Android APK V1 签名原理

对于 Android 开发者而言， APK 签名的重要性不言而喻。Android 7.0 后 APK 签名已经从基于 Jar 签名的 V1 版本升级到了 V2 版本，为了能更好的理解，我们将从 V1、V2、签名验证三个方面进行详细、深入介绍，但是鉴于篇幅原因，本文先介绍 V1 版签名原理。

一、重要概念

1、散列算法

Wiki 定义[1]：

Ahash functionis any function that can be used to map data of arbitrary size to data of fixed size. The values returned by a hash function are calledhash values,hash codes,digests, or simplyhashes.

也就是说散列函数（通常也叫散列算法）可以把任意长度的数据映射成固定长度的数据，映射出来的数据称为散列值、哈希值、摘要。因为输入数据不同，得到的散列值不同（很大概率），所以可当做输入数据的指纹。常见的散列算法[2]有 MD5、SHA-1、SHA-256，以下要介绍的 APK 签名会用到SHA-265[3]散列算法。

2、加密

Wiki 定义[4]：

In cryptography, encryption is the process of encoding a message or information in such a way that only authorized parties can access it.

加密就是把可读的明文数据通过加密算法转换成不可读的密文数据，只有通过相应的解密算法才能把密文数据转换成明文数据，常见的加密算法分为对称加密和非对称加密。

对称加密就是加密和解密都用同一把“钥匙”。

举个栗子，小明有一把普通锁，这把锁能且只能用同一把钥匙（暂且称为 K ）上锁和开锁：假如小明用钥匙 K 上了锁，他的朋友小红要打开这个锁，那么只能事先让小明配一把一样的钥匙 K' 给她。

非对称加密就是加密和解密用的是两把不同的“钥匙”。

举个栗子，小明有一把神奇锁，和普通锁不同的是，这把神奇锁必须要借助两把不同的钥匙（暂且称为钥匙 A 和 B）才能完成上锁和开锁：假如小明用钥匙 A 上了锁，那么用钥匙 A 已经不能开锁了，能且只能用与之相对应的钥匙 B 开锁，反过来也一样，而且钥匙 A 和钥匙 B 是一一对应关系。

实际应用中，小明自己留着钥匙 A 而且保密，然后把钥匙 B 挂在上了锁的箱子外面一起寄送出去，收到箱子的人就可以用钥匙 B 来打开。因为只有通过钥匙 A 上锁的箱子才能被钥匙 B 打开，这就保证了箱子确实是用钥匙 A 上锁后寄过来的。

非对称加密应用非常广泛，有 SSL、SSH 以及非常火的比特币。

以下要介绍的 APK 签名会用到使用最广泛的非对称加密算法 ——RSA。

3、数字签名

Wiki 定义[5]：

A digital signature is a mathematical scheme for demonstrating the authenticity of digital messages or documents.

数字签名就是证明数据真实性的一种方式。

上面讲非对称加密时举例用的是箱子，如果把箱子换成一段数据的指纹（SHA-256），那么对数据指纹加密的结果实际上就是其数字签名。

数字签名只能通过钥匙 B（公钥）解密，那么如何保证和小明手上的钥匙 A（私钥）成对呢？也就是如何保证这份签名来自小明？这个时候就需要公钥证书出场了。

4、公钥证书（数字证书）

还是 Wiki 定义[6]：

In cryptography, a public key certificate, also known as a digital certificate or identity certificate, is an electronic document used to prove the ownership of a public key.

公钥证书就是证明公钥的所有者，证书包括了公钥信息、公钥所有者信息、证书签发者信息等；而公钥证书的真实性由证书颁发机构 —— CA 来保证（CA 证书一般内置在各类操作系统中）。

继续上面的例子，小明把钥匙 B 不是直接挂在箱子外面而是加密后放入公钥证书中，再把证书挂在箱子外一起寄送出去，接收者通过系统内置 CA 证书的公钥解密得到钥匙 B（公钥），再去开锁。这样就保证了钥匙 B 确实是小明的，箱子也确实是小明用钥匙 A 上锁的，而且箱子没有被人动过手脚。

