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的发布是需要签名的。签名机制在Android应用和框架中有着十分重要的作用。

例如，Android系统禁止更新安装签名不一致的APK；如果应用需要使用system权限，必须保证APK签名与Framework签名一致，等等。在《APK Crack》一文中，我们了解到，要破解一个APK，必然需要重新对APK进行签名。而这个签名，一般情况无法再与APK原先的签名保持一致。（除非APK原作者的私钥泄漏，那已经是另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。因此，站在软件安全的角度，我们就可以通过比对APK的签名情况，判断此APK是否由“官方”发行，而不是被破解篡改过重新签名打包的“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，我们有必要了解一下Android APK的签名机制。为了更易于大家理解，我们从Auto-Sign工具的一条批处理命令说起。

在《APK Crack》一文中，我们了解到，要签名一个没有签名过的APK，可以使用一个叫作Auto-sign的工具。Auto-sign工具实际运行的是一个叫做Sign.bat的批处理命令。用文本编辑器打开这个批处理文件，我们可以发现，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：通过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，这里就不做进一步介绍了。这方面的资料大家可以找到很多。我们这里要讲的是signapk.jar到底做了什么。

signapk.jar是Android源码包中的一个签名工具。由于Android是个开源项目，所以，很高兴地，我们可以直接找到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，我们会发现，签名好的APK包中多了一个叫做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（其他文件没有任何改变。因此我们可以很容易去掉原有签名信息）。

通过阅读signapk源码，我们可以理清签名APK包的整个过程。

1、 生成MANIFEST.MF文件：

程序遍历update.apk包中的所有文件(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，类似于MD5算法。它把任意长度的输入，通过散列算法变成固定长度的输出（这里我们称作“摘要信息”）。你不能仅通过这个摘要信息复原原来的信息。另外，它保证不同信息的摘要信息彼此不同。因此，如果你改变了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的检验信息不同，于是程序就不能成功安装。

2、 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。关键代码如下：

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。用私钥通过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。解密之后，将它与未加密的摘要信息进行对比，如果相符，则表明内容没有被异常修改。

3、 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。那么我们可以很容易猜测到，CERT.RSA文件的生成肯定和公钥相关。

CERT.RSA文件中保存了公钥、所采用的加密算法等信息。核心代码如下：

    private static Manifest addDigestsToManifest(JarFile jar)

关键代码如下：

 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     }

之后将生成的签名写入MANIFEST.MF文件。关键代码如下：

1     je = new JarEntry(CERT_RSA_NAME);

2     je.setTime(timestamp);

3     outputJar.putNextEntry(je);

4     writeSignatureBlock(signature, publicKey, outputJar);

其中writeSignatureBlock的代码如下：

 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，我们可以清楚地意识到：

1、 Android签名机制其实是对APK包完整性和发布机构唯一性的一种校验机制。

2、 Android签名机制不能阻止APK包被修改，但修改后的再签名无法与原先的签名保持一致。（拥有私钥的情况除外）。

3、 APK包加密的公钥就打包在APK包内，且不同的私钥对应不同的公钥。换句话言之，不同的私钥签名的APK公钥也必不相同。所以我们可以根据公钥的对比，来判断私钥是否一致。

APK签名比对的实现方式

好了，通过Android签名机制的分析，我们从理论上证明了通过APK公钥的比对能判断一个APK的发布机构。并且这个发布机构是很难伪装的，我们暂时可以认为是不可伪装的。

有了理论基础后，我们就可以开始实践了。那么如何获取到APK文件的公钥信息呢？因为Android系统安装程序肯定会获取APK信息进行比对，所以我们可以通过Android源码获得一些思路和帮助。

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。当我们需要获取APK包的相关信息时，可以直接使用这个类，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。

具体如何通过PackageParser获取签名信息在此处不做详述，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，可以参看我的这篇文章：《Android应用开发中如何使用隐藏API》。

紧接着，我们就可以通过packageInfo.signatures来访问到APK的签名信息。还需要说明的是 Android中Signature和Java中Certificate的对应关系。它们的关系如下面代码所示：

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他基本信息。公钥不同，证书肯定互不相同。我们可以通过certificate的getPublicKey方法获取公钥信息。所以比对签名证书本质上就是比对公钥信息。

OK，获取到APK签名证书之后，就剩下比对了。这个简单，功能函数如下所示:

 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

经过以上的论述，想必大家已经明白签名比对的原理和我的实现方式了。那么什么时候什么情况适合使用签名对比来保障Android APK的软件安全呢？

个人认为主要有以下三种场景：

1、 程序自检测。在程序运行时，自我进行签名比对。比对样本可以存放在APK包内，也可存放于云端。缺点是程序被破解时，自检测功能同样可能遭到破坏，使其失效。

2、 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。缺点是需要联网检测，在无网络情况下无法实现功能。（不可能把大量的签名数据放在移动设备本地）。

3、 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。软件发布商需要向系统发布上申请证书。如果发现问题，能追踪到是哪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，但缺点并不是不能克服的。例如，我们可以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，往往需要多种技术联合使用，才能更好的保障软件不被恶意破坏。