【NDSS 2021】On the Insecurity of SMS One-Time Password Messages against Local Attackers in Modern Mobile Devices 论文笔记

作者：Zeyu Lei¹, Yuhong Nan¹, Yanick Fratantonios², Antonio Bianchi¹

单位：¹Purdue University（普渡大学）, ²EURECOM（欧洲通信学院） & Cisco Talos（思科安全智能研究与分析团队）

会议：NDSS 2021

论文链接：On the Insecurity of SMS One-Time Password Messages against Local Attackers in Modern Mobile Devices

Abstract

包含一次性口令（One-Time Passwords，OTP）的SMS消息被广泛应用于身份验证中。

本文研究了“local attacks”条件下，攻击者的恶意应用程序，如何窃取到受害者设备上收到的OTP。

作者总结了Android和iOS上，应用程序访问收到的SMS 消息中的OTP的三类途径；并分别分析了恶意程序通过各类途径，非法获取OTP的具体方式。

1. SMS OTP 身份验证机制

SMS（Short Message Service）：短信息服务，允许用户在移动网络上，通过手机等移动设备发送文本型短信。

OTP（One-Time Password）：一次性口令。

基本验证流程：

2. 应用程序读取SMS中OTP的途径

作者总结了Android和iOS上，应用程序获取SMS消息中OTP的三类不同途径。

划分依据：应用程序访问OTP过程中，所需要的用户交互类型。

2.1 Access with User Interactions

第一类途径是methods requiring per-message user interaction，每一次OTP的获取，都需要用户的交互操作才能完成。

“ask-to-copy” 机制：Android和iOS中均有
“One-Tap SMS” 机制：Android中特有

2.2 Access by Requesting SMS Permissions

第二类途径是methods requiring SMS-related permissions，需要用户手动为该应用分配SMS相关的权限，主要包括READ_SMS权限和RECEIVE_SMS权限。

操作系统和Google Play应用市场对相关权限均有政策限制。

2.3 Fully-automated Access via Modern SMS APIs

第三类途径是fully-automated methods that do not require user interaction，该途径完全自动化，无需用户的参与，对用户透明。

这种途径主要存在于Android中，因为Android引入了三种不同的 “Modern SMS API”，以支持完全自动化的SMS OTP身份验证方式。这三种API分别是SMS Retriever、SMS Token和SMS Token+。

2.3.1 SMS Retriever API

使用条件：
- 需要Google Play服务可用
  SMS Retriever API仅在具有10.2版本和更高版本Play服务的Android设备上可用
认证流程： 服务器端计算哈希码

其中哈希码的计算方法如下：
- concat ：字符串拼接
- truncate(string, X) ：截取string的前X位作为返回值

2.3.2 SMS Token API

使用条件：
- 2017年8月Google开始提供，具有Android 8或更高版本的设备均可用
认证流程： Android操作系统生成Token
- Token：每次createAppSpecificSmsToken()方法被调用时， SMS Token API都会生成一个随机Token（一小段文本），例如：Eqhn SOxhzw

2.3.3 SMS Token+ API

使用条件：
- Android 10 引入
认证流程：
按照官方文档的说法，SMS Token+与SMS Token基本相同，区别主要是允许开发人员自定义SMS前缀过滤列表。
实际的实现中：Android操作系统生成的Token，始终等于调用该API的应用程序的哈希码，而不是随机值。

2.3.4 三个API的其他主要特点

3. 恶意应用借助这三类途径，窃取到用户OTP的方法

3.1 攻击条件

攻击者能控制一个安装在受害者设备上的恶意应用
该恶意应用能通过网络发送数据

3.2 针对methods requiring per-message user interaction

针对第一类途径，作者提出攻击者可以通过欺骗用户获取OTP。

恶意应用向用户询问其电话号码
恶意应用联系合法应用的后端服务器，以受害者的电话号码作为号码，远程请求受害者合法帐户的SMS OTP消息。
受害者将收到包含合法帐户OTP的SMS消息。
恶意应用会想方设法欺骗用户，让用户将收到的OTP粘贴或输入到恶意应用的界面中。