APK 签名原理和上述 4 个概念息息相关，一份经过签名的数据，包含原始数据、数字签名、公钥证书三个部分。用一张图[7]来总结一下：

数字签名原理

二、APK V1 签名原理（前方高能警告，将出现大量 jarsigner 源码细节）

1、签名工具

APK 签名可以用 jarsigner 或者 signapk 两个工具，Android Studio 默认用的是 signapk，二者主要的区别在于证书和秘钥存储的格式不同，前者是通过 Java KeyStore（.jks 文件或者 .keystore 文件） 格式，后者分别用 .pem 和 .pk8 格式来存储证书和密钥。

Java KeyStore 生成方式：

【生成】证书库

keytool -genkey -v -keystore strange.keystore -alias strange -keyalg RSA -keysize 2048 -validity 10000

【查看】证书库

keytool -list -v -keystore {path2jks} -storepass “pass"

.pem .pk8 生成方式：

【生成】密钥

openssl genrsa -out key.pem 2048

【生成】证书请求

openssl req -new -key key.pem -out request.pem

【生成】 pem格式的 x.509 证书

openssl x509 -req -days 10000 -in request.pem -signkey key.pem -out certificate.pem -sha256

【生成】 pk8 格式密钥

openssl pkcs8 -topk8 -outform DER -in key.pem -inform PEM -out key.pk8 -nocrypt

【查看】pem证书

openssl x509 -in publicKey.x509.pem -text -noout

无论是用的哪种签名方式，最终都是在 META-INF 目录下生成三个文件：MANIFEST.MF、CERT.SF、CERT.RSA（如果是 jarsigner 签名 .SF 和 .RSA 文件名会根据 alias 来定），这三个文件各司其职，最终构成了 APK 签名信息。

2、原理分析

我们来分析一下 jarsigner 源码[8]（signapk.jar 与其类似），看看这三个文件是如何生成的。

首先看main函数，只做了一件事情：调用run方法。

`main` 函数

run主要做了 4 件事，前面都是一些准备工作，最后调用signJar方法开始进行签名。

`run` 方法

signJar方法中经历了几个步骤，详细可以看如下截图中的注释，最重要的是计算META-INF/MANIFEST.MF清单文件、META-INF/.SF* 待签名文件、META-INF/.RSA* 签名结果文件。

signJar 签名流程

下面，将对每个步骤详细展开。

2.1、计算并写入 META-INF/MANIFEST.MF 清单文件

我们先来认识一下manifest文件：来自于 jar 包的文件清单，在 apk 中我们用来记录所有非目录文件的数据指纹，如下图所示。

MANIFEST.MF 文件内容

从文件开头到第一个空行之间（图中的 1-3 行）是 manifest 文件主属性，从第 5 行开始就是其所包含的条目（entry）。

条目是由条目名称和条目属性组成，条目名称就是Name:之后的值如图中的res/drawable-xhdpi-v4/img_blank.png，条目属性是一个name-value格式的map如图中的{"SHA-256-Digest":"ft47V9YtB/3V9uUqZbN4kTMP+SMJ2D3AK1j7G8lj9l0="}。

其条目的生成过程如下：

MANIFEST.MF 计算

针对每个待签名 zip 包中的文件（除了META-INF 下签名相关的如.MF SIG-*.SF *.DSA  *.RSA *.EC文件），进行如下判断：

如果 Manifest 清单中没有出现，那么计算 hash 然后增加到 Manifest 中；

如果 Manifest 清单中已经包含，那么计算 hash 后和 Manifest 中的 hash 进行对比覆盖。

其中最重要的是获取 hash 属性的方法getDigestAttributes。

生成 MANIFEST.MF 条目属性

先调用getDigests生成指纹，再封装成 manifest 条目的属性对象。

计算指纹

总结一下就是，针对每个待签名 zip 包中的文件（除了META-INF 下签名相关的如.MF SIG-*.SF *.DSA  *.RSA *.EC文件），计算其数据指纹并写入 META-INF/MANIFEST.MF 清单文件中。

