iOS安全--APP代码签名机制

学习路线（内部分享内容）

1. 加密解密（对称加密、非对称加密、混合加密）
2. 单向散列函数
3. 数字签名
4. 证书
5. iOS签名机制

参考资料与图片来源：
《图解密码技术第三版》
iOS App 签名的原理
Apple签名机制官方指南
深入理解代码签名机制

1. 加密解密

为什么需要加密？

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对称加密

• 什么是对称加密？
  - 就是指加密和解密时使用的密钥都是同一个，是“对称”的。

  
  
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• 常见算法：
  • DES（数据加密标准，Data Encryption Standard）<不安全>
  • 3DES（3次DES加密解密）<不安全，性能不好>
  • AES（高级加密标准，Advanced Encryption Standard）<安全、目前首选>
• 存在密钥配送问题：
  • 对称加密看上去好像完美地实现了机密性，但其中有一个很大的问题：如何把密钥安全地传递给对方，术语叫“密钥交换”，因为中途有可能被黑客拦截，黑客知道了密钥，那就能解密，也不安全。
• 如何解决密钥配送问题：
  • 事先共享密钥（线下安全方式）
  • 密钥分配中心
  • Diffie-Hellman密钥交换算法
  • 非对称加密（公钥密码）

非对称加密 （也叫 公钥密码加密）

非对称加密代表加密和解密使用不同的密钥。具体的加解密过程就是，由发送方生成一对公钥与私钥，公钥可以公开给所有发送方，私钥自己保存。发送方使用公钥对信息进行加密，接收方收到密文后，使用私钥进行解密即可

• 加密密钥，一般是公开的，因此该密钥称为公钥（public key）
• 解密密钥，由消息接收者自己保管的，不能公开，因此也称为私钥（private key）
• 公钥和私钥是一 一对应的，是不能单独生成的，一对公钥和密钥统称为密钥对（key pair）
• 由公钥加密的密文，必须使用与该公钥对应的私钥才能解密

• 由私钥加密的密文，必须使用与该私钥对应的公钥才能解密

  
  
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• 常用算法：
  • RSA（RSA 加密算法，RSA Algorithm）
    • RSA 的数学难题是：两个大质数 p、q 相乘的结果 n 很容易计算，但是根据 n 去做质因数分解得到 p、q，则需要很大的计算量。RSA 是比较经典的非对称加密算法，它的主要优势就是性能比较快，但想获得较高的加密强度，需要使用很长的密钥。
  • ECC（椭圆加密算法，Elliptic Curve Cryptography）
    • ECC 是基于椭圆曲线的一个数学难题设计的。目前学术界普遍认为，椭圆曲线的难度高于大质数难题，160 位密钥的 ECC 加密强度，相当于 1088 位密钥的 RSA，比 RSA 所需的密钥长度短。ECC 是目前国际上加密强度最高的非对称加密算法。
• 存在问题：
  • 公钥密码虽然解决了密钥配送的问题，但是存在以下问题：1、性能问题，处理速度不到对称加密的十分之一（使用混合加密的方式解决）；2、公钥认证问题（证书技术）

混合加密（HTTPS中SSL/TLS使用这种方式）

• 加密步骤（发送消息）

1. 首先，消息发送者要拥有消息接收者的公钥
2. 生成会话密钥，作为对称密码的密钥，加密消息
3. 用消息接收者的公钥，加密会话密钥
4. 将前2步生成的加密结果，一并发给消息接收者

会话密钥（session key）
为本次通信随机生成的临时密钥（伪随机数生成器）
作为对称密码的密钥，用于加密消息，提高速度

• 发送出去的内容包括

1. 用会话密钥加密的消息（加密方法：对称密码）

2. 用公钥加密的会话密钥（加密方法：公钥密码）

   
   
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• 解密步骤（收到消息）

1. 消息接收者用自己的私钥解密出会话密钥

2. 再用第1步解密出来的会话密钥，解密消息
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2. 单向散列函数（消息摘要函数、指纹、哈希函数）

• 单向函数（One-way Function）是正向计算容易，逆向运算困难的函数。也就是说，给定你一个输入，你很容易计算出输出；但是给定你一个输出，你却很难计算出输入是什么。顾名思义，满足“单向”和“散列”的特性

  
  
