Android APK 簽名比對詳解

發布過Android應用的朋友們應該都知道，Android APK的發布是需要簽名的。簽名機制在Android應用和框架中有著十分重要的作用。

例如，Android系統禁止更新安裝簽名不一致的APK；如果應用需要使用system權限，必須保證APK簽名與Framework簽名一致，等等。在《APK Crack》一文中，我們了解到，要破解一個APK，必然需要重新對APK進行簽名。而這個簽名，一般情況無法再與APK原先的簽名保持一致。（除非APK原作者的私鑰洩漏，那已經是另一個層次的軟件安全問題了。）

簡單地說，簽名機制標明了APK的發行機構。因此，站在軟件安全的角度，我們就可以通過比對APK的簽名情況，判斷此APK是否由“官方”發行，而不是被破解篡改過重新簽名打包的“盜版軟件”。

Android簽名機制

為了說明APK簽名比對對軟件安全的有效性，我們有必要了解一下Android APK的簽名機制。為了更易於大家理解，我們從Auto-Sign工具的一條批處理命令說起。

在《APK Crack》一文中，我們了解到，要簽名一個沒有簽名過的APK，可以使用一個叫作Auto-sign的工具。Auto-sign工具實際運行的是一個叫做Sign.bat的批處理命令。用文本編輯器打開這個批處理文件，我們可以發現，實現簽名功能的命令主要是這一行命令：

 

java -jar signapk.jar testkey.x509.pem testkey.pk8 update.apk update_signed.apk
這條命令的意義是：通過signapk.jar這個可執行jar包，以“testkey.x509.pem”這個公鑰文件和“testkey.pk8”這個私鑰文件對“update.apk”進行簽名，簽名後的文件保存為“update_signed.apk”。

對於此處所使用的私鑰和公鑰的生成方式，這裡就不做進一步介紹了。這方面的資料大家可以找到很多。我們這裡要講的是signapk.jar到底做了什麼。

signapk.jar是Android源碼包中的一個簽名工具。由於Android是個開源項目，所以，很高興地，我們可以直接找到signapk.jar的源碼！路徑為/build/tools/signapk/SignApk.java。

對比一個沒有簽名的APK和一個簽名好的APK，我們會發現，簽名好的APK包中多了一個叫做META-INF的文件夾。裡面有三個文件，分別名為MANIFEST.MF、CERT.SF和CERT.RSA。signapk.jar就是生成了這幾個文件（其他文件沒有任何改變。因此我們可以很容易去掉原有簽名信息）。

通過閱讀signapk源碼，我們可以理清簽名APK包的整個過程。

1、 生成MANIFEST.MF文件：

程序遍歷update.apk包中的所有文件(entry)，對非文件夾非簽名文件的文件，逐個生成SHA1的數字簽名信息，再用Base64進行編碼。具體代碼見這個方法：

 

private static Manifest addDigestsToManifest(JarFile jar)

關鍵代碼如下：

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 }

之後將生成的簽名寫入MANIFEST.MF文件。關鍵代碼如下：

 

1 Manifest manifest = addDigestsToManifest(inputJar);
2 je = new JarEntry(JarFile.MANIFEST_NAME);
3 je.setTime(timestamp);
4 outputJar.putNextEntry(je);
5 manifest.write(outputJar);

這裡簡單介紹下SHA1數字簽名。簡單地說，它就是一種安全哈希算法，類似於MD5算法。它把任意長度的輸入，通過散列算法變成固定長度的輸出（這裡我們稱作“摘要信息”）。你不能僅通過這個摘要信息復原原來的信息。另外，它保證不同信息的摘要信息彼此不同。因此，如果你改變了apk包中的文件，那麼在apk安裝校驗時，改變後的文件摘要信息與MANIFEST.MF的檢驗信息不同，於是程序就不能成功安裝。

2、 生成CERT.SF文件：

對前一步生成的Manifest，使用SHA1-RSA算法，用私鑰進行簽名。關鍵代碼如下：

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是一種非對稱加密算法。用私鑰通過RSA算法對摘要信息進行加密。在安裝時只能使用公鑰才能解密它。解密之後，將它與未加密的摘要信息進行對比，如果相符，則表明內容沒有被異常修改。

3、 生成CERT.RSA文件：

生成MANIFEST.MF沒有使用密鑰信息，生成CERT.SF文件使用了私鑰文件。那麼我們可以很容易猜測到，CERT.RSA文件的生成肯定和公鑰相關。

CERT.RSA文件中保存了公鑰、所采用的加密算法等信息。核心代碼如下：

 

