关于 iOS 私有 API 扫描

导读：近期研究了关于私有 API 扫描这个主题。研读了业界现有的相关文章后发现，很多都是简单的摘录，也不对存在的谬误做任何点评。本人在阅读了网易游戏开源的 iOS private api checker 项目后，对如何构建私有 API 库、该项目又是如何识别 APP 中的私有 API、该方案存在哪些问题，一一做了阐述。

审核案例

  1. 自定义方法和私有 API 重名

    APP 没有被拒绝，但是 Apple 提醒下次更新时修改相关 API 名称。

    然而多年前，广为使用的 Three20 里包含和私有 API 重名的方法，导致很多使用该框架的 APP 审核不通过。

  2. 使用了非公开方法

    Apple 发现 APP 使用了非公开的方法 allowsAnyHTTPSCertificateForHost:，拒绝的同时还提供开发者自查的方法。

  3. 未执行到的私有 API 调用

    Qzone 中曾自定义接口 _define: 但是并没有调用过，结果也被 Apple 发现并拒绝上架。UITextView 导出的头文件中有该方法。

  4. Tim Cook 威胁下架 Uber 应用

    Uber 使用私有 API获取设备的序列号，苹果 CEO 严厉斥责该行为并威胁要下架。

调用方式

直接调用

[self.view recursiveDescription];

因为私有 API 没有暴露出来，编译会报错。可以添加匿名 Category 声明下私有方法。

@interface UIView()
-(id)recursiveDescription;
@end

字符拼接

NSArray *parts = @[@"_priva", @"teMethod"];
NSString *selectorString = [parts componentsJoinedByString:@""];
[self performSelector:NSSelectorFromString(selectorString) withObject:nil];

代码混淆

// statusBar
NSData *data = [NSData dataWithBytes:(unsigned char[]){0x73, 0x74, 0x61, 0x74, 0x75, 0x73, 0x42, 0x61, 0x72} length:9]; 
NSString *key = [[NSString alloc] initWithData:data encoding:NSASCIIStringEncoding];

检测方法

符号表

用 nm, otool 等工具导出二进制包的函数符号表，以检查私有 API 的调用。缺点是无法检测字符串拼接方法的私有 API 调用。

动态扫描

动态扫描需要应用运行起来，每当调用方法时就判断是否是私有 API，但是效率会很低，而且不能保证代码完全覆盖。

静态分析

在对二进制文件反汇编结果的基础上，进行静态分析：

  1. 找出动态调用 API 方法如 performSelector: ，以及调用对象的类
  2. 检查参数，如果参数是拼接方法生成，推导求得拼接的结果

如何推导，请阅读加拿大 Laval University 发表的题为 Static Analysis of Binary Code to Isolate Malicious Behaviors 的论文。如果拼接字符串由服务端下发，依旧可以避开检查。

网易方案

构建私有 API 库

从 Github 下载 iOS-private-api-checker 后，可使用 WEB 的方式上传一个 IPA 进行扫描。我们可以使用 virtualenv 创建一个虚拟环境，来安装所需的依赖库，以免影响系统级的 Python 环境。

# 创建虚拟环境
virtualenv venv

# 启用虚拟环境
. venv/bin/activate

# 安装依赖的库
pip install -r requirements.txt

# 启动监测服务
python run_web.py

工程的 app/templates/main/index_page.html 里介绍了检查的原理：

  1. 通过 class-dump 导出 Frameworks 及 PrivateFrameworks 的头文件，分别设置为集合 PU 和 PR
  2. 通过 Xcode 代码提示的 SQLite 数据库查询出所有的 documented API，设置为集合 DA
  3. 那么 PU - DA 为公有 Framework 中的私有 API，设置为 A
  4. PR 为私有 Framework 中的 API，都不能使用。则私有 API 集合 PRAPI = A + PR
  5. 使用 class-dump 反编译 ipa 中的 APP 文件，然后和 PRAPI 集合取交集即可获得

但是，项目根目录下的 README.md 写道：

私有的api ＝ (class-dump Framework下的库生成的头文件中的api - (Framework下的头文件里的api = 有文档的api + 没有文档的api)) + PrivateFramework下的api

