apk签名原理及实现

   发布过Android应用的朋友们应该都知道，Android APK的发布是须要签名的。签名机制在Android应用和框架中有着十分重要的做用。

例如，Android系统禁止更新安装签名不一致的APK；若是应用须要使用system权限，必须保证APK签名与Framework签名一致，等等。在《APK Crack》一文中，咱们了解到，要破解一个APK，必然须要从新对APK进行签名。而这个签名，通常状况没法再与APK原先的签名保持一致。（除非APK原做者的私钥泄漏，那已是另外一个层次的软件安全问题了。）

简单地说，签名机制标明了APK的发行机构。所以，站在软件安全的角度，咱们就能够经过比对APK的签名状况，判断此APK是否由“官方”发行，而不是被破解篡改太重新签名打包的“盗版软件”。

Android签名机制

    为了说明APK签名比对对软件安全的有效性，咱们有必要了解一下Android APK的签名机制。为了更易于你们理解，咱们从Auto-Sign工具的一条批处理命令提及。

在《APK Crack》一文中，咱们了解到，要签名一个没有签名过的APK，可使用一个叫做Auto-sign的工具。Auto-sign工具实际运行的是一个叫作Sign.bat的批处理命令。用文本编辑器打开这个批处理文件，咱们能够发现，实现签名功能的命令主要是这一行命令：

    java -jar signapk.jar testkey.x509.pem testkey.pk8 update.apk update_signed.apk

    这条命令的意义是：经过signapk.jar这个可执行jar包，以“ testkey.x509.pem ”这个公钥文件和“ testkey.pk8 ”这个私钥文件对“ update.apk ”进行签名，签名后的文件保存为“ update_signed.apk ”。

    对于此处所使用的私钥和公钥的生成方式，这里就不作进一步介绍了。这方面的资料你们能够找到不少。咱们这里要讲的是signapk.jar到底作了什么。

    signapk.jar是Android源码包中的一个签名工具。因为Android是个开源项目，因此，很高兴地，咱们能够直接找到signapk.jar的源码！路径为/build/tools/signapk/SignApk.java。

对比一个没有签名的APK和一个签名好的APK，咱们会发现，签名好的APK包中多了一个叫作META-INF的文件夹。里面有三个文件，分别名为MANIFEST.MF、CERT.SF和CERT.RSA。signapk.jar就是生成了这几个文件（其余文件没有任何改变。所以咱们能够很容易去掉原有签名信息）。

    经过阅读signapk源码，咱们能够理清签名APK包的整个过程。

一、 生成MANIFEST.MF文件：

程序遍历update.apk包中的全部文件(entry)，对非文件夹非签名文件的文件，逐个生成SHA1的数字签名信息，再用Base64进行编码。具体代码见这个方法：

1     Manifest manifest = addDigestsToManifest(inputJar);
2     je = new JarEntry(JarFile.MANIFEST_NAME);
3     je.setTime(timestamp);
4     outputJar.putNextEntry(je);
5     manifest.write(outputJar);

    这里简单介绍下SHA1数字签名。简单地说，它就是一种安全哈希算法，相似于MD5算法。它把任意长度的输入，经过散列算法变成固定长度的输出（这里咱们称做“摘要信息”）。你不能仅经过这个摘要信息复原原来的信息。另外，它保证不一样信息的摘要信息彼此不一样。所以，若是你改变了apk包中的文件，那么在apk安装校验时，改变后的文件摘要信息与MANIFEST.MF的检验信息不一样，因而程序就不能成功安装。

二、 生成CERT.SF文件：

对前一步生成的Manifest，使用SHA1-RSA算法，用私钥进行签名。关键代码以下：

1     Signature signature = Signature.getInstance("SHA1withRSA");
2     signature.initSign(privateKey);
3     je = new JarEntry(CERT_SF_NAME);
4     je.setTime(timestamp);
5     outputJar.putNextEntry(je);
6     writeSignatureFile(manifest,
7     new SignatureOutputStream(outputJar, signature));

