Static Data Flow Analysis for Android Applications

183 Pages·2017·4.62 MB·English

Static Data Flow Analysis for
Android Applications
StatischeDatenflussanalysefürAndroid-Anwendungen
VomFachbereichInformatikderTechnischeUniversitätDarmstadt
zurErlangungdesakademischenGradesDoktor-Ingenieur(Dr.-Ing.)
genehmigteDissertationvonStevenArzt,M.Sc.M.Sc. ausHeidelberg
TagderEinreichung:16.11.2016
TagderPrüfung:22.12.2016
1.Gutachten:Prof.EricBodden,Ph.D.
2.Gutachten:Prof.Dr.AndreasZeller
3.Gutachten:Prof.Dr.PatrickEugster
Januar2017—Darmstadt—D17
SECURE
SOFTWAREENGINEERING
GROUP
StaticDataFlowAnalysisforAndroidApplications
StatischeDatenflussanalysefürAndroid-Anwendungen
GenehmigteDissertationvonStevenArztausHeidelberg
1.Gutachten:Prof.EricBodden,Ph.D.
2.Gutachten:Prof.Dr.AndreasZeller
3.Gutachten:Prof.Dr.PatrickEugster
TagderEinreichung:16.11.2016
TagderPrüfung:22.12.2016
Darmstadt—D17
Abstract
Mobile phones have become important daily companions for millions of people which help to organize both their
private and their professional lives. Having access to data such as the calendar or the address book anywhere,
anytime, has become commonplace. Sensor data such as the phone’s GPS location and accelerometer help users
navigate through the physical world. Users can furthermore extend the functionality of their phone using small
programscalledappsfromvariousdevelopersandvendorsinanopenecosystem.Undoubtedly,havingallthisdata
merged on a device that is always-on and always-connected and that can easily be extended with new software
greatly improves user convenience. On the other hand, it also poses new questions with regard to privacy and
security. Apps may misuse the data stored on the phone or obtained from the sensors to infringe upon the user’s
privacy. In fact, companies already now use location data and app usage statistics to build user profiles for the
purposeoftargetedadvertisement.Theuserisoftentimesunawareofthesedataleaksoriginatingfromhisphone
andhaslittlemeansforanalyzingtheactualbehaviorofagivenappwithregardtoprivacy.
Static data flow analysis has been proposed as a means for automatically enumerating the data flows inside
a program. Still, either do not support Android’s platform-specific semantics or fall short on precision, recall, or
scalability. In this thesis, we therefore propose techniques for efficiently and precisely performing static data flow
analysis on real-world binary-only Android apps with large code sizes. We present the FLOWDROID tool and show
that it can detect data leaks in popular apps such as Facebook, Paypal, and LinkedIn. The FLOWDROID reports
improve the user’s digital sovereignty by allowing his to asses the behavior of the app before installing it on his
device and thereby entrusting it with his personal data. We allow the user to verify which of his data leaves the
device and how. On the DROIDBENCH micro-benchmark suite, we show that FLOWDROID achieves a precision of
morethan87%andarecallofover84%,therebyoutperformingstate-of-the-arttoolsfromacademiaandindustry.
Additionally,FLOWDROID hasalreadybeenusedasabuilding-blockformanyotherworksinthefield.
1
Zusammenfassung
Smartphones sind für Millionen von Menschen zu täglichen Begleitern geworden, mit den sie sowohl ihr privates
als auch ihr geschäftliches Leben organisieren. An jedem Ort und zu jeder Zeit Zugriff auf Daten wie den Ter-
minkalender oder das Adressbuch zu haben, gilt heute als selbstverständlich. Sensordaten wie die GPS-Position
und der im Gerät verbaute Kompass helfen Benutzern, durch die reale Welt zu navigieren. Mit zusätzlichen Pro-
grammen, sogenannten Apps, können Benutzer die Funktionalität ihres Geräts zudem erweitern. Apps werden in
einemoffenenÖkosystemvonverschiedenstenAnbieternundEntwicklernvertrieben.AlleDatenaneinemOrtzu
haben,aufeinemGerät,dasimmerverfügbarundimmerverbundenist,bietetdemBenutzerzweifelloseinhohes
Maß an Komfort. Auf der anderen Seite wirft es jedoch auch neue Fragen zu Datenschutz und Privatsphäre auf.
TatsächlichnutzenFirmenbereitsheuteDatenvonmobilenEndgeräten,umBenutzerprofilefürzielgruppenorien-
tierteWerbungzuerzeugen.DerEndnutzeristsichdieserDatenextraktionvonseinemGerätoftmalsnichtbewusst
und verfügt auch kaum über Möglichkeiten, sich darüber zu informieren, wie Apps mit seinen Daten tatsächlich
umgehen.