我第一眼看到这个公式，对其中每一个运算项的含义不是非常肯定，对括号里写上等于号也是有疑问的。另外，这个公式里还提到了 Framework 下的头文件里的 API，而在 index_page.html 中完全没有提到。所以，建议先无视这个公式，对 index_page.html 里的文字也不要纠结。

阅读 build_api_db.py 时，看到方法 rebuild_private_api 中的注释里写道：

set_E private api
undocument_api = set_B - set_C
set_E = set_A - set_C - undocument_api = set_A - set_B
if include_private_framework: set_E = set_E + set_D

单从集合运算的角度看 set_E = set_A - set_C - undocument_api 和 set_A - set_B 能不能划等号？讲道理，应该是 set_E = set_A - (set_B + set_C) 吧。这里的 + 是套用原作者的简化写法，指集合的 ∪ 运算。所以，建议无视这个注释。

注释表述的虽有问题，但通读代码发现实际实现的逻辑是没有问题的。现根据 build_api_db.py 及相关的代码所对应的构建私有 API 库的原理做一简要阐述：

  1. set_A，表示从系统 Frameworks 目录下所有的 .framework 文件 dump 出的头文件解析出的 API 集合。对应 ios_private.db 中的 framework_dump_apis 表记录。
  2. set_B，表示从系统 Frameworks 目录下所有的 .framework 文件中的头文件解析出的 API 集合。对应 ios_private.db 中的 framework_header_apis 表记录。
  3. set_C，表示从 docSet 中索引文件解析出来的 API 集合。对应 ios_private.db 中的 document_apis 表记录。
  4. set_D，表示从系统 PrivateFrameworks 目录下所有的 .framework 文件 dump 出的头文件解析出的 API 集合。对应 ios_private.db 中的 private_framework_dump_apis 表记录。
  5. set_E，表示私有 API，从 set_A 中识别出的私有 API 对应 framework_private_apis 中的记录，表 private_apis 中的是加上 set_D 的记录。
  6. 如果 rebuild_sdk_private_api 函数的第二个参数是 False 则 set_D 不会被加入到 private_apis 表中。

构建集合 A

api_utils.py 中已经封装好了使用 class-dump 导出 .framework 的头文件。所以不需要 DumpFrameworks.pl 这类的外部脚本，而且 DumpFrameworks.pl 生成的头文件目录结构和本项目不吻合。也不需要下载 Nicolas Seiot 基于 RuntimeBrowser 导出的头文件。

我们需要做的是，保证目标系统 (比如 8.1) 的模拟器在本机已经安装，并且知道 Frameworks 及 PrivateFrameworks 的路径。

前者只需要在 Xcode / Preferences / Components / Simulator 中将 iOS 8.1 Simulator 下载下来即可。后者可以通过创建一个 Xcode 工程，设置启动参数 DYLD_PRINT_INITIALIZERS = 1 就可以在控制台找到 .framework 的全路径，比如：

/Library/Developer/CoreSimulator/Profiles/Runtimes/iOS 8.1.simruntime/Contents/Resources/RuntimeRoot/System/Library/Frameworks

需要注意的是，上述路径 iOS 和 8.1 之间存在一个空格。这个空格会引起执行 class-dump 的脚本出问题，具体如何修复后面会给出建议。

根据我的实验结果，将上述路径的 8.1 改成 9.3 或者 10.3 即为不同系统下的路径。iOS 11.4 的路径是：

/Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneOS.platform/Developer/Library/CoreSimulator/Profiles/Runtimes/iOS.simruntime/Contents/Resources/RuntimeRoot/System/Library/Frameworks

我们不需要记住这些路径，需要的是掌握获取路径的方法，用 find 命令也是 OK 的。

构建集合 B

Frameworks 路径已经在构建集合 A 的部分介绍过，api_utils.py 中 framework_header_apis 方法就是用于构建 Frameworks 目录下所有的 .framework 文件中的头文件解析出的 API 集合。看出和集合 A 的区别了吧？一个是直接处理 .framework 中包含的头文件，一个是从 .framework 中的 Mach-O 文件导出对应的头文件。