1 je = new JarEntry(CERT_RSA_NAME);
2 je.setTime(timestamp);
3 outputJar.putNextEntry(je);
4 writeSignatureBlock(signature, publicKey, outputJar);

其中writeSignatureBlock的代碼如下：

 

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包的簽名流程，我們可以清楚地意識到：

1、 Android簽名機制其實是對APK包完整性和發布機構唯一性的一種校驗機制。

2、 Android簽名機制不能阻止APK包被修改，但修改後的再簽名無法與原先的簽名保持一致。（擁有私鑰的情況除外）。

3、 APK包加密的公鑰就打包在APK包內，且不同的私鑰對應不同的公鑰。換句話言之，不同的私鑰簽名的APK公鑰也必不相同。所以我們可以根據公鑰的對比，來判斷私鑰是否一致。

APK簽名比對的實現方式

好了，通過Android簽名機制的分析，我們從理論上證明了通過APK公鑰的比對能判斷一個APK的發布機構。並且這個發布機構是很難偽裝的，我們暫時可以認為是不可偽裝的。

有了理論基礎後，我們就可以開始實踐了。那麼如何獲取到APK文件的公鑰信息呢？因為Android系統安裝程序肯定會獲取APK信息進行比對，所以我們可以通過Android源碼獲得一些思路和幫助。

源碼中有一個隱藏的類用於APK包的解析。這個類叫PackageParser，路徑為frameworks\base\core\java\android\content\pm\PackageParser.java。當我們需要獲取APK包的相關信息時，可以直接使用這個類，下面代碼就是一個例子函數：

 

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 }

其中參數archiveFilePath指定APK文件路徑；flags需設置PackageManager.GET_SIGNATURES位，以保證返回證書簽名信息。

具體如何通過PackageParser獲取簽名信息在此處不做詳述，具體代碼請參考PackageParser中的public boolean collectCertificates(Package pkg, int flags)和private Certificate[] loadCertificates(JarFile jarFile, JarEntry je, byte[] readBuffer)方法。至於如何在Android應用開發中使用隱藏的類及方法，可以參看我的這篇文章：《Android應用開發中如何使用隱藏API》。

緊接著，我們就可以通過packageInfo.signatures來訪問到APK的簽名信息。還需要說明的是 Android中Signature和Java中Certificate的對應關系。它們的關系如下面代碼所示：

 

1 pkg.mSignatures = new Signature[certs.length];
2 for (int i=0; i 3 pkg.mSignatures[i] = new Signature(
4 certs[i].getEncoded());
5 }

也就是說signature = new Signature(certificate.getEncoded()); certificate證書中包含了公鑰和證書的其他基本信息。公鑰不同，證書肯定互不相同。我們可以通過certificate的getPublicKey方法獲取公鑰信息。所以比對簽名證書本質上就是比對公鑰信息。

OK，獲取到APK簽名證書之後，就剩下比對了。這個簡單，功能函數如下所示:

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 set1 = new HashSet();
9 for (Signature sig : s1) {
10 set1.add(sig);
11 }
12 HashSet set2 = new HashSet();
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簽名比對的應用場景

經過以上的論述，想必大家已經明白簽名比對的原理和我的實現方式了。那麼什麼時候什麼情況適合使用簽名對比來保障Android APK的軟件安全呢？

個人認為主要有以下三種場景：

1、 程序自檢測。在程序運行時，自我進行簽名比對。比對樣本可以存放在APK包內，也可存放於雲端。缺點是程序被破解時，自檢測功能同樣可能遭到破壞，使其失效。

2、 可信賴的第三方檢測。由可信賴的第三方程序負責APK的軟件安全問題。對比樣本由第三方收集，放在雲端。這種方式適用於殺毒安全軟件或者APP Market之類的軟件下載市場。缺點是需要聯網檢測，在無網絡情況下無法實現功能。（不可能把大量的簽名數據放在移動設備本地）。

3、 系統限定安裝。這就涉及到改Android系統了。限定僅能安裝某些證書的APK。軟件發布商需要向系統發布上申請證書。如果發現問題，能追蹤到是哪個軟件發布商的責任。適用於系統提供商或者終端產品生產商。缺點是過於封閉，不利於系統的開放性。

以上三種場景，雖然各有缺點，但缺點並不是不能克服的。例如，我們可以考慮程序自檢測的功能用native method的方法實現等等。軟件安全是一個復雜的課題，往往需要多種技術聯合使用，才能更好的保障軟件不被惡意破壞