Android APK签名

Android APK安装时的签名校验原理

Android APK安装时的签名校验原理主要是通过验证APK文件的签名信息来确保APK文件的完整性和来源的可信性。具体过程如下：

1. 签名生成：开发者使用Android SDK提供的工具生成一个密钥库文件（.keystore），其中包含一个或多个数字证书。然后，使用这些工具将APK文件与数字证书进行关联，生成一个签名文件（如.RSA文件）。

2. 签名打包：签名文件与APK文件一起打包成最终的APK文件，供用户下载和安装。

3. 安装时校验：当用户尝试安装APK文件时，Android系统会执行以下校验步骤：

   • 提取签名信息：从APK文件中提取出签名文件（如.RSA文件）和证书信息。
   • 计算摘要：使用与签名时相同的哈希算法（如SHA-256）对APK文件的内容进行哈希计算，得到一个新的摘要。
   • 验证签名：使用证书中的公钥对签名文件中的签名进行解密，得到原始的摘要。然后，将这个解密得到的摘要与刚刚计算出的新摘要进行比较。
   • 检查证书链：验证证书链的有效性，确保证书是由受信任的证书颁发机构（CA）签发的，或者证书链中的某个证书已经预置在Android系统中。

4. 结果判断：如果签名信息一致且证书链有效，Android系统会认为APK文件是完整且来自可信的开发者，允许用户安装和运行该APK文件。如果签名信息不一致或证书链无效，Android系统会提示用户安装失败或存在潜在风险。

V1到V4签名的异同和特点

签名版本	引入时间	签名方式	安全性	兼容性	特点
V1 (JAR签名)	早期Android版本	基于Java签名框架	较低	广泛	- 将整个APK文件作为一个整体进行签名。 - 使用MD5和SHA1哈希算法，以及RSA或DSA加密算法。 - 适用于所有Android系统版本，但安全性较低。
V2 (APK Signature Scheme v2)	Android 7.0 (API 24)	增量签名	较高	Android 7.0及以上	- 只对APK内容的部分进行签名，提高签名效率和验证性能。 - 使用SHA256哈希算法和ECDSA签名算法。 - 提供对APK文件进行验证和完整性检查的机制。 - 与V1签名共存，确保兼容性。
V3 (APK Signature Scheme v3)	Android 9.0 (API 28)	进一步增强V2签名	更高	Android 9.0及以上	- 采用更强大的签名算法和更长的密钥长度。 - 仍然采用增量签名方式。 - 提供签名块的完整性保护和签名的附加时间戳。 - 可选使用，应用可同时包含V1、V2和V3签名。
V3.1 (APK Signature Scheme v3+)	Android 13	V3签名的改进版本	更高	Android 13及以上	- 解决V3签名在轮替方面的一些已知问题。 - 支持SDK版本定位功能，允许轮替定位到平台的更高版本。 - 使用在Android 12或更低版本中无法识别的分块ID。
V4 (APK Signature Scheme v4+)	Android 11.0	支持ADB增量APK安装	特定场景	Android 11及以上	- 基于Merkle哈希树计算APK的所有字节。 - 完全遵循fs-verity哈希树的结构。 - 签名存储在单独的.apk.idsig文件中，不包含在APK文件中。 - 需要V2或V3签名作为补充，用于ADB增量安装。

总结

Android APK签名是确保APK文件的完整性和来源可信的重要机制。签名过程使用开发者的私钥对APK进行签名，而用户设备上的系统会使用开发者的公钥来验证签名的有效性。结合这篇文章的内容，我们可以从原理和源码层面（特别是PackageManagerService，简称PMS）来详细说明APK签名的过程。

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APK签名原理

1. 签名的目的：

   • 完整性：确保APK在传输或存储过程中未被篡改。
   • 来源可信：确保APK来自特定的开发者，且未被第三方冒充。
   • 防止篡改：如果APK被修改，签名会失效，系统会拒绝安装或运行。

2. 签名过程：

   • 开发者使用私钥对APK的摘要（如SHA-256）进行加密，生成签名。
   • 签名和开发者的公钥证书会被打包到APK的META-INF目录中。
   • 安装时，系统会使用公钥验证签名的有效性，并检查APK的完整性。