针对该攻击方案，作者使用名为Marvel App 的在线工具，进行了用户实验。实验界面如下图所示。
一旦被实验者将OTP插入恶意应用中，便认为该OTP已被盗用。实验结果如下所示。

3.3 针对methods requiring SMS-related permissions

针对第二种途径，作者提出攻击者可以绕过操作系统限制（Bypassing OS-level Restrictions）和绕过应用市场限制（Bypassing Market-level Restrictions），来实现攻击。

3.3.1 绕过操作系统限制

关于绕过操作系统限制，作者认为用户普遍缺乏对SMS相关权限的了解，并不了解允许应用读取SMS消息的后果，并进行了用户问卷调查，问卷界面及调查结果如下所示。

3.3.2 绕过应用市场限制

关于绕过应用市场限制，作者提出了两个攻击点。

其一是，当应用程序的被首次上传到应用市场（文中为Google Play）时，对SMS相关权限的审查较为严格；但当应用的更新版本被上传时，相关审查存在缺失。作者认为这可能是由于版本更新时，Google Play没有进行人工筛查。

其二是，可以通过获取名为BIND_NOTIFICATION_LISTENER_SERVICE的用于读取通知的权限。所有收到的SMS消息都会触发包含其内容的通知。因此，具有读取通知权限的应用程序可以读取包含OTP的SMS消息。

3.4 针对fully-automated methods that do not require user interaction

3.4.1 针对SMS Retriever API

针对SMS Retriever API，攻击主要利用开发人员的API误用——很多开发人员将哈希值的计算过程放在了应用程序端进行，再由应用程序端发送给服务器端，而没有按照安全标准，将该计算过程放在服务器端进行。

3.4.2 针对SMS Token API

3.4.3 针对SMS Token+ API

针对SMS Token+ API的攻击过程，与针对SMS Token API 的攻击过程相类似。

但是，作者通过逆向工程分析发现，实际实现中，SMS Token+ 机制下，Android操作系统生成的Token，始终等于调用该API的应用程序的哈希码，而不是随机值。

（因此正确的用法是，忽略API调用的返回值，直接使用哈希码）

3.4.4 Modern API 的其他安全问题

Modern APIs’ Inbox Management
SMS Retriever、SMS Token、SMS Token+旨在仅将SMS OTP传递给特定的应用程序。因此，使用这些API收到的SMS消息不应存储在SMS Inbox中。否则，能够获得读SMS权限的恶意应用就可以读取它们并获得OTP。
- SMS Retriever：始终将收到的SMS消息存储在Inbox中。
- SMS Token、SMS Token+：只有当设备上存在与SMS消息的Token相对应的app时，消息才不会被放入Inbox。
Cryptographic Weaknesses
SMS Retriever 中哈希码的计算方法如下：
这将哈希算法的强度降低到66 bits。
按照，NIST标准，SHA256返回值，不应被截断到少于224 bits。

4. 针对Modern API的实验结果

4.1 静态分析筛选

针对SMS Token和SMS Token+：
- 本质上就不安全
- 检测createAppSpecificToken()和create…WithPackageInfo()方法的调用情况
针对SMS Retriever：
- 检测应用程序中，是否有计算哈希码+发送哈希码到服务器的过程：
  - 通过观察哈希码生成相关method的调用情况
  - 通过观察网络相关method的调用情况
- 检测应用程序中，是否有访问本地硬编码哈希码+发送哈希码到服务器的过程
  - 作者自行计算该应用的哈希码，并进行字符串匹配
  - 通过观察网络相关method的调用情况

4.2 动态分析验证

作者手动与该应用的服务器进行交互，触发其身份验证过程。

4.3 实验结果

数据集：
2019年12月至2020年2月之间，从Google Play中获取到的140,586个应用程序

Suspicious：通过了手动逆向分析，确认使用了相关API
Confirmed：作者确认了存在漏洞，且未得到修复
Fixed：作者确认了存在漏洞，且已得到开发人员修复

Confirmed : 在 Google Play中总安装次数超过1.33亿次

Confirmed + Fixed : 在 Google Play中总安装次数超过2.3亿次

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