Statische Datenflussanalyse ist eine Technik, mithilfe derer automatisiert Datenflüsse in Programmen erkannt
werden können. Bisherigen Techniken fehlt jedoch entweder die Unterstützung für die spezifische Semantik der
Android-PlattformodersieliefernkeinehinreichendenErgebnisseinBeziugaufGenauigkeit,Vollständigkeit,Ska-
lierbarkeit oder Geschwindigkeit. In dieser Doktorarbeit stellen wir daher Technken zur statischen Datenflussana-
lyse vor, mit denen reale Android-Apps mit großen Codemengen effizient analysiert werden können, auch wenn
diesenurimBinärcodevorliegen.WirpräsentierendasFLOWDROID-Werkzeug,welchespräziseundweitestgehend
vollständige Datenflüsse aus populären Apps wie Facebook, PayPal und LinkedIn extrahiert. Die Ergebnisberichte
vonFLOWDROIDverbesserndiedigitaleSouveränitätdesBenutzers,dadiesersichnunselbsteinBilddavonmachen
kann,wieeineAppmitseinenDatenumgeht,bevorerdieAppaufseinemGerätinstalliertundihrsomitseineDa-
tenanvertraut.MitFLOWDROIDkannderBenutzernachvollziehen,welcheDatenvonseinemGeräterhobenundan
Drittegesendetwerden.AufderDROIDBENCH MicroBenchmark-SuiteliefertFLOWDROID mehrals87%allererwar-
tetenErgebnisse.84%allergemeldetenErgebnissesindkorrekt.DieseWerteliegendeutlichüberdenErgebnissen
derbisheraktuellenAnalysewerkzeuge,sowohlausdemakademischenalsauchausdemindustriellenKontext.
2
Acknowledgments
First,Iwouldliketothanktheorganizationsthatemployedmeduringthetimeofwritingthisthesisandconducting
the research that lead up to it, namely TU Darmstadt and Fraunhofer SIT. Special thanks goes to my thesis super-
visor Eric Bodden who always gave me great advice and motivation for my work as well as to Markus Schneider
fromFraunhoferSITwhogavemeanoutstandingdegreeoffreedomformyresearchduringmylateremployment
there. I would like to thank the following people for reading and commenting on drafts of this thesis. You were
a great help for pointing out incomprehensible parts, spelling mistakes, and other problems that were present in
earlier versions of this thesis: Goran Piskachev (Fraunhofer IEM), Eric Bodden (Fraunhofer IEM and Paderborn
University).
I also thank my thesis commitee for their kind support and availability for my defense even shortly before the
holidays: Johannes Buchmann, Felix Wolf, and Guido Salvaneschi. Special thanks go to the three referees for my
thesis:EricBodden,AndreasZeller,andPatrickEugster.Furthermore,Iwouldliketoexpressspecialthankstomy
office colleague Siegfried Rasthofer together with whom I published many papers, including many of those that
builtthefoundationforthisthesis.Wealwayshadveryfruitfulcollaborationsonvariousresearchtopicsandareas
ofsharedinterestinITsecurity.Ourdiscussionswerealwaysacademicallystimulating.Myspecialpersonalthanks
gotoAnaforthewonderfultimeweshareddespitemyworkload.
The measurements with JoDroid on DroidBench would not have been possible without the kind assistance of
MartinMohrfromKarlsruheInstituteofTechnology(KIT).Healwaysimmediatelyrepliedtomyquestionsandfixed
several bugs in JoDroid right away. I would also like to thank everyone who has reported bugs in the FLOWDROID,
DROIDBENCH or Soot open source projects, and especially those who have submitted fixes for the issues they have
detected. Those external contributions that are relevant for this thesis have already been explicitly mentioned in
the respective sections. Finally, I would like to thank the German Federal Ministry of Education and Research for
their funding through the projects EC SPRIDE (European Center for Security and Privacy by Design) and CRISP
(CenterforResearchinSecurityandPrivacy).
