Архітектурні рішення мережевого екранування в операційних системах Android та iOS: порівняльний аналіз рівнів ядра, системних розширень та застосунка

Abstract

Стаття присвячена порівняльному аналізу архітектурних рішень, що лежать в основі мережевого екранування в операційних системах Android та iOS. Актуальність дослідження зумовлена домінуючим становищем цих двох операційних систем на ринку мобільних комунікаційних пристроїв і принциповими відмінностями їх архітектурної організації, що визначають можливості та обмеження сторонніх засобів контролю мережевих з'єднань. Встановлено, що архітектура мережевого екранування операційної системи Android на основі модуля Netfilter/iptables і технології extended Berkeley Packet Filter достатньо детально висвітлена у наукових публікаціях, тоді як архітектура мережевого екранування операційної системи iOS, а саме фреймворк NetworkExtension (разом із системним пакетним фільтром PF ядра XNU та тунельним інтерфейсом utun) розглядаються існуючими дослідженнями лише фрагментарно, у загальному ряду характеристик безпеки, без виділення як самостійного предмета аналізу. Для усунення виявленої прогалини виконано послідовну декомпозицію архітектур обох операційних систем на порівнюємі рівні – ядро, системні служби та розширення, користувацький застосунок. Показано, що мережевий екран операційної системи Android реалізується трьома архітектурними моделями. На основі Netfilter/iptables/eBPF, на основі eBPF у складі платформи Android Open Source Project та на основі непривілейованого програмного інтерфейсу VpnService. Тоді як в операційній системі iOS функції мережевого екрана розподілені між конфігураційними та виконавчими модулями фреймворку NetworkExtension (NEFilterManager, EFilterProviderConfiguration, NEFilterDataProvider, NEFilterControlProvider), а застосування вердиктів здійснюється через системний тунельний інтерфейс utun. Визначено, що архітектурні відмінності між операційними системами виявляються на трьох рівнях. Відкритості ядра, кількості та спеціалізації точок розширення для сторонніх розробників і моделі ізоляції виконання фільтрувального коду. Спільним для обох операційних систем обмеженням виступає неможливість одночасної роботи декількох незалежних мережевих фільтрів. Запропонована декомпозиційна модель яка симетрично відображає архітектуру мережевого екранування обох операційних систем на порівнюваних рівнях. Отримані результати декомпозиції архітектур формують основу для подальшої розробки єдиної методології та системи критеріїв порівняльного аналізу мережевих екранів операційних систем Android та iOS.

This article is devoted to a comparative analysis of the architectural solutions underlying network filtering in the Android and iOS operating systems. The relevance of this research stems from the dominant position of these two operating systems in the mobile communications device market and the fundamental differences in their architectural organization, which determine the capabilities and limitations of third-party tools for controlling network connections. It has been established that the network filtering architecture of the Android operating system, based on the Netfilter/iptables module and the extended Berkeley Packet Filter technology, is covered in considerable detail in scientific publications, whereas the network filtering architecture of the iOS operating system-specifically the NetworkExtension framework (along with the XNU kernel’s PF system packet filter and the utun tunneling interface)—is addressed only fragmentarily in existing studies, generally within the context of security characteristics, without being singled out as a separate subject of analysis. To address this identified gap, a systematic decomposition of the architectures of both operating systems was performed at comparable levels—the kernel, system services and extensions, and user applications. It is shown that the Android operating system’s network firewall is implemented using three architectural models: One is based on Netfilter/iptables/eBPF, another is based on eBPF as part of the Android Open Source Project, and the third is based on the unprivileged VpnService software interface. In contrast, in the iOS operating system, firewall functions are distributed among the configuration and execution modules of the NetworkExtension framework (NEFilterManager, FilterProviderConfiguration, NEFilterDataProvider, NEFilterControlProvider), and the enforcement of rules is carried out via the utun system tunnel interface. It has been determined that architectural differences between the operating systems manifest at three levels: kernel openness, the number and specialization of extension points for third-party developers, and the model of execution isolation for filtering code. A limitation common to both operating systems is the inability to run multiple independent network filters simultaneously. A decomposition model is proposed that symmetrically reflects the network filtering architecture of both operating systems at comparable levels. The results of this architectural decomposition form the basis for the further development of a unified methodology and a system of criteria for the comparative analysis of network filters in the Android and iOS operating systems.