APK签名机制之——V2签名机制详解

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rushjs
1.6 2018.07.15 11:17* 字数 3695

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通过前一篇Apk签名机制之——JAR签名机制详解的分析我们知道,JAR签名需要对apk内所有文件进行hash校验,当资源较多时签名验证速度较慢。为了加快验证速度并加强完整性保证,Andorid在7.0引入一种全文件签名方案V2。下面来看V2方案的具体设计原理。

1. V2签名设计思想

在了解V2签名结构前,先来了解下zip(apk)文件的结构

1.1 ZIP文件结构

zip包结构

zip文件分为3部分:

  1. 数据区

    此区块包含了zip中所有文件的记录,是一个列表,每条记录包含:文件名、压缩前后size、压缩后的数据等;

  2. 中央目录

    存放目录信息,也是一个列表,每条记录包含:文件名、压缩前后size、本地文件头的起始偏移量等。通过本地文件头的起始偏移量即可找到压缩后的数据;

  3. 中央目录结尾记录

    标识中央目录结尾,包含:中央目录条目数、size、起始偏移量、zip文件注释内容等。

通过中央目录起始偏移量和size即可定位到中央目录,再遍历中央目录条目,根据本地文件头的起始偏移量即可在数据区中找到相应的压缩数据。

1.2 V2签名原理

Apk签名机制之——JAR签名机制详解中我们已经知道,JAR签名是在apk文件中添加META-INF目录,即需要修改数据区中央目录,因为添加文件后会导致中央目录大小和偏移量发生变化,还需要修改中央目录结尾记录。V2方案为加强数据完整性保证,不在数据区中央目录中插入数据,选择在 数据区中央目录 之间插入一个APK签名分块,从而保证了原始zip(apk)数据的完整性。具体如下所示:

v2签名前后差异

v2 签名块负责保护第 1、3、4 部分的完整性,以及第 2 部分包含的APK 签名方案 v2分块中的signed data分块的完整性。

1.3 如何定位 APK签名方案V2分块?

v2_block.png

APK签名分块包含了4部分:分块长度、ID-VALUE序列、分块长度、固定magic值。其中APK 签名方案 v2分块存放在ID为0x7109871a的键值对中。在进行签名校验时,先找到zip中央目录结尾记录,从该记录中找到中央目录起始偏移量,再通过magic值即可确定前方可能是APK签名分块,再通过前后两个分块长度字段,即可确定APK签名分块的位置,最后通过ID(0x7109871a)定位APK 签名方案 v2分块位置。

1.4 APK签名方案V2分块 格式

APK签名方案V2分块 格式

APK 签名方案 v2分块是一个签名序列,说明可以使用多个签名者对同一个APK进行签名。每个签名信息中均包含了三个部分的内容:

  • 带长度前缀的signed data

    其中包含了通过一系列算法计算的摘要列表、证书信息,以及extra信息(可选);

  • 带长度前缀的signatures序列

    通过一系列算法对signed data的签名列表。签名时使用了多个签名算法,在签名校验时会是选择系统支持的安全系数最高的签名进行校验;

  • 证书公钥

1.5 摘要计算过程

前面说了v2 签名块负责保护第 1、3、4 部分的完整性,以及第 2 部分包含的APK 签名方案 v2分块中的 signed data 分块的完整性。第1、3、4部分的完整性是通过内容摘要来保护的,这些摘要保存在signed data分块中,而signed data分块的完整性是通过签名来保证的。下面来看摘要的计算过程:

摘要计算

第 1、3 和 4 部分的摘要采用以下计算方式,类似于两级 Merkle 树

  1. 拆分chunk

    将每个部分拆分成多个大小为 1 MB大小的chunk,最后一个chunk可能小于1M。之所以分块,是为了可以通过并行计算摘要以加快计算速度;

  2. 计算chunk摘要

    字节 0xa5 + 块的长度(字节数) + 块的内容 进行计算;

