Gradle(10)一篇文章看懂 v1/v2/v3 签名机制

·  阅读 6944
Gradle(10)一篇文章看懂 v1/v2/v3 签名机制

请点赞关注,你的支持对我意义重大。

🔥 Hi,我是小彭。本文已收录到 GitHub · AndroidFamily 中。这里有 Android 进阶成长知识体系,有志同道合的朋友,关注公众号 [彭旭锐] 带你建立核心竞争力。

前言

  • 在打生产包时,一定需要对 apk 签名,那么你知道为什么要给应用签名吗?
  • 在这篇文章里,我将分析 Android apk 的签名机制,并介绍 v1、v2 和 v3 三种安装包签名方案的原理与演进。如果能帮上忙,请务必点赞加关注,这真的对我非常重要。

这篇文章是 Gradle 系列文章第 10 篇,相关 Android 工程化专栏完整文章列表:

一、Gradle 基础:

二、AGP 插件:

三、组件化开发:

四、AOP 面向切面编程:

五、相关计算机基础


目录


前置知识

这篇文章的内容会涉及以下前置 / 相关知识,贴心的我都帮你准备好了,请享用~


1. 什么是应用签名?

1.1 数字签名模型

数字签名(Digital Signature)也叫作数字指纹(Digital Fingerprint),它是消息摘要算法和非对称加密算法的结合体,能够验证数据的完整性,并且认证数据的来源

数据签名算法的模型分为两个主要阶段:

  • 1、签名: 先计算数据的 [摘要],再使用私钥对 [摘要] 进行加密生成 [签名],将 [数据 + 签名] 一并发送给接收方;
  • 2、验证: 先使用相同的摘要算法计算接收数据的 [摘要],再使用预先得到的公钥解密 [签名],对比 [解密的签名] 和 [计算的摘要] 是否一致。若一致,则说明数据没有被篡改。

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。

1.2 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。

1.3 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。

引用自 source.android.com/security/ap… —— Android Developers


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
复制代码
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*.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】

...
复制代码
  • 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】

...
复制代码
  • 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。

引用自 zhuanlan.zhihu.com/p/108034286 —— 木质的旋律 著

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,得到摘要;
  • 4、计算 *.SF 的摘要;
  • 5、对比 (3) 和 (4) 的摘要是否一致;

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 记录中的文件摘要和 (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)」

引用自 source.android.com/security/ap… —— Android Developers

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*.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。

引用自 time.geekbang.org/column/arti… —— 张绍文 著

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?]
复制代码

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


6. 总结

  • 签名应用是处于两个目的:认证 & 验证完整性,即:认证 APK 的开发者以及验证 APK 内容是否被篡改。截止到 Android 11,一共有 v1、v2、v3 三种签名方案。

  • v1 是基于 Jar 的签名方案,它存在完整性覆盖范围不足 & 验证速度较差两个问题。

  • Android 7.0 推出的 v2 签名方案优化了这两个问题,通过「条目内容区」和「中央目录区」之间插入「APK 签名分块(APK Signing Block)」,优化了 v1 方案的两大问题。

  • Android 9.0 推出的 v3 方案是 v2 方案的优化版本,满足了密钥轮换的需求。


参考资料

我是小彭,带你构建 Android 知识体系。技术和职场问题,请关注公众号 [彭旭锐] 私信我提问。

分类:
Android
收藏成功!
已添加到「」, 点击更改