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1. 概述
1.1 为什么要给应用签名?
应用 APK 其实是一种特殊的 Zip 压缩包,无法避免恶意破解者解压 / 反编译修改内容,针对这个问题有何解决方案呢?他山之石,可以攻玉 ——数字签名算法。应用签名正是数字签名算法的应用场景之一,与其他应用场景类似,目的无非是:
- 认证
Android 平台上运行的每个应用都必须有开发者的签名。在安装应用时,软件包管理器会验证 APK 是否已经过适当签名,安装程序会拒绝没有获得签名就尝试安装的应用。
- 验证完整性
软件包管理器在安装应用前会验证应用摘要,如果破解者修改了 apk 里的内容,那么摘要就不再匹配,验证失败(验证流程见下文方案)。
提示: 使用数字签名的优点是验证过程无须复杂的接口和权限,只需要在本机验证。
1.2 数字签名 & 验证模型
在之前我写过的一篇文章里,我曾经分析过数字签名 & 验证模型:《密码学 | 高屋建瓴!摘要、签名与数字证书都是什么?》。在这里我简单复述下:
- 1、私钥签名: 先使用消息摘要算法对原始消息做摘要处理,然后再使用私钥对摘要进行签名;
- 2、公钥验证: 使用公钥验证签名,检查是否与消息的摘要值。
1.3 数字证书签名 & 验证模型
Editting...
需要注意的是,Android 目前不对应用证书进行 CA 认证,应用可以由第三方(OEM、运营商、其他应用市场)签名,也可以自行签名。
1.4 应用签名方案演进
截止至 Android 11,Android 支持以下三种应用签名方案:
- v1 签名方案:基于 Jar 签名;
- v2 签名方案:提高验证速度和覆盖度(在 Android 7.0 Nougat 中引入);
- v3 签名方案:实现密钥轮转(在 Android 9.0 Pie 中引入)。
为了提高兼容性,必须按照 v1、v2、v3 的先后顺序采用签名方案,低版本平台会忽略高版本的签名方案在 APK 中添加的额外数据。
2. 签名方案 v1
v1 签名方案是基于 Jar 的签名。
2.1 签名产物
首先,我们先来分析其签名产物。v1 签名后会增加 META-INF 文件夹,其中会有如下三个文件。考虑到使用不同的证书和签名方式,得到的文件名可能不同,因此你只要留意文件的后缀即可:
META-INF
├── MANIFEST.MF
├── CERT.SF
├── CERT.RSA
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文件 | 描述 |
MANIFEST.MF | 记录「apk 中每一个文件对应的摘要」(除了 META-INF 文件夹) |
*.SF | 记录「MANIFEST.MF 文件的摘要」和「MANIFEST.MF 中每个数据块的摘要」 |
*.RSA | 包含了「*.SF 文件的签名」和「包含公钥的开发者证书」 |
提示: 如果 apk 中文件数很多,而且文件名很长,那么 MANIFEST.MF 和 *.SF 两个文件会变得很大。有没有办法优化呢?见 第 5.1 节 优化摘要记录文件大小。
2.2 签名流程
v1 签名流程如下:
- 1、计算每个文件的 SHA-1 摘要,进行 BASE64 编码后写入 MANIFEST.MF 文件;
MANIFEST.MF(Message Digest File,摘要文件)
Manifest-Version: 1.0
Built-By: Generated-by-ADT
Created-By: Android Gradle 3.1.0
Name: AndroidManifest.xml
SHA1-Digest: 9hTSmRfzHEeQc7V2wxBbTT3DmCY= 【文件的摘要】
...
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- 2、计算整个 MANIFEST.MF 文件的 SHA-1 摘要,进行 BASE64 编码后写入 *.SF 文件;
- 3、计算 MANIFEST.MF 文件中每一块摘要的 SHA-1 摘要,进行 BASE64 编码后写入 *.SF 文件;
\*.SF(Signature File,签名文件)
Signature-Version: 1.0
Created-By: 1.0 (Android)
SHA1-Digest-Manifest: MJQyZ0dc4dv7G9nlJPAMQLwEwbU= 【MANIFEST.MF 文件的摘要】
X-Android-APK-Signed: 2
Name: AndroidManifest.xml
SHA1-Digest: IJioMmfD693T4qnUJcPKhq9woHQ= 【摘要的摘要】
...
