Android APK 签名比对

Android apk签名的过程

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：

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     {
 7            InputStream data = jar.getInputStream(entry);
 8            while ((num = data.read(buffer)) > 0) {
 9                md.update(buffer, 0, num);
10            }
11           Attributes attr = null;
12           if (input != null) attr = input.getAttributes(name);
13           attr = attr != null ? new Attributes(attr) : new Attributes();
14           attr.putValue("SHA1-Digest", base64.encode(md.digest()));
15           output.getEntries().put(name, attr);
16     }
17 }

之后将生成的签名写入MANIFEST.MF文件。关键代码如下：

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

　　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：

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。

参考资料

Android源码

《Android中的签名机制》

转载请注明出处：http://www.blogjava.net/zh-weir/archive/2011/07/19/354663.html