构建集合 A/D 其实就比构建集合 B 多一步，即 dump 的过程。这也是为何在 dump 时，导出头文件的目录和系统 framework 文件内部结构一致，这样使得接下来的构建集合过程的代码可以通用。

构建集合 C

生成 documented API 集合的主要障碍在于，本机缺乏 docSet。本文写于 2018 年 9 月初，我的工作机上只有 Xcode 9，而新版本的 Xcode 已经使用新的文档格式并直接集成在 Xcode 中。其实苹果官方提供了一个包含各版本文档链接等信息的 XML，将该 XML 下载到本地即可从中找到 iOS 8.1 等的文档下载链接。

# 各版本 iOS docSet 的元信息
https://developer.apple.com/library/downloads/docset-index.dvtdownloadableindex

# iOS 8.1 docSet
https://devimages-cdn.apple.com/docsets/20141020/031-07735-A.dmg

# iOS 9.3.5 docSet
https://devimages-cdn.apple.com/docsets/20160321/031-52212-A.dmg

安装下载下来的 dmg 后，在 Mac OS 根目录下便出现 docSet 文件了，你可以随意挪位置。docSet 内部的 Contents/Resources/docSet.dsidx 是我们获得集合 C 的数据源。

本人习惯使用 SQLPro for SQLite 工具查看 sqlite 数据库文件，将 docSet.dsidx 重命名为 docSet.sqlite 即可双击打开。其中 ZTOKENTYPE 表中的 func，instm，clm，intfm，intfcm 五种类型是我们要关注的：

  • func 表示全局 C 函数
  • instm 表示实例方法 instance method
  • clm 表示类方法 class method
  • intfm 表示协议方法，- 开头
  • intfcm 表示协议方法，+ 开头

凭感觉猜测 intf 是 interface 的缩写，interface 即 OOP 的接口而不是 Obj-C 定义类的那个 interface

至于最新版 iOS 的 documented API 怎么获得，本人没有研究。既然 Dash 的作者能生成 Apple API Reference 那理论上讲应该是可以生成 dsidx 文件的。记录有些许价值的 Dash Release Notes 作为日后研究的线索：

"Xcode 8 doesn’t come with docsets anymore and that means Dash won’t automatically support the iOS 10, macOS 10.12, watchOS 3 and tvOS 10 docs. I’m working on a version of Dash that supports the new docs and will release an update as soon as possible." -- Jun 14th, 2016

"Apple API Reference Support. Apple has new API docs. You can use them in Dash by installing the Apple API Reference docset." -- Jul 2nd, 2016

"The Apple API Reference docset now reads the docs from within Xcode 8. This reduces disk space usage while also allowing me to modify & improve the docs at display-time. Thanks a lot to the Xcode team at Apple for helping me understand the new documentation format!" -- Oct 25th, 2016

构建集合 D

同构建集合 A，路径的 Frameworks 改成 PrivateFrameworks 即可：

/Library/Developer/CoreSimulator/Profiles/Runtimes/iOS 8.1.simruntime/Contents/Resources/RuntimeRoot/System/Library/PrivateFrameworks/

构建集合 E

以 set_A 为处理对象：

  1. 所有以 _ 开头的方法，全部加到 set_E 中；
  2. 其他 API，如果不在 set_B 也不在 set_C 中，则加到 set_E 中
  3. 在不在 set_B / set_C 中的比较基准是 api_name，class_name，sdk 三个值
  4. 步骤 3 是基于 db 查询来实现的

代码缺陷

  1. build_api_db.py 中 rebuild_sdk_private_api(sdk_version, False)，需改成 True

  2. build_api_db.py 中 if include_private_framework 之后应该是把 private_framework_apis 插入到数据表中，而不是 framework_dump_private_apis

  3. api/api_utils.py 中 all_headers_path += iterate_dir(framework, "", os.path.join(framework_folder, header_path)) 应该改成 all_headers_path += iterate_dir(framework, "", header_path)

  4. db/dsidx_dbs.py 中 sql = balabala 需要确认 dsidx 文件中五种 TOKEN 类型对应的 ID

    比如我从 Apple 下载下来的 8.1 docSet 对应相同 ZTOKENTYPE 的 ID 不是 (3,9,12,13,16) 而是 (11,13,1,8,19)。

