APK签名机制原理详解

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前言

众所周知,Android系统在安装Apk的过程中,会对Apk进行签名校验,校验通过后才能安装成功。那你知道签名校验的机制是什么?具体校验的是什么内容吗?申请第三方SDK(如微信支付)时填入的SAH1值是什么?目前众多的快速批量打包方案又是如何绕过签名检验的?

我将通过一系列的文章来解开这些疑惑:

  1. Apk签名的基本概念和用法(本篇)
  2. Apk签名机制之——JAR签名机制详解
  3. Apk签名机制之——V2签名机制详解

这篇文章先来介绍Apk签名相关的基本知识。

  1. 签名是什么?如何进行签名?
  2. keystore和证书格式
  3. jarsigner和apksigner的区别

1. 签名是什么?

要知道签名是什么,先来看为什么需要签名 。大家都知道,在消息通信时,必须至少解决两个问题:一是确保消息来源的真实性,二是确保消息不会被第三方篡改。在安装Apk时,同样需要确保Apk来源的真实性,以及Apk没有被第三方篡改。如何解决这两个问题呢?方法就是开发者对Apk进行签名:在Apk中写入一个“指纹”。指纹写入以后,Apk中有任何修改,都会导致这个指纹无效,Android系统在安装Apk进行签名校验时就会不通过,从而保证了安全性。

要了解如何实现签名,需要了解两个基本概念:数字摘要和数字证书。

1.1 数字摘要

数字摘要是将任意长度的消息变成固定长度的短消息,它类似于一个自变量是消息的函数,也就是Hash函数。数字摘要就是采用单向Hash函数将需要加密的明文“摘要”成一串固定长度的密文,这一串密文又称为数字指纹,它有固定的长度,而且不同的明文摘要成密文,其结果总是不同的,而同样的明文其摘要必定一致。

简单来说,就是对一个任意长度的数据,通过一个Hash算法计算后,都可以得到一个固定长度的二进制数据,这个数据就称为“摘要”。摘要具有下面的几个特征:

  1. 唯一性

    在不考虑碰撞的情况下,不同的数据的计算出的摘要是不同的。

  2. 固定长度

    不同的Hash算法计算的长度是不一样的,但对同一个算法来说是一样的。比较常用的Hash算法有MD5和SHA1,MD5的长度是128拉,SHA1的长度是160位。

  3. 不可逆性

    即从正向计算的摘要不可能逆向推导出原始数据。

1.2 签名和校验的大体过程

前面已经说到,可以通过签名来确保数据来源的可靠性和数据的不可篡改性。签名就是在摘要的基础上再进行一次加密,对摘要加密后的数据就可以当作数字签名,在安装Apk需要对签名进行验证,验证通过才能继续安装。

这里有两个过程:签名过程 和 校验过程。

签名校验

先来说签名过程:

  1. 计算摘要

    通过Hash算法提取出原始数据的摘要;

  2. 计算签名

    再通过基于密钥(私钥)的非对称加密算法对提取出的摘要进行加密,加密后的数据就是签名信息;

  3. 写入签名

    将签名信息写入原始数据的签名区块内。

再来看校验过程:

  1. 计算摘要

    接收方接收到数据后,首先用同样的Hash算法从接收到的数据中提取出摘要;

  2. 解密签名

    使用发送方的公钥对数字签名进行解密,解密出原始摘要;

  3. 比较摘要

    如果解密后的数据和提取的摘要一致,则校验通过;如果数据被第三方篡改过,解密后的数据和摘要不一致,校验不通过。

1.3 数字证书

这里有一个前提:接收方必须要知道发送方的公钥和所使用的算法。如果数字签名和公钥一起被篡改,接收方无法得知,还是会校验通过。如何保证公钥的可靠性呢?答案是数字证书,数字证书是身份认证机构(Certificate Authority)颁发的,包含了以下信息:

  • 证书颁发机构
  • 证书颁发机构签名
  • 证书绑定的服务器域名
  • 证书版本、有效期
  • 签名使用的加密算法(非对称算法,如RSA)
  • 公钥 等

接收方收到消息后,先向CA验证证书的合法性(根据证书的签名、绑定的域名等信息。CA机构是权威的,可以保证这个过程的可靠性。)再进行签名校验。

关于通过数字证书进行签名校验的详细过程,可以参考我之前写的一篇关于HTTPS通信机制的介绍:详谈HTTPS通信机制,HTTPS是如何进行安全通信的?