3
Table of Contents
1 CurriculumVitae 8
2 Introduction 9
2.1 ExistingTechniquesforProtectingUserPrivacy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.1 Permissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.2 Context-SensitiveAccessControl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1.3 MockData . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1.4 Store-BasedPolicyEnforcement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1.5 DataFlowAnalysis1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 ThesisStatement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3 Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4 DissertationOutline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3 ConceptsofStaticDataFlowAnalysis 18
3.1 TheJimpleIntermediateRepresentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2 SourceandSinkDefinition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3 AccessPaths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.4 TheIFDSFramework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4 PreciseStaticDataFlowAnalysis:FLOWDROID 28
4.1 Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.2 TheFLOWDROID Core . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.2.1 NormalFlowFunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.2.2 CallFlowFunction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.2.3 ReturnFlowFunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.2.4 Call-to-ReturnFlowFunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.2.5 Optimizations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.2.6 CallgraphConsiderations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.2.7 TheRuleEngine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.3 HandlingofSourcesandSinks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.4 ArrayTracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.5 ExceptionTracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.6 ImplicitDataFlowTracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.7 StrongUpdates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.8 PreciseandEfficientAliasAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.8.1 FLOWDROID’sAliasingArchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.8.2 FLOWDROID’sPtS-BasedAliasingAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.8.3 FLOWDROID’sLazyAliasingAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.8.4 FLOWDROID’sFlow-SensitiveAliasAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.8.5 AliasAnalysisforImplicitDataFlowAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.8.6 RelatedWorkonAliasAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.9 LibraryCallHandling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.9.1 EasyTaintWrapper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.9.2 LibraryDetection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.9.3 LibraryStubGeneration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.10 NativeCallHandling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.11 TheEffectofDataTypePropagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.12 TheFastSolver:AnOptimizedIFDSSolver. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.12.1 IFDSvs.IDESolving. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.12.2 FlowFunctionEfficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
1 Thissectionispartiallytakenfromour2014PLDIpaperonFLOWDROID [9].
4
4.12.3 MemoryThresholding. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.12.4 Flow-InsensitiveSolverVariant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.13 BuildingTaintPropagationPaths. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.13.1 PathBuilderInterface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.13.2 Context-InsensitiveSourceFinder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.13.3 Context-InsensitivePathBuilder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.13.4 Context-SensitivePathBuilder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.13.5 RecursivePathBuilder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.14 CodeOptimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.15 EntryPointCreation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.15.1 CreatingClassInstances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.15.2 CreatingMethodInvocations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.15.3 ModelingCallSequences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.16 TheOverallFLOWDROID Workflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.17 SupportedLanguageConstructs&Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5 StaticDataFlowAnalysisforAndroid 83
5.1 TheAndroidComponentLifecycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.2 UIControlHandling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.3 CallbackHandling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.3.1 DynamicCallbackRegistration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.3.2 DynamicBroadcastReceiverRegistration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.3.3 MethodOverwriteCallbacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.3.4 IterativeCallbackCollection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.3.5 FastCallbackCollection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.3.6 DeclarativeCallbacksonUIElements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.3.7 CallbackSources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.4 PerformanceOptimizations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.4.1 OvertaintFiltering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.4.2 CallbackFiltering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.4.3 AnalzyingOneComponentataTime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.4.4 AnalzyingOneSourceataTime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.5 RelatedWork. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.6 ExtensionstoFlowDroidforAndroid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.6.1 DetectingMaliciousFlows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.6.2 Inter-ComponentandInter-AppAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6 AutomaticLibrarySummaryGeneration:STUBDROID2 101
6.1 MotivatingExample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.2 SummaryModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.3 Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.4 SummaryGeneration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.4.1 XMLFileStorage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.4.2 SummariesandImplicit/NativeFlows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.5 Callbacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.5.1 GenericCallbacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.5.2 AndroidLifecycleMethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.6 ApplyingSummaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.6.1 Aliasing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.6.2 HandlingIncompleteSummaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.7 Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.7.1 ExperimentalSetup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.7.2 SummaryGenerationPerformance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.7.3 AnalysisPerformance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