    如果你是从百度网盘等地方直接下载别人的 ios_private.db，请打开这个 db 检查下 document_apis 表中的数据真的都是 API 么。

    另，原作者写 (3,9,12,13,16) 是因为当时 iOS 7.0 docSet 里确实是这几个 ID，这一点我通过往前翻 commit 记录得到了确认。所以灵活一点的写法是根据 ZTYPENAME 筛选数据。

  5. dump/class_dump_utils.py 中 ret = subprocess.call(cmd.split()) 健壮性不够

    我在 Xcode 9 安装 iOS 8.1 模拟器后看到 Frameworks 路径是带空格的，经过 split 就会导致路径被拆分成两段。改成 ret = subprocess.call([class_dump_path, '-H', frame_path, '-o', out_path]) 应该就可以规避该问题。

扫描私有 API

主要逻辑

阅读 iOS_private.py 梳理出识别 APP 中私有 API 的主要逻辑如下：

  1. 基于 strings 工具从 Mach-O 文件导出字符串，按空格拆解得到集合1
  2. 使用 otool -L 从 Mach-O 文件获得用到的 Frameworks 及 PrivateFrameworks 列表
  3. 基于 class-dump 从 Mach-O 文件导出的头文件信息，解析出类名变量名集合2、方法集合3
  4. 集合4 = 集合1 - 集合2（比较基准是 api_name）
  5. 表 framework_private_apis 中按 api_name, class_name 分组得到类名方法名组合的集合5
  6. 对集合5 和集合4 按 api_name 匹配，得到集中6
  7. 集合6 和集合 3 按 api_name, class_name 匹配，得到最终的私有 API 集合

步骤2 的结果可以作为步骤5 的部分条件。白名单表 whitelist 里的数据，会从结果集中排除，对应到代码逻辑上也是在步骤5 被过滤掉。

代码缺陷

因上述步骤6 中是按 api_name, class_name 的组合做匹配条件的，故原始代码的 SQL 语句中 group by 不仅要有 api_name 还应该加上 class_name 这个字端。

改进建议

直接使用网易方案大概率是发现不了私有 API 的。检测逻辑只考虑了 api_name, class_name 全匹配，局限性太大。

  1. 在私有 API 数据库的建设上，TSRC 实验室的做法是进一步增加条件，比如一些纯小写字母的 API，大多是一些 C 函数，再过滤掉一批

  2. 在扫描算法的设计上，如果步骤5 只 group by api_name，步骤6 只匹配 api_name，同时在源代码中存在 @selector(XXX) 这样的字符串，基本可以认定该 api_name 为私有 API

  3. 对于静态拼接或者加解密的 API，可以通过动态 hook 的方式进行识别，但也存在一些局限性

  4. 加入 prefs: 及 App-Prefs: 协议的扫描

验证特定 API

苹果审核提出使用了不该用的某某 API，那么我们势必要支持筛查该 API 用在何处，是我们的 APP 还是第三方 SDK 中。在代码工程根目录，执行：

find . -type f | grep ".a" | grep -v ".app" | xargs grep advertisingIdentifier

遗留主题

在研读网易游戏的开源方案时，对于 iOS 10+ 如何构建 documented API 数据集这个问题直接跳了过去，后续可进一步调研。

参考资料

[ 1 ] Arming Lee. 腾讯 Qzone 工程师. iOS私有API扫描工作总结. 2014~2015
[ 2 ] 刘笑江. 腾讯 WeRead 工程师. iOS 私有 API 调用检测机制探讨. 2017.08.23
[ 3 ] 郑文明. iOS状态栏操作. 2016.01.07
[ 4 ] KFAaron. 导出系统库的头文件. 2016.05.18
[ 5 ] Friedrich Markgraf. LegacyDocsets. 2017.05.11
[ 6 ] 林桠泉. 腾讯安全应急响应中心. 浅谈 iOS 应用安全自动化审计. 2016.06.23
[ 7 ] Rumin Shah. How do I check where my app is using IDFA. 2015.08.03
[ 8 ] Zuik. 使用私有 API 跳转到设置界面. 2016.10.10

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