至此，.MF 文件完成计算并写入。

2.2、计算并写入 META-INF/*.SF 签名文件

这里的 .SF 文件实际上也是清单文件的一种，它是对上述 MANIFEST.MF 文件的数据指纹，我们来看看它的内容。

.SF 文件实际上也是清单文件

从上面对 MANIFEST.MF 文件内容的分析，我们可以看出来 SF 包含了文件属性和一系列条目。

a.Signature-Version是签名版本。

b.SHA-256-Digest-Manifest-Main-Attributes是 MANIFEST.MF文件属性的数据指纹 Base64 值。

c.SHA-256-Digest-Manifest是整个 MANIFEST.MF 的数据指纹 Base64 值。

d.Created-By指明文件生成工具。

e. 第 7 行开始的各个条目，就是对 MANIFEST.MF 各个条目的数据指纹 Base64 值。

如果把 MANIFEST.MF 当做是对 APK 中各个文件的 hash 记录，那么 *.SF 就是 MANIFEST.MF 及其各个条目的 hash 记录。

我们来看看其生成过程：

.SF 文件计算并写入

先创建了SignatureFile对象，再写入ZipOutputStream中，关键在于SignatureFile，我们继续看其构造函数。

.SF 文件计算

其实就两步，一是写属性，二是写条目。而指纹的计算都是通过 Java 的ManifestDigester及ManifestDigester.Entry对象来完成。

至此， .SF 文件完成计算并写入。

2.3、计算并写入 META-INF/*.RSA 签名结果文件

.RSA 是 PKCS#7[9]标准格式的文件，我们只关心它所保存的以下两种数据：

a. 用私钥对 .SF 文件指纹进行非对称加密后得到的加密数据

b. 携带公钥以及各种身份信息的数字证书

来看看上述两种数据：

2.3.1 加密数据

通过 openssl asn1parse 格式化查看加密后的数据及其偏移量，从下图中可以看出加密后数据处在 PKCS#7 的最后。

![PKCS#7 简要数据结构[10]](https://img.haomeiwen.com/i300515/6fe37c6e1e0dfa08.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240)

执行openssl asn1parse -i -inform der -in STRANGEW.RSA得到如下 ASN1[11]格式数据：

ASN1 格式数据

最后这一段就是加密后的 16 进制数据了，我们来分析一下。

1115是字节偏移量（十进制）

d=5表示所处 PKCS#7 数据结构的层级是第 5 层

hl=4表示头所占字节数为 4 个字节

l=256表示数据字节数为 256（对应 SHA-256 指纹算法）

执行dd if=STRANGEW.RSA of=signed-sha256.bin bs=1 skip=$[ 1115 + 4 ] count=256把加密数据导出来到signed-sha256.bin文件。

执行hexdump -C signed-sha256.bin查看文件数据：

.RSA 中的 16 进制加密数据

2.3.2 数字证书

执行openssl pkcs7 -inform DER -in META-INF/CERT.RSA -noout -print_certs -text查看 .RSA 中保存的证书信息。截图中可以看到证书包含了签名算法、有效期、证书主体、证书签发者、公钥等信息。

.RSA 中的数字证书

如何把加密数据和证书放到 .RSA 文件中的呢？

2.3.3 .RSA 文件计算过程

从源码中可以看出先是调用sf.generateBlock生成Block静态内部类的对象，最后写入ZipOutputStream。

.RSA 文件计算并写入

核心在于sf.generateBlock，其中只是执行了return new Block(...)，所以关键还是Block的构造函数：

.RSA 文件计算

从源码中可以看出，主要是根据私钥算法得到对应的签名算法，再用签名算法对待签名数据（这里是 .SF 文件）进行签名，最后把签名数据和证书放在一起生成字节数组。

此致，.RSA 文件完成计算并写入。

2.4、写入除 .MF .RSA .SF 文件之外的所有文件

分为两步，先写入 META-INF 目录内的，再写入 META-INF 目录外的。writeEntry方法比较简单，实际上是完成了文件从zipFile到ZipOutputStream的复制。

写入签名相关文件之外的文件

三、总结

最后总结一下 MANIFEST.MF、CERT.SF、CERT.RSA 如何各司其职构成了 APK 的签名：

a. 解析出 CERT.RSA 文件中的证书、公钥，解密 CERT.RSA 中的加密数据

b. 解密结果和 CERT.SF 的指纹进行对比，保证 CERT.SF 没有被篡改

c. 而 CERT.SF 中的内容再和 MANIFEST.MF 指纹对比，保证 MANIFEST.MF 文件没有被篡改

d. MANIFEST.MF 中的内容和 APK 所有文件指纹逐一对比，保证 APK 没有被篡改

作者：Cavabiao

链接：https://www.jianshu.com/p/a27783a713f2

來源：简书

著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。