  3. 计算整体摘要

    字节 0x5a + chunk数 + 块的摘要的连接(按块在 APK 中的顺序)进行计算。

    这里要注意的是中央目录结尾记录中包含了中央目录的起始偏移量,插入APK签名分块后,中央目录的起始偏移量将发生变化。故在校验签名计算摘要时,需要把中央目录的起始偏移量当作APK签名分块的起始偏移量。

1.6 v2 验证过程

来源:APK 签名方案 v2 验证

  1. 找到APK 签名分块并验证以下内容:
    a. APK 签名分块的两个大小字段包含相同的值。
    b. ZIP 中央目录结尾紧跟在ZIP 中央目录记录后面。
    c. ZIP 中央目录结尾之后没有任何数据。
  2. 找到APK 签名分块中的第一个APK 签名方案 v2 分块。如果 v2 分块存在,则继续执行第 3 步。否则,回退至使用 v1 方案验证 APK。
  3. APK 签名方案 v2 分块中的每个 signer 执行以下操作:
    a. 从 signatures 中选择安全系数最高的受支持 signature algorithm ID。安全系数排序取决于各个实现/平台版本。
    b. 使用 public key 并对照signed data 验证 signatures 中对应的 signature。(现在可以安全地解析 signed data 了。)
    c. 验证 digests 和 signatures 中的签名算法 ID 列表(有序列表)是否相同。(这是为了防止删除/添加签名。)
    d. 使用签名算法所用的同一种摘要算法计算 APK 内容的摘要。
    e. 验证计算出的摘要是否与 digests 中对应的 digest 相同。
    f. 验证 certificates 中第一个 certificate 的 SubjectPublicKeyInfo 是否与 public key 相同。
  4. 如果找到了至少一个 signer,并且对于每个找到的 signer,第 3 步都取得了成功,APK 验证将会成功。

2. 兼容机制&防回滚机制

2.1 兼容机制

因为V2签名机制是在Android 7.0中引入的,为了使APK可在Android 7.0以下版本中安装,应先用JAR签名对APK进行签名,再用V2方案进行签名。要注意顺序一定是先JAR签名再V2签名,因为JAR签名需要修改zip数据区中央目录的内容,先使用V2签名再JAR签名会破坏V2签名的完整性。

实际上我们在编译APK时并不需要关心这个过程,在Android Plugin for Gradle 2.2中,gradle默认会同时使用JAR签名和V2方案对APK进行签名,如果想要关闭JAR签名或V2签名,可以在build.gradle中进行配置:

android {
    ...
    defaultConfig { ... }
    signingConfigs {
        release {
            ...
            // v1SigningEnabled false
            v2SigningEnabled false
        }
    }
}

在 Android 7.0 中,会优先以 v2方案验证 APK,在Android 7.0以下版本中,系统会忽略 v2 签名,仅验证 v1 签名。Android 7.0+的校验过程如下:

兼容机制

2.2 防回滚机制

因为在经过V2签名的APK中同时带有JAR签名,攻击者可能将APK的V2签名删除,使得Android系统只校验JAR签名。为防范此类攻击,V2方案规定:

V2签名的APK如果还带JAR签名,其 META-INF/.SF 文件的首部中必须包含 X-Android-APK-Signed 属性。该属性的值是一组以英文逗号分隔的 APK 签名方案 ID(v2 方案的 ID 为 2)。在验证 v1 签名时,对于此组中验证程序首选的 APK 签名方案(例如,v2 方案),如果 APK 没有相应的签名,APK 验证程序必须要拒绝这些 APK。此项保护依赖于内容 META-INF/.SF 文件受 v1 签名保护这一事实。

含v2签名的META-INF/*.SF

攻击者还可能试图删除APK 签名方案 v2 分块中安全系数较高的签名,从而使系统验证安全系数较低的签名。为防范此类攻击:

对 APK 进行签名时使用的签名算法 ID 的列表会存储在通过各个签名保护的 signed data 分块中。

3. 总结

通过Apk签名机制之——JAR签名机制详解和本篇文章的分析,我们知道了:

