Android虚拟化隔离技术

Android虚拟化框架（Android Virtualization Framework，AVF）是Google在Android 13中首次引入的一项技术，旨在为Android设备提供安全且私密的执行环境，该技术通过虚拟化技术将应用程序和系统服务隔离在独立的虚拟机中运行，从而提高系统的安全性和稳定性。

一、AVF的主要特性

1、高安全性：AVF提供了比传统Android应用沙盒更高的安全性，受保护的虚拟机（pVM）能够确保应用程序在一个隔离的环境中运行，即使主机系统遭到入侵，虚拟机中的数据和代码也能保持安全。

2、灵活性：AVF支持多种应用场景，开发者可以根据需求选择不同的虚拟化配置，通过Microdroid，开发者可以在虚拟机中运行精简版的Android操作系统，从而减少资源消耗并提高性能。

3、易于集成：AVF提供了丰富的API和工具，开发者可以轻松地将虚拟化功能集成到现有的应用程序中，VirtualizationService管理虚拟机的生命周期，并提供了便捷的接口用于创建和管理虚拟机。

二、AVF的工作原理

AVF利用虚拟化技术，将工作负载与操作系统相互隔离，它可以有效地扩展基础设施、测试环境、遗留软件兼容性、创建虚拟桌面等，AVF的核心组件包括基于内核的受保护虚拟机（pKVM）、Microdroid（一个精简版的Android操作系统）以及VirtualizationService（虚拟化服务），这些组件共同构建了一个安全、灵活且高效的虚拟化环境。

三、AVF的隔离等级

AVF提供单向隔离与双向隔离两种隔离等级：

1、单向隔离：Android（主机）可以控制和检查VM的内容，它们最常用于沙箱和分离，使多个操作系统能够在同一台机器/设备上运行，并由一个操作系统主机（Android）控制和监视所有其他操作系统主机。

2、双向隔离：Android（主机）和虚拟机（客机）彼此完全隔离，处理或存储敏感数据的开发者可能会受益于隔离的虚拟机，隔离的虚拟机具有双向屏障，主机（Android）和虚拟机都无法相互访问，除非通过明确商定的通信通道。

四、AVF的应用示例

AVF特别适用于需要高安全性和隐私保护的应用场景，例如金融应用、企业应用和敏感数据处理等，以下是一个简单的应用示例：

环境准备：需要确保开发环境支持AVF，AVF仅支持ARM64架构的设备，开发者需要安装最新版本的Android Studio，并确保设备运行支持AVF的Android版本。

配置虚拟机：开发者需要创建一个配置文件来定义虚拟机的操作系统和任务，以下是一个示例配置文件vm_config.json：

{
  "os": {
    "name": "microdroid"
  },
  "task": {
    "type": "microdroid_launcher",
    "command": "MicrodroidTestNativeLib.so"
  }
}

实现Binder服务：在虚拟机中运行的应用部分需要实现一个Binder服务，用于与主机应用进行通信。

extern "C"
int android_native_main(int, char**) {
  // 实现Binder服务
  return 0;
}

创建和运行虚拟机：在主机应用中，开发者需要编写代码来创建和管理虚拟机。

// 准备配置文件
VirtualMachineConfig config = new VirtualMachineConfig.Builder(getApplication(), "assets/vm_config.json").build();
// 创建或加载虚拟机
VirtualMachine vm = VirtualMachineManager.getInstance(getApplication()).getOrCreate("my_vm", config);
// 运行虚拟机
vm.run();

与虚拟机通信：主机应用可以通过注册回调函数来与虚拟机中的Binder服务进行通信。

// 注册回调函数
vm.setCallback(Executors.newSingleThreadExecutor(), new VirtualMachineCallback() {
  @Override
  public void onPayloadReady(VirtualMachine vm) {
    // 连接到Binder服务
    IBinder binder = vm.connectToVsockServer(PORT).get();
    IMyService svc = IMyService.Stub.asInterface(binder);
    // 使用自定义AIDL接口与服务通信
    Result res = svc.doSomething();
  }
});
vm.run();

AVF为Android设备提供了一个安全、灵活且高效的虚拟化解决方案，随着技术的不断发展和完善，AVF将在更多设备和应用场景中得到广泛应用。

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