需要注意的是,Apk的证书通常的自签名的,也就是由开发者自己制作,没有向CA机构申请。Android在安装Apk时并没有校验证书本身的合法性,只是从证书中提取公钥和加密算法,这也正是对第三方Apk重新签名后,还能够继续在没有安装这个Apk的系统中继续安装的原因。

1.4 签名和校验过程

完整的签名和校验过程如下:(图片来源:维基百科

签名校验

2. keystore和证书格式

我们在对Apk签名时并没有直接指定私钥、公钥和数字证书,而是使用keystore文件,这些信息都包含在了keystore文件中。根据编码不同,keystore文件分为很多种,Android使用的是Java标准keystore格式JKS(Java Key Storage),所以通过Android Studio导出的keystore文件是以.jks结尾的。

keystore使用的证书标准是X.509,X.509标准也有多种编码格式,常用的有两种:pem(Privacy Enhanced Mail)和der(Distinguished Encoding Rules)。jks使用的是der格式,Android也支持直接使用pem格式的证书进行签名,我们下面会介绍。

两种证书编码格式的区别:

  • DER(Distinguished Encoding Rules)

    二进制格式,所有类型的证书和私钥都可以存储为der格式。

  • PEM(Privacy Enhanced Mail)

    base64编码,内容以-----BEGIN xxx----- 开头,以-----END xxx----- 结尾,比如:

-----BEGIN RSA PRIVATE KEY-----
MIIEpAIBAAKCAQEAlmXFRXEZomRKhNRp2XRoXH+2hm17RfrfecQlT49fktoDLkF6r99uiNnuUdPi6UQuXOnzEbe1nZkfuqfB10aBLrDqBUSZ+3
-----END RSA PRIVATE KEY-----

-----BEGIN CERTIFICATE-----
MIICvTCCAaWgAwIBAgIEcWTElDANBgkqhkiG9w0BAQsFADAPMQ0wCwYDVQQDEwRyPQDLnVKeEIh81OwD3KIrQOUwsxyptOVVea1D8CzIAnGs
-----END CERTIFICATE-----


X.509证书格式:

X.509证书格式

3. jarsigner和apksigner的区别

Android提供了两种对Apk的签名方式,一种是基于JAR的签名方式,另一种是基于Apk的签名方式,它们的主要区别在于使用的签名文件不一样:jarsigner使用keystore文件进行签名;apksigner除了支持使用keystore文件进行签名外,还支持直接指定pem证书文件和私钥进行签名。

android {
    signingConfigs {
        config {
            storeFile file(keystoreProperties['storeFile'])
            storePassword keystoreProperties['storePassword']
            keyAlias keystoreProperties['keyAlias']
            keyPassword keystoreProperties['keyPassword'] 
        }
    }
    ...
  }

不知道大家有没有注意一个问题,我们通过keytool或者AS生成一个keystore的时候(签署您的应用),除了要输入keystore的密码外,还要输入一个alias和key的密码。在签名时,除了要指定keystore文件和密码外,也要指定alias和key的密码,这是为什么呢?

原因是keystore是一个密钥库,也就是说它可以存储多对密钥和证书,keystore的密码是用于保护keystore本身的,一对密钥和证书是通过alias来区分的。从这里可以看出jarsigner是支持使用多个证书对Apk进行签名的。apksigner也同样支持,关于apksigner的使用介绍可以参考官方文档apksigner

3.1 签名相关命令

● jarsigner签名
jarsigner -keystore keystore_file -signedjar signed.apk unsigned.apk alias_name -storepass pwd

● apksigner签名
java -jar signapk.jar cert.x509.pem private.pk8 unsigned.apk signed.apk

● 查看keystore文件
keytool -list  -v -keystore keystore_file -storepass pwd

● 查看apk证书
keytool -printcert -jarfile apk

● 查看DER格式证书(META-INFO/CERT.RSA)
openssl pkcs7 -inform DER -in CERT.RSA -noout -print_certs -text

● 查看PEM格式证书
openssl x509 -in cert.x509.pem -text -noout

● apksigner检查apk是否签名,以及查看证书SHA1值
apksigner verify -v --print-certs

ok,签名的基本概念和校验过程就介绍到这里,关于JAR签名和V2签名机制的详细介绍,参考下面两篇文章:

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