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- 4、计算整个 *.SF 文件的数字签名(先摘要再私钥加密);
- 5、将数字签名和 X.509 开发者数字证书(公钥)写入 *.RSA 文件。
提示:*.RSA 文件加密了,需要使用 openssl 工具打开。
2.3 验证流程
验证流程可以分为验证签名和验证完整性两个步骤:
验证签名步骤:
- 1、取出 *.RSA 中包含的开发者证书;
- 2、【注意:这里不向 CA 认证开发者证书合法性】;
- 3、用证书中的公钥解密 *.RSA 中包含的签名;
- 4、用证书中的公钥计算 *.SF 的签名;
- 5、对比 (3) 和 (4) 的签名是否一致;
如果上述签名验证结果正确,才会验证完整性:
- 1、计算 MANIFEST.MF 的摘要;
- 2、对比 *.SF 中的摘要和 (1) 的摘要是否一致;
- 3、如果一致,再用 MANIFEST.MF 中的每一块数据去校验每一个文件是否被修改。
以上任何步骤验证失败,则整个 APK 验证失败。
2.4 存在的问题
- 完整性覆盖范围不足:Zip 文件中部分内容不在验证范围,例如 META-INF 文件夹;
- 验证速度较差:验证程序必须解压所有压缩的条目,这需要花费更多时间和内存。
为了解决这些问题,Android 7.0 中引入了 APK 签名方案 v2。
3. 签名方案 v2
v2 签名方案是一种 全文件签名方案,该方案能够发现对 APK 的受保护部分进行的所有更改,相对于 v1 签名方案验证速度更快,完整性覆盖范围更广。
提示: 为了兼容低版本,使用 v2 签名方案的同时,还需要使用 v1 签名方案。
3.1 Zip 文件简介
在分析 v2 签名方案之前,我们先简单了解一下 Zip 文件格式:
- Zip 文件主体结构分为三个部分:「条目内容区」&「中央目录区」&「中央目录结尾区(EoCD)」。
- EoCD 中记录了中央目录的起始位置,在「条目内容区」和「中央目录区」之间插入了其他数据不会影响 Zip 解压。
3.2 签名产物
首先,我们先来分析其签名产物。v2 签名后会在 「条目内容区」和「中央目录区」之间插入「APK 签名分块(APK Signing Block)」。
从左到右边,我们定义为区块 1~4。
3.2 签名流程
相对与 v1 签名方案,v2 签名方案不再以文件为单位计算摘要了,而是以 1 MB 为单位将文件拆分为多个连续的块(chunk),每个分区的最后一个块可能会小于 1 MB。
v2 签名流程如下:
- 1、对区块 1、3、4,按照 1MB 大小分割为多个块(chunk);
- 2、计算每个块的摘要;
- 3、计算 (2) 中所有摘要的签名。
- 4、添加 X.509 开发者数字证书(公钥)
引用自 source.android.com/security/ap… —— Android Developers
3.3 验证流程
验证流程可以分为验证签名和验证完整性两个步骤:
- 验证签名步骤:用公钥验证区块 2 的签名;
- 验证完整性步骤:用「APK数据摘要集」验证每一块数据的摘要。
4. 签名方案 v3
签名方案 v3 支持密钥轮换,应用能够在 APK 更新过程中更改其签名密钥。
【累了,后面先不写了...】
5. 衍生应用场景
这一节,我们介绍基于 Android 应用签名机制的衍生应用场景。
5.1 优化摘要记录文件大小
在 v1 方案中,MANIFEST.MF 和 *.SF 这两个文件会记录大量的文件名和文件摘要。如果 apk 中文件数很多,而且文件名很长,那么这两个文件会变得很大。使用 AndResGuard 工具,可以将文件名转换为短路径文件名,从而减少这两个文件的大小。
5.2 多渠道打包方案
在实际生产中,往往需要生成多个渠道的 APK 包,传统的方法是使用 APKTool 逆向工具、Flavor + BuildType 等方案,这一类多渠道打包方案的缺点是耗时严重。随着 Android 应用签名方案的演进,演变出了不同的多渠道打包方案:
v1 方案时代下的多渠道打包
- 添加空文件
在 v1 方案中,我们提到了完整性校验不覆盖到 META-INF 文件夹的问题。有些多渠道打包方案就是利用了这个问题,在 META-INF 文件夹下添加空文件,用空文件的名称来作为渠道的唯一标识,就可以节省打包的时间,提高打渠道包的速度。
- Zip Comment
除了添加空文件的方法,还可以向 APK 添加 Zip Comment 来生成多渠道包(APK 本身就是特殊的 Zip 包)。
v2 方案时代下的多渠道打包
在 v2 签名方案中,几乎整个 APK 都纳入保护范围,如果向 APK 添加空文件或 Zip Comment 的话,在安装时会报以下错误:
Failure [INSTALL_PARSE_FAILED_NO_CERTIFICATES:
Failed to collect certificates from base.apk: META-INF/CERT.SF indicates base.apk is signed using APK Signature Scheme v2,
but no such signature was found. Signature stripped?]
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新背景下的多渠道打包方案,则是利用了 APK 签名分块(区块 2)不受保护 & 字段可扩展的特点,向区块中添加多渠道信息(ID-Value),例如 美团多渠道打包方案 Walle。