Android APK簽名比對 – Android移動開發技術文章_手機開發 Android移動開發教學課程

發佈過Android應用的朋友們應該都知道,Android APK的發佈是需要簽名的。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,我們瞭解到,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原作者的私鑰泄漏,那已經是另一個層次的軟件安全問題瞭。)

簡單地說,簽名機制標明瞭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
    為瞭說明APK簽名比對對軟件安全的有效性,我們有必要瞭解一下Android APK的簽名機制。為瞭更易於大傢理解,我們從Auto-Sign工具的一條批處理命令說起。

在《APK Crack》一文中,我們瞭解到,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瞭。這方面的資料大傢可以找到很多。我們這裡要講的是signapk.jar到底做瞭什麼。

    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包中多瞭一個叫做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就是生成瞭這幾個文件(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,如果你改變瞭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。在安裝時隻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文件使用瞭私鑰文件。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文件中保存瞭公鑰、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     }
    好瞭,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包完整性和發佈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
    好瞭,通過Android簽名機制的分析,我們從理論上證明瞭通過APK公鑰的比對能判斷一個APK的發佈機構。並且這個發佈機構是很難偽裝的,我們暫時可以認為是不可偽裝的。

    有瞭理論基礎後,我們就可以開始實踐瞭。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<N; i++) {
3         pkg.mSignatures[i] = new Signature(
4         certs[i].getEncoded());
5     }
    也就是說signature = new Signature(certificate.getEncoded()); certificate證書中包含瞭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,就剩下比對瞭。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<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簽名比對的應用場景

    經過以上的論述,想必大傢已經明白簽名比對的原理和我的實現方式瞭。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系統瞭。限定僅能安裝某些證書的APK。軟件發佈商需要向系統發佈上申請證書。如果發現問題,能追蹤到是哪個軟件發佈商的責任。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。

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