Android APK 签名比对

发布过Android应用的朋友们应该都知道，Android APK的发布是需要签名的。签名机制在Android应用和框架中有着十分重要的作用。

例如，Android系统禁止更新安装签名不一致的APK；如果应用需要使用system权限，必须保证APK签名与Framework签名一致，等等。在 《APK Crack 》 一文中，我们了解到，要破解一个APK，必然需要重新对APK进行签名。而这个签名，一般情况无法再与APK原先的签名保持一致。（除非APK原作者的私钥泄漏，那已经是另一个层次的软件安全问题了。）

简单地说，签名机制标明了APK的发行机构。因此，站在软件安全的角度，我们就可以通过比对APK的签名情况，判断此APK是否由“官方”发行，而不是被破解篡改过重新签名打包的“盗版软件”。


Android签名机制
    为了说明APK签名比对对软件安全的有效性，我们有必要了解一下Android APK的签名机制。为了更易于大家理解，我们从 Auto- S ign 工具的一条批处理命令说起。

在 《APK Crack 》 一文中，我们了解到，要签名一个没有签名过的APK，可以使用一个叫作 Auto-sign 的工具。 Auto-sign 工具实际运行的是一个叫做Sign.bat的批处理命令。用文本编辑器打开这个批处理文件，我们可以发现，实现签名功能的命令主要是这一行命令：



    java  - jar signapk.jar testkey.x509.pem testkey.pk8 update.apk update_signed.apk

    这条命令的意义是：通过signapk.jar这个可执行jar包，以“ testkey.x509.pem ”这个公钥文件和“ testkey.pk8 ”这个私钥文件对“ update.apk ”进行签名，签名后的文件保存为“ update_signed.apk ”。
    对于此处所使用的私钥和公钥的 生成 方式，这里就不做进一步介绍了。这方面的资料大家可以找到很多。我们这里要讲的是signapk.jar到底做了什么。

    signapk.jar是Android源码包中的一个签名工具。由于Android是个开源项目，所以，很高兴地，我们可以直接找到signapk.jar的源码！路径为/ build / tools / signapk /SignApk.java。

对比一个没有签名的APK和一个签名好的APK，我们会发现，签名好的APK包中多了一个叫做 META-INF 的文件夹。里面有三个文件，分别名为 MANIFEST.MF 、 CERT.SF 和 CERT.RSA 。signapk.jar就是生成了这几个文件（其他文件没有任何改变。因此我们可以很容易去掉原有签名信息）。

    通过阅读signapk源码，我们可以理清签名APK包的整个过程。


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                  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.M F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。