Android APK 签名比对

http://www.blogjava.net/zh-weir/archive/2011/07/19/354663.html

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-Sign工具的一条批处理命令说起。

《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()) {

2Stringname=entry.getName();

3if(!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())){

6InputStreamdata=jar.getInputStream(entry);

7while((num=data.read(buffer))>0){

8md.update(buffer,0,num);

9}

10Attributesattr=null;

11if(input!=null)attr=input.getAttributes(name);

12attr=attr!=null?newAttributes(attr):newAttributes();

13attr.putValue("SHA1-Digest",base64.encode(md.digest()));

14output.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);

2je=newJarEntry(JarFile.MANIFEST_NAME);

3je.setTime(timestamp);

4outputJar.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");

2signature.initSign(privateKey);

3je=newJarEntry(CERT_SF_NAME);

4je.setTime(timestamp);

5outputJar.putNextEntry(je);

6writeSignatureFile(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);

2je.setTime(timestamp);

3outputJar.putNextEntry(je);

4     writeSignatureBlock(signature, publicKey, outputJar);

    其中writeSignatureBlock的代码如下:

 1     private static void writeSignatureBlock(

2Signaturesignature,X509CertificatepublicKey,OutputStreamout)

3throwsIOException,GeneralSecurityException{

4SignerInfosignerInfo=newSignerInfo(

5newX500Name(publicKey.getIssuerX500Principal().getName()),

6publicKey.getSerialNumber(),

7AlgorithmId.get("SHA1"),

8AlgorithmId.get("RSA"),

9signature.sign());

10

11PKCS7pkcs7=newPKCS7(

12newAlgorithmId[]{AlgorithmId.get("SHA1")},

13newContentInfo(ContentInfo.DATA_OID,null),

14newX509Certificate[]{publicKey},

15newSignerInfo[]{signerInfo});

16

17pkcs7.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

3PackageParserpackageParser=newPackageParser(archiveFilePath);

4DisplayMetricsmetrics=newDisplayMetrics();

5metrics.setToDefaults();

6finalFilesourceFile=newFile(archiveFilePath);

7PackageParser.Packagepkg=packageParser.parsePackage(

8sourceFile,archiveFilePath,metrics,0);

9if(pkg==null){

10returnnull;

11}

12

13packageParser.collectCertificates(pkg,0);

14

15returnPackageParser.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];

2for(inti=0;i<N;i++){

3pkg.mSignatures[i]=newSignature(

4certs[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) {

2if(s1==null){

3returnfalse;

4}

5if(s2==null){

6returnfalse;

7}

8HashSet<Signature>set1=newHashSet<Signature>();

9for(Signaturesig:s1){

10set1.add(sig);

11}

12HashSet<Signature>set2=newHashSet<Signature>();

13for(Signaturesig:s2){

14set2.add(sig);

15}

16//Makesures2containsallsignaturesins1.

17if(set1.equals(set2)){

18returntrue;

19}

20returnfalse;

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》

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