    RSA是一种非对称加密算法。用私钥经过RSA算法对摘要信息进行加密。在安装时只能使用公钥才能解密它。解密以后，将它与未加密的摘要信息进行对比，若是相符，则代表内容没有被异常修改。

三、 生成CERT.RSA文件：

生成MANIFEST.MF没有使用密钥信息，生成CERT.SF文件使用了私钥文件。那么咱们能够很容易猜想到，CERT.RSA文件的生成确定和公钥相关。

CERT.RSA文件中保存了公钥、所采用的加密算法等信息。核心代码以下：

    private static Manifest addDigestsToManifest(JarFile jar)

关键代码以下：

 1     for (JarEntry entry: byName.values()) {
 2         String name = entry.getName();
 3         if (!entry.isDirectory() && !name.equals(JarFile.MANIFEST_NAME) &&
 4             !name.equals(CERT_SF_NAME) && !name.equals(CERT_RSA_NAME) &&
 5                (stripPattern == null ||!stripPattern.matcher(name).matches())) {
 6                 InputStream data = jar.getInputStream(entry);
 7                 while ((num = data.read(buffer)) > 0) {
 8                     md.update(buffer, 0, num);
 9                 }
10                 Attributes attr = null;
11                 if (input != null) attr = input.getAttributes(name);
12                 attr = attr != null ? new Attributes(attr) : new Attributes();
13                 attr.putValue("SHA1-Digest", base64.encode(md.digest()));
14                 output.getEntries().put(name, attr);
15           }
16     }

    以后将生成的签名写入MANIFEST.MF文件。关键代码以下：

1     je = new JarEntry(CERT_RSA_NAME);
2     je.setTime(timestamp);
3     outputJar.putNextEntry(je);
4     writeSignatureBlock(signature, publicKey, outputJar);

    其中writeSignatureBlock的代码以下：

 1     private static void writeSignatureBlock(
 2         Signature signature, X509Certificate publicKey, OutputStream out)
 3             throws IOException, GeneralSecurityException {
 4                 SignerInfo signerInfo = new SignerInfo(
 5                 new X500Name(publicKey.getIssuerX500Principal().getName()),
 6                 publicKey.getSerialNumber(),
 7                 AlgorithmId.get("SHA1"),
 8                 AlgorithmId.get("RSA"),
 9                 signature.sign());
10 
11         PKCS7 pkcs7 = new PKCS7(
12             new AlgorithmId[] { AlgorithmId.get("SHA1") },
13             new ContentInfo(ContentInfo.DATA_OID, null),
14             new X509Certificate[] { publicKey },
15             new SignerInfo[] { signerInfo });
16 
17         pkcs7.encodeSignedData(out);
18     }

    好了，分析完APK包的签名流程，咱们能够清楚地意识到：

一、 Android签名机制实际上是对APK包完整性和发布机构惟一性的一种校验机制。

二、 Android签名机制不能阻止APK包被修改，但修改后的再签名没法与原先的签名保持一致。（拥有私钥的状况除外）。

三、 APK包加密的公钥就打包在APK包内，且不一样的私钥对应不一样的公钥。换句话言之，不一样的私钥签名的APK公钥也必不相同。因此咱们能够根据公钥的对比，来判断私钥是否一致。

APK签名比对的实现方式

    好了，经过Android签名机制的分析，咱们从理论上证实了经过APK公钥的比对能判断一个APK的发布机构。而且这个发布机构是很难假装的，咱们暂时能够认为是不可假装的。

    有了理论基础后，咱们就能够开始实践了。那么如何获取到APK文件的公钥信息呢？由于Android系统安装程序确定会获取APK信息进行比对，因此咱们能够经过Android源码得到一些思路和帮助。

    源码中有一个隐藏的类用于APK包的解析。这个类叫PackageParser，路径为frameworks\base\core\java\android\content\pm\PackageParser.java。当咱们须要获取APK包的相关信息时，能够直接使用这个类，下面代码就是一个例子函数：