2 LargepartsofthisSectionaretaken(directlyorwithminormodifications)fromour2016ICSEpaper[5]
5
6.7.4 RelativeSoundnessandPrecision. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.8 RelatedWork. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.8.1 Existingapproachesforlibrarysummaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.8.2 Approachesbenefitingfromsummaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
7 BenchmarkingAnalysisTools:DROIDBENCH 115
7.1 BenchmarkCategories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
7.2 EvaluatingFLOWDROID onDROIDBENCH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
7.2.1 FlowDroidConfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
7.2.2 IBMAppScanSourceConfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
7.2.3 DroidSafeConfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.2.4 JoDroidConfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.2.5 ResultsTable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.3 FlowDroidResultExplanation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
7.3.1 Aliasing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7.3.2 ArraysandLists . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7.3.3 Callbacks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7.3.4 DynamicCodeLoading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7.3.5 Inter-AppCommunication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7.3.6 Inter-ComponentCommunication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7.3.7 Lifecycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7.3.8 GeneralJava . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
7.3.9 MiscellaneousAndroid-Specific . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
7.3.10 NativeCode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
7.3.11 Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
7.3.12 Reflection_ICC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
7.3.13 Self-Modification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
7.3.14 UnreachableCode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
7.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
8 FLOWDROIDPerformanceEvaluation 131
8.1 DefaultConfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
8.2 BasicPerformanceEvaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
8.3 AdaptingTheAccessPathLength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
8.4 OneComponentataTime. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
8.5 OmittingAndroidCallbacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
8.6 DisablingDataTypePropagation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
8.7 Fast(ButImprecise)CallbackCollection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
8.8 Flow-InsensitiveDataFlowSolver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
8.9 ComparingFastSolverAndTheHerosDataFlowSolver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
9 Multi-PlatformStaticAnalysis3 153
9.1 CodeOrganizationinCIL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
9.2 TheCILTypeSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
9.3 ModelingtheCILLanguageFeatures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
9.3.1 Generics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
9.3.2 OperatorOverloading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
9.3.3 Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
9.3.4 Delegates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
9.3.5 Exceptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
9.3.6 Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
9.4 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
9.5 Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
3 LargepartsofthisSectionaretaken(directlyorwithminormodifications)fromour2016SOAPpaper[6]
6
9.6 Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
9.6.1 Performance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
9.6.2 Cross-PlatformCross-LanguageMalwareforAndroid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
9.7 RelatedWork. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
9.8 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
10 Conclusion 162
OwnPapers 164
References 165
TableofFigures 176
TableofTables 177
TableofListings 178
TableofAlgorithms 180
7
1 Curriculum Vitae
TheauthorwasborninHeidelberg,Germany.HereceivedhisBachelor’sdegreeincomputersciencefromTechni-
sche Universität Darmstadt, Germany in 2010. In 2012 he received one master’s degree in computer science and
onemaster’sdegreeinITsecurityfromthesameuniversity.Duringhisstudies,Stevenspentoneterm(winterterm
2010)attheUniversityofBritishColumbiainVancouver,Canadaasavisitinggraduatestudent.
CommunityService
Steven is one of the core maintainers of the Soot open-source compiler framework that is now used for static
analysisandprograminstrumentationbyvariousresearchgroupsaroundtheworld.Heisalsoactivelymaintaining
theFLOWDROID open-sourcestaticdataflowtrackerpresentedinthisthesistomakeitusableforotherresearchers
andtheinterestedpublic.Stevenhasservedastheco-chairofthe2014SOAPworkshop4.Hehasbeenonthetool
committees of the 2016 conference on Runtime Verification (RV’16), and the 2016 International Symposium on
SoftwareTestingandAnalysis(ISSTA’16).Additionally,hehasworkedasasubreviewerfornumerousconferences
(FSE’13, ISSTA’15, ASE’16, CODSPY’16, FSE’16, ICSE’16, ICSE’17) and as a reviewer for several journals (IEEE
Security&Privacy,IEEETransactionsonInformationForensicsandSecurity,IEEETransactionsonDependableand
SecureComputing,ACMComputingSurveys).
SupervisedBachelor&MasterTheses
• ChristopherRoth:VulnerabilityAnalysisforAndroidApps(BachelorThesis,ongoing,preliminarytitle)
• TobiasKußmaul:ProgramanalysisfortheMS.NETframework(MasterThesis,2016)
• PatrickMüller:Flow-insensitiveinformationflowanalysisforAndroid(BachelorThesis,2015)
• AlexanderJandousek:AvisualizeranddebuggerforstaticanalysesinEclipse(BachelorThesis,2014)
InvitedTalks
• InvestigatingState-of-the-ArtAndroidMalwarewithCodeInspect(AnwendertagIT-Forensik2016)
• MakingMaloryBehaveMaliciously:TargetedFuzzingofAndroidExecutionEnvironments(WODA’16)
• AllYourCodeBelongsToUs:DismantlingAndroidSecretsWithCodeInspect(GOTOCopenhagen’15)
GuestLectures
• AndroidSecurity:Wheredoesitbreakandhowcanwefixit?(UniversityofBergen,2016)
• StaticAnalysiswithSoot:AnintroductionintostaticanalysisusingSoot(UniversityofBern,2016)
• StaticSecurityAnalysis:Challenges,Tools,andTechniquesforAnalyzingAndroidandJava(RemoteLecture
forIIIT-Delhi,2014)
Awards
• IT-SicherheitspreisoftheHorstGörtzFoundation,1st place(2016)
• TUDarmstadtIdeasCompetition(“HighestFoerderpreis”),2nd place(2016)
• Innovatorsunder35,TechnologyReviewMagazineGermany(2016)
• SpecialRecognitioninthecontextoftheWalterMasingPrice(2007)
4 http://www.sable.mcgill.ca/soap/2014/
8