Androids IPC Mechanismus untersucht und dahingehend ergänzt, dass er bessere Informationen über den Ursprung von IPC Nachrichten bereitstellt. Diese Informationen sind fundamental für jedwede Art von Zugriffskontrolle auf Android. Zuletzt diskutiert diese Dissertation aktuelle und zukünftige Forschungsthemen für Zugriffskontrollen auf modernen, mobilen Endgeräten

Retrofitting privacy controls to stock Android

Android ist nicht nur das beliebteste Betriebssystem für mobile Endgeräte, sondern auch ein ein attraktives Ziel für Angreifer. Um diesen zu begegnen, nutzt Androids Sicherheitskonzept App-Isolation und Zugangskontrolle zu kritischen Systemressourcen. Nutzer haben dabei aber nur wenige Optionen, App-Berechtigungen gemäß ihrer Bedürfnisse einzuschränken, sondern die Entwickler entscheiden über zu gewährende Berechtigungen. Androids Sicherheitsmodell kann zudem nicht durch Dritte angepasst werden, so dass Nutzer zum Schutz ihrer Privatsphäre auf die Gerätehersteller angewiesen sind. Diese Dissertation präsentiert einen Ansatz, Android mit umfassenden Privatsphäreeinstellungen nachzurüsten. Dabei geht es konkret um Techniken, die ohne Modifikationen des Betriebssystems oder Zugriff auf Root-Rechte auf regulären Android-Geräten eingesetzt werden können. Der erste Teil dieser Arbeit etabliert Techniken zur Durchsetzung von Sicherheitsrichtlinien für Apps mithilfe von inlined reference monitors. Dieser Ansatz wird durch eine neue Technik für dynamic method hook injection in Androids Java VM erweitert. Schließlich wird ein System eingeführt, das prozessbasierte privilege separation nutzt, um eine virtualisierte App-Umgebung zu schaffen, um auch komplexe Sicherheitsrichtlinien durchzusetzen. Eine systematische Evaluation unseres Ansatzes konnte seine praktische Anwendbarkeit nachweisen und mehr als eine Million Downloads unserer Lösung zeigen den Bedarf an praxisgerechten Werkzeugen zum Schutz der Privatsphäre.Android is the most popular operating system for mobile devices, making it a prime target for attackers. To counter these, Android’s security concept uses app isolation and access control to critical system resources. However, Android gives users only limited options to restrict app permissions according to their privacy preferences but instead lets developers dictate the permissions users must grant. Moreover, Android’s security model is not designed to be customizable by third-party developers, forcing users to rely on device manufacturers to address their privacy concerns. This thesis presents a line of work that retrofits comprehensive privacy controls to the Android OS to put the user back in charge of their device. It focuses on developing techniques that can be deployed to stock Android devices without firmware modifications or root privileges. The first part of this dissertation establishes fundamental policy enforcement on thirdparty apps using inlined reference monitors to enhance Android’s permission system. This approach is then refined by introducing a novel technique for dynamic method hook injection on Android’s Java VM. Finally, we present a system that leverages process-based privilege separation to provide a virtualized application environment that supports the enforcement of complex security policies. A systematic evaluation of our approach demonstrates its practical applicability, and over one million downloads of our solution confirm user demand for privacy-enhancing tools

Towards Modular and Flexible Access Control on Smart Mobile Devices

Smart mobile devices, such as smartphones and tablets, have become an integral part of our daily personal and professional lives. These devices are connected to a wide variety of Internet services and host a vast amount of applications, which access, store and process security- and privacy-sensitive data. A rich set of sensors, ranging from microphones and cameras to location and acceleration sensors, allows these applications and their back end services to reason about user behavior. Further, enterprise administrators integrate smart mobile devices into their IT infrastructures to enable comfortable work on the go. Unsurprisingly, this abundance of available high-quality information has made smart mobile devices an interesting target for attackers, and the number of malicious and privacy-intrusive applications has steadily been rising. Detection and mitigation of such malicious behavior are in focus of mobile security research today. In particular, the Android operating system has received special attention by both academia and industry due to its popularity and open-source character. Related work has scrutinized its security architecture, analyzed attack vectors and vulnerabilities and proposed a wide variety of security extensions. While these extensions have diverse goals, many of them constitute modifications of the Android operating system and extend its default permission-based access control model. However, they are not generic and only address specific security and privacy concerns. The goal of this dissertation is to provide generic and extensible system-centric access control architectures, which can serve as a solid foundation for the instantiation of use-case specific security extensions. In doing so, we enable security researchers, enterprise administrators and end users to design, deploy and distribute security extensions without further modification of the underlying operating system. To achieve this goal, we first analyze the mobile device ecosystem and discuss how Android's security architecture aims to address its inherent threats. We proceed to survey related work on Android security, focusing on system-centric security extensions, and derive a set of generic requirements for extensible access control architectures targeting smart mobile devices. We then present two extensible access control architectures, which address these requirements by providing policy-based and programmable interfaces for the instantiation of use-case specific security solutions. By implementing a set of practical use-cases, ranging from context-aware access control, dynamic application behavior analysis to isolation of security domains we demonstrate the advantages of system-centric access control architectures over application-layer approaches. Finally, we conclude this dissertation by discussing an alternative approach, which is based on application-layer deputies and can be deployed whenever practical limitations prohibit the deployment of system-centric solutions