 1     private PackageInfo parsePackage(String archiveFilePath, int flags){
 2         
 3         PackageParser packageParser = new PackageParser(archiveFilePath);
 4         DisplayMetrics metrics = new DisplayMetrics();
 5         metrics.setToDefaults();
 6         final File sourceFile = new File(archiveFilePath);
 7         PackageParser.Package pkg = packageParser.parsePackage(
 8                 sourceFile, archiveFilePath, metrics, 0);
 9         if (pkg == null) {
10             return null;
11         }
12         
13         packageParser.collectCertificates(pkg, 0); 
14         
15         return PackageParser.generatePackageInfo(pkg, null, flags, 0, 0);
16     }

    其中参数archiveFilePath指定APK文件路径；flags需设置PackageManager.GET_SIGNATURES位，以保证返回证书签名信息。

    具体如何经过PackageParser获取签名信息在此处不作详述，具体代码请参考PackageParser中的public boolean collectCertificates(Package pkg, int flags)和private Certificate[] loadCertificates(JarFile jarFile, JarEntry je, byte[] readBuffer)方法。至于如何在Android应用开发中使用隐藏的类及方法，能够参看个人这篇文章：《Android应用开发中如何使用隐藏API》。

    紧接着，咱们就能够经过packageInfo.signatures来访问到APK的签名信息。还须要说明的是 Android中Signature和Java中Certificate的对应关系。它们的关系以下面代码所示：

1     pkg.mSignatures = new Signature[certs.length];
2     for (int i=0; i<N; i++) {
3         pkg.mSignatures[i] = new Signature(
4         certs[i].getEncoded());
5     }

    也就是说signature = new Signature(certificate.getEncoded()); certificate证书中包含了公钥和证书的其余基本信息。公钥不一样，证书确定互不相同。咱们能够经过certificate的getPublicKey方法获取公钥信息。因此比对签名证书本质上就是比对公钥信息。

    OK，获取到APK签名证书以后，就剩下比对了。这个简单，功能函数以下所示:

 1     private boolean IsSignaturesSame(Signature[] s1, Signature[] s2) {
 2             if (s1 == null) {
 3                 return false;
 4             }
 5             if (s2 == null) {
 6                 return false;
 7             }
 8             HashSet<Signature> set1 = new HashSet<Signature>();
 9             for (Signature sig : s1) {
10                 set1.add(sig);
11             }
12             HashSet<Signature> set2 = new HashSet<Signature>();
13             for (Signature sig : s2) {
14                 set2.add(sig);
15             }
16             // Make sure s2 contains all signatures in s1.
17             if (set1.equals(set2)) {
18                 return true;
19             }
20             return false;
21         }

APK签名比对的应用场景

  通过以上的 论述 ，想必你们已经明白签名 比对 的原理和个人实现方式了。那么何时什么状况适合使用签名对比来保障Android APK的软件安全呢？

    我的认为主要有如下三种场景：

一、 程序自检测。在程序运行时，自我进行签名比对。比对样本能够存放在APK包内，也可存放于云端。缺点是程序被破解时，自检测功能一样可能遭到破坏，使其失效。

二、 可信赖的第三方检测。由可信赖的第三方程序负责APK的软件安全问题。对比样本由第三方收集，放在云端。这种方式适用于杀毒安全软件或者APP Market之类的软件下载市场。缺点是须要联网检测，在无网络状况下没法实现功能。（不可能把大量的签名数据放在移动设备本地）。

三、 系统限定安装。这就涉及到改Android系统了。限定仅能安装某些证书的APK。软件发布商须要向系统发布上申请证书。若是发现问题，能追踪到是哪一个软件发布商的责任。适用于系统提供商或者终端产品生产商。缺点是过于封闭，不利于系统的开放性。

以上三种场景，虽然各有缺点，但缺点并非不能克服的。例如，咱们能够考虑程序自检测的功能用native method的方法实现等等。软件安全是一个复杂的课题，每每须要多种技术联合使用，才能更好的保障软件不被恶意破坏。