3. 签名验证流程：

   • 系统提取APK中的签名文件和公钥证书。
   • 使用公钥解密签名，得到APK的摘要。
   • 重新计算APK的摘要，并与解密后的摘要对比，验证是否一致。

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结合PMS源码分析签名验证

PackageManagerService（PMS）是Android系统中负责APK安装、卸载和管理的核心服务。签名验证的逻辑主要在PMS中实现。以下是源码中的关键点：

1. 签名验证入口

在PMS中，APK的签名验证主要在PackageParser和PackageManagerService中完成。以下是关键方法：

// frameworks/base/core/java/android/content/pm/PackageParser.java
public class PackageParser {
    public static class Package {
        // APK的签名信息
        public Signature[] signatures;
    }

    // 解析APK并验证签名
    public Package parsePackage(File packageFile, int flags) {
        // 解析APK文件
        Package pkg = parsePackage(packageFile, flags);
        // 验证签名
        verifySignatures(pkg);
        return pkg;
    }

    private void verifySignatures(Package pkg) {
        // 获取APK的签名信息
        Signature[] signatures = pkg.signatures;
        if (signatures == null || signatures.length == 0) {
            throw new PackageManagerException("APK has no signatures");
        }
        // 验证签名的有效性
        for (Signature signature : signatures) {
            if (!signature.verify()) {
                throw new PackageManagerException("Signature verification failed");
            }
        }
    }
}

2. PMS中的安装流程

在PMS中，APK的安装流程会调用PackageParser来解析APK并验证签名：

// frameworks/base/services/core/java/com/android/server/pm/PackageManagerService.java
public class PackageManagerService extends IPackageManager.Stub {
    public void installPackage(String packageName, int flags) {
        // 解析APK
        PackageParser.Package pkg = mPackageParser.parsePackage(packageFile, flags);
        // 验证签名
        verifySignatures(pkg);
        // 继续安装流程
        installPackageTracedLI(pkg);
    }

    private void verifySignatures(PackageParser.Package pkg) {
        // 获取APK的签名信息
        Signature[] signatures = pkg.mSignatures;
        if (signatures == null || signatures.length == 0) {
            throw new PackageManagerException("APK has no signatures");
        }
        // 验证签名的有效性
        for (Signature signature : signatures) {
            if (!signature.verify()) {
                throw new PackageManagerException("Signature verification failed");
            }
        }
    }
}

3. 签名验证的核心逻辑

签名的验证逻辑主要在Signature类中实现：

// frameworks/base/core/java/android/content/pm/Signature.java
public class Signature {
    private final byte[] mSignature;

    public Signature(byte[] signature) {
        this.mSignature = signature;
    }

    // 验证签名的有效性
    public boolean verify() {
        // 使用公钥解密签名
        PublicKey publicKey = getPublicKey();
        try {
            Signature signature = Signature.getInstance("SHA256withRSA");
            signature.initVerify(publicKey);
            signature.update(mSignature);
            return signature.verify(mSignature);
        } catch (Exception e) {
            return false;
        }
    }

    private PublicKey getPublicKey() {
        // 从证书中提取公钥
        CertificateFactory certFactory = CertificateFactory.getInstance("X.509");
        X509Certificate cert = (X509Certificate) certFactory.generateCertificate(new ByteArrayInputStream(mSignature));
        return cert.getPublicKey();
    }
}

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APK签名验证的完整流程

1. 解析APK：

   • PMS通过PackageParser解析APK文件，提取签名信息。

2. 验证签名：

   • 使用开发者的公钥解密签名，得到APK的摘要。
   • 重新计算APK的摘要，并与解密后的摘要对比。

3. 安装APK：

   • 如果签名验证通过，PMS会继续安装流程；否则，抛出异常并拒绝安装。

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总结

• APK签名是Android安全机制的核心部分，确保APK的完整性和来源可信。
• PMS是Android系统中负责APK安装和管理的核心服务，签名验证的逻辑主要在PMS和PackageParser中实现。
• 通过源码分析，我们可以看到PMS如何解析APK、提取签名信息，并使用公钥验证签名的有效性。

通过结合源码和原理，我们可以更深入地理解Android APK签名的工作机制。