论文精读：TAINTMINI: Detecting Flow of Sensitive Data in Mini-Programs with Static Taint Analysis (ICSE 2023)

0 views · 2024-05-14

1.Introduction

小程序市场发展迅速，已有的针对Mobile Apps的污点分析技术在以下情况存在一些不足：

多语言（WXML/JavaScript）

大量的异步event handler（例如生命周期onLaunch/onReady）

跨页数据流动

跨小程序数据流动

针对这些不足，TaintMini会追踪如下数据流：

WXML视图层 ~ JavaScript逻辑层

events ~ events

page ~ page

Mini-Program ~ Mini-Program

论文的主要贡献是：

提出了一种新的污点分析技术，拓展ODG(Object Dependency Graph)为UDFG(Universal Data Flow Graph)；

实验评估，238866个小程序中有11.38%出现了隐私数据流；

实际应用，检测恶意应用。

2.Background

小程序主要有app.json/JavaScript/WXML/WXSS四个部分，其中WXSS不包含数据流；通常敏感数据的来源是需要申请操作系统权限的操作（如定位、蓝牙）、来自host-app的数据（如微信小程序需要访问微信步数）和用户输入。

出于性能考虑，微信对单个小程序大小有限制，复杂操作可能需要多个小程序配合完成，例如购物小程序需要调起支付小程序。此时需要用到navigateToMiniProgramAPI。

3.Example & Challenges

一个例子

这个例子中就包含了各种类型的数据流动，详见原文。

与Web Apps和Mobile Apps比较

在视图层，小程序不能操作DOM；小程序支持列表/条件渲染（wx:for/if）。
在逻辑层，JavaScript是解释型、弱类型语言；而Java类似编译型语言、是强类型语言。

挑战与研究范围

为了检测小程序隐私数据潜在的泄露风险，有三类数据流目前还没有现有的污点分析技术解决：

WXML和JavaScript的互相作用，如行内逻辑wx:for/if/else，wxs代码块

异步回调：执行的顺序取决于外部系统，如用户的行为，无法预先知晓

跨页和跨小程序数据流动

本文只研究微信平台小程序。微信小程序体量大、微信也是最早提出“小程序”概念的。

4.Design

UDFG Generation

第一步是生成UDFG（通用数据流图，Universal Data Flow Graph），这是论文提出的新概念：

UDFG包含两个重要结构：

Data Node：数据流分析的最小粒度，可能是一个JS对象或WXML标签；生成方式是通过给每个页面JS文件生成AST，此过程会合并通过模块化导出/导入但最后组成同一页面的文件。

Event Group：事件组有一个非常重要的性质，就是事件组的代码同步执行；同一个JS对象节点可以属于不同的事件组。

Data-Flow Propgation

这一部分论文用数学形式给出了追踪数据传播的过程：

先看Notations：

第一、二条很好理解，只是用符号表示了UDFG的两个重要结构；

第三条 $S_{p}^{(i, n)}$ 表示一条语句 $S_{p}$ （原文是p-th JavaScript code statement，但 $p$ 的数值并不重要）属于事件组 $e_{i}$ ，并且由于事件组同步执行，一定会存在一个语句被执行的次序 $n$ ；

第四条也好理解；

第五条描述的情况是，由微信官方架构所致， $e_{j}$ 必然同步地在 $e_{i}$ 后执行，例如生命周期之间存在执行的先后顺序；

第六条表示事件组 $e_{i}$ 中有对 $e_{j}$ 的调用，并且调用的语句是 $S_{p}^{(i, n)}$ ，这就暗含了一个性质：事件组 $e_{i}$ 中执行次序大于 $n$ 的语句，会与事件组 $e_{j}$ ，这就暗含了一个性质：事件组 $e_{i}$ 中执行次序大于 $n$ 的语句，会与事件组 $e_{j}$ 异步执行。如果文字描述不够直观可以参考下面的例子：

这个例子中 $S_{p}^{(i, n)}$ 就是request函数，后续的console.log语句就是 $e_{i}$ 中执行次序大于 $n$ 的语句，它们会与 $e_{j}$ 异步执行。

然后是Rules：

第一、二条可以概括为“事件组的传递性”，第一条是官方架构所致的传递关系，第二条是间接调用导致的传递关系；

第三、四条描述了数据的同步传递；

后三条涉及一个关键思想，乐观地（原文是optimistically）检测数据流动：对于不确定执行顺序的异步数据流，有可能性即视为可以流动。

关于第五、六条，为什么第六条多了一个 $n < m$ 的与条件，参考下面的例子：

在两条规则、分别 $n < m$ 和 $n > m$ 共四种可能的情况中，有一种情况是必然会有 $O_{a}$ 到 $O_{c}$ 的数据流动，两种情况是可能会有（取决于异步执行的情况），只有一种情况是不可能发生数据流动的；根据前面提到的乐观原则，仅将这一种情况排除在外（也就是第六条规则但 $n > m$ 的情况）。

第七条同样是乐观原则的体现：没有任何约束关系的事件组，执行顺序也是任意的，因此也存在数据流动的可能性，也要考虑这种数据流动。

Data-Flow Resolution

TaintMini的目标是分析污点源和污点汇。

5.Evaluation

数据集来源于爬取并经过查重后的238866个小程序。精度方面，人工分析了100个小程序作为Ground Truth，其中有0%的FP，5%的FN（由于用户使用了非官方 API，或直接从input收集手机号）。性能方面，平均运行时间为3.73s，检测出11.38%存在敏感数据流。

6.Application

其中一个应用是检测恶意小程序。例如，研究团队发现了一个游戏小程序接收了其他小程序传来的位置信息，并且通过网络请求发送出去。认为该程序可能是恶意应用。

7.Discussion

研究的一些局限包括：

没有考虑隐式数据流（污点变量在条件分支中）

存在一些FN（可能要诉诸动态分析了）

可以拓展到其他平台

8.Related Works

略。

9.Conclusion

论文提出了静态污点分析框架TaintMini，可以检测微信小程序中敏感数据的流动。

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