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• 特点
  1. 正向计算容易，逆向运算困难
  2. 运算结果均匀分布，构造碰撞困难（已知源数据和散列值，想找到一个具有相同值得数据非常困难）
  3. 给定的数据散列值是确定的，长度是固定的
• 常用算法
  • MD5（消息摘要算法，Message-Digest Algorithm 5）(不安全了)
  • SHA（安全散列算法，Secure Hash Algorithm）<目前流行SHA-256、SHA-384、SHA-512>
• 解决什么问题？（应用场景）

  1. 防止数据被篡改（校验数据完整性）

     
     
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  2. 口令密码（密码为散列值存储而非明文存储）

3. 数字签名

• 基本概念

  • 数字签名是解决如何能证明数据内容没有窜改，防止抵赖。

• 数字签名的实现原理

  • 把公钥私钥的用法反过来，之前是公钥加密、私钥解密，现在是私钥加密、公钥解密。
  • 因为私钥只有消息发送者拥有，公钥任何人都有消息接收者也有。
  • 用公钥解密后比对一致就没有被篡改

• 在数字签名技术中，有以下2种行为

  1. 生成签名：由消息的发送者完成，通过“签名密钥”生成
  2. 验证签名：由消息的接收者完成，通过“验证密钥”验证

• 签名过程图

  
  
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• 存在问题（无法解决的问题）

  • 要正确使用签名，前提是用于验证签名的公钥必须属于真正的发送者

  • 如果遭遇了中间人攻击，那么公钥将是伪造的，数字签名将失效

    
    
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  • 所以在验证签名之前，首先得先验证公钥的合法性（真实性，没被中间人攻击）

    • 使用证书技术

4. 数字证书和CA

• 公钥证书(Public-Key Certificate，PKC)记录着个人信息(姓名、组织、邮箱地址等个人信息)和个人公钥，并由认证机构(Certification Authority、Certifying Authority，CA)施加数字签名。公钥证书也简称为证书(certificate)。

  
  
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• CA 怎么证明自己呢？

  • 信任链的问题。小一点的 CA 可以让大 CA 签名认证，但链条的最后，也就是 Root CA（操作系统内置），就只能自己证明自己了，这个就叫“自签名证书”（Self-Signed Certificate）或者“根证书”（Root Certificate）

    
    
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• 有了这个证书体系，操作系统和浏览器都内置了各大 CA 的根证书，顺着证书链（Certificate Chain）一层层地验证，直到找到根证书，就能够确定证书是可信的，从而里面的公钥也是可信的

  5. iOS签名机制

• iOS签名机制的作用

  • 保证安装到用户手机上的APP都是经过Apple官方允许的

• 不管是真机调试，还是发布APP，开发者都需要经过一系列复杂的步骤

  1. 生成CertificateSigningRequest.certSigningRequest文件
  2. 获得ios_development.cer\ios_distribution.cer证书文件
  3. 注册device、添加App ID
     4.获得*.mobileprovision文件

• 真机调试验证流程

  
  
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• 流程步骤：
  ①. Mac生成了一把公钥和私钥；
  ②. Apple后台存着私钥，每台iOS设备内置公钥
  ⑤. 使用Mac的私钥对APP进行签名，存放到APP包内
  ③. 苹果CA利用Apple的私钥对Mac公钥进行认证，并签发证书 ，然后加上设备id...打包一起再使用Apple私钥进行一次签名④，生成.mobileprovision文件
  验证操作：
  ⑥. 利用Apple公钥验证③签名，验证通过证明Mac公钥合法，就可以使用公钥验证APP代码没被篡改。

• 从AppStore下载的应用签名验证流程

  • 从合法渠道下载的，省去了很多其他步骤
  • App Store 已经完成了对 App 的验证（类似于上述测试包的验证过程）。当 App 通过验证后，Apple Store 会对 App 进行重新签名。重新签名的内容将不再包含 Provisioning Profile，最终的 ipa 文件也不包含它

  • 当设备从 App Store 下载 App 时，会直接使用设备上的 CA 公钥对 ipa 进行签名验证。与上述测试包的签名验证相比，正式包的签名验证简化了很多，因为有一部分验证工作已经由 App Store 完成了

    
    
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• CertificateSigningRequest.certSigningRequest文件

  • 包含了开发者信息和Mac设备的公钥

• ios_development.cer、ios_distribution.cer文件

  • 利用Apple后台的私钥，对Mac设备的公钥进行签名后的 证书文件

• .mobileprovision

  • 利用Apple私钥，对【.cer证书+devices+AppID+entitlements】进行数字签名

• P12文件：本地私钥，可以导入到其他电脑（以前的在多台电脑进行真机调试）