  • JAR签名是针对ZIP文件所有文件依次进行签名;
  • V2方案是针对APK整体文件进行签名

JAR签名的劣势

  • 需对所有文件进行hash校验,速度较慢;
  • 只保证了APK内各文件的完整性,APK(zip包)其它内容的完整性未保证。

V2签名的优势

  • 只需进行一次hash校验,速度快;

    不需要计算所有文件的摘要,以分块形式进行hash,支持并行计算。

  • 除保证了APK内各文件的完整性,APK(zip包)中数据区中央目录中央目录结尾记录的完整性均得到了保证。

    zip文件的这三个区块均有扩展字段,JAR签名因为只校验文件hash,这部分的完整性未保证。

4. 回顾

现在我们可以解答Apk签名的基本概念和用法前言中提出的问题了:

签名校验的机制是什么?具体校验的是什么内容?

APK签名是为了保证APK的完整性和来源的真实性,分为JAR签名和V2签名两种方案。核心思想均是计算APK内容的hash,再使用签名算法对hash进行签名。校验时通过签名者公钥解密签名,再与校验者计算的APK内容hash进行比对,一致则校验通过。


申请第三方SDK(如微信支付)时填入的SAH1值是什么?

签名证书的指纹,在申请第三方SDK时,需填入APK包名和证书指纹,SDK开发者后台会根据这两个值生成一个key。第三方SDK在初始化时,会从系统中获取当前APK的包名、签名证书指纹以及key,然后将此指纹上传到其服务器,然后校验包名、签名证书指纹是否与此key绑定,校验通过后才进行授权。


目前众多的快速批量打包方案又是如何绕过签名检验的?

在V2方案出现之前,快速批量打包方案有3类:

  1. 反编译APK后修改渠道值,再重新打包

    这种方案实际上是重新签名,因有反编译、重新打包、签名的过程,速度相对后两种方案较慢;

  2. 将渠道信息以文件形式写入META-INF目录中

    因为META-INF目录是用来存放签名的,其本身无法加入签名校验中,在META-INF目录中添加文件不会破坏原有签名。此方案需同时修改zip数据区中央目录中央目录结尾记录

  3. 将渠道信息写到zip中央目录结尾记录的comment字段中

    通过前面分析zip文件结构,可以发现中央目录结尾记录最后注释字段,这部分内容在JAR签名方案中同样不在签名校验范围中,故添加注释也不会破坏原有签名。此方案只需修改中央目录结尾记录

v2签名后apk分块结构

在V2方案出现之后,因同时保证了数据区中央目录中央目录结尾记录的完整性,故方案2、3均不适用了。那是不是就没有快速批量打包的可能了呢?当然不是,可以从APK签名分块中着手。再回过头来看一下APK签名分块的结构:

  • size of block,以字节数(不含此字段)计 (uint64)
  • 带 uint64 长度前缀的“ID-值”对序列:
    • ID (uint32)
    • value(可变长度:“ID-值”对的长度 - 4 个字节)
  • size of block,以字节数计 - 与第一个字段相同 (uint64)
  • magic“APK 签名分块 42”(16 个字节)

APK签名分块中有一个ID-VALUE序列, 签名信息(APK 签名方案 v2 分块)只存储在ID 为 0x7109871a的ID-VALUE中,通过分析签名校验源码可以发现,其它ID-VALUE数据是未被解析的,也就是说除APK 签名方案 v2 分块外,其余ID-VALUE是不影响签名校验的。故可以定义一个新的ID-VALUE,将渠道信息写入APK签名分块中。因为V2方案只保证了第1、3、4部分和第 2 部分(APK签名分块)包含的APK 签名方案 v2分块中的 signed data 分块的完整性。新写入的ID-VALUE不受保护,所以此方案可行。实际上美团新一代渠道包生成工具Walle就是以这个方案实现的。


好了,到这里APK签名机制的全部内部就分析完了,相信大家看完这三篇文章之后,对JAR签名和V2签名机制都有了大致的了解,有兴趣的同学可以阅读签名和校验的源码进一步分析。


  1. Apk签名的基本概念和用法
  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(本篇)
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