Android 签名机制

02 Jan 2020

前言

Android 签名机制伴随 Android 一起诞生，本片文章主要记录签名机制相关内容，主要包括以下几个方面：

为什么需要进行签名？
签名是什么？
如何进行签名？
Android 签名有哪些版本？

为什么需要签名

一个应用从开发到上线再到用户手机上，经过了一个漫长的流程，而在这个流程中，一个 Apk 是很可能被其他人进行篡改。为了让整个流程中保证数据的安全性，需要通过签名机制进行安全性的校验。

签名是什么

签名是摘要和非对称密钥加密结合的产物。其中摘要是内容的一个指纹信息，内容的任何改变会导致摘要改变，签名就是对这个摘要进行加密的结果。

来看一下目前正在做的一个项目的 Debug 签名信息：

➜  overlord keytool -printcert -file META-INF/CERT.RSA
所有者: C=US, O=Android, CN=Android Debug
发布者: C=US, O=Android, CN=Android Debug
序列号: 1
有效期开始日期: Mon Dec 05 15:14:48 CST 2016, 截止日期: Wed Nov 28 15:14:48 CST 2046
证书指纹:
	 MD5: 76:B8:58:52:88:88:9C:66:6E:05:9D:33:14:93:26:97
	 SHA1: 3E:F7:42:EA:96:8B:D7:BF:89:5C:01:07:55:E4:AD:1D:BF:D4:ED:08
	 SHA256: 4A:78:8F:DB:F8:D6:7A:C6:8E:33:77:F5:E5:0F:27:19:B9:92:CF:D1:62:7D:CB:8D:9F:93:08:10:57:F2:A2:0A
	 签名算法名称: SHA1withRSA
	 版本: 1

通过 keytool 打印的信息可以看到一些关键信息，譬如签名算法的名称，签名版本，MD5 公钥等等。其中 META-INF 是解压 APK 后的文件，CERT.RSA 里面就是 APK 的签名信息。

刚刚提到的摘要信息也可以通过 Android Studio 方便看到。首先用 Android Studio 直接打开一个 APK ，找到 META-INF 目录，再找到 MANIFEST.MF 文件，点击便可以在 Android Studio 的内容窗口看到所有资源文件的摘要信息，其中一些片段如下：

Manifest-Version: 1.0
Built-By: Generated-by-ADT
Created-By: Android Gradle 3.4.2

Name: AndroidManifest.xml
SHA-256-Digest: I5bLtlYSFgHvPMYEEoXzD6QNxeRc1KXPCewj5jsMlSU=

Name: META-INF/android.support.design_material.version
SHA-256-Digest: f4VSLLX1VMgt9KN5N/I2LD4or1VKuL/adDaslosbgGs=

如何进行签名

通过 Android Studio 进行签名

新建一个工程之后，点击《Build》->《Generate Signed Bundle / APK…》，将会看到如下确认框：

签名确认框

选择 APK ，然后点击 Next ，如下图所示：

签名信息补充

key store path

简单说明下 keystore 文件，它包含了开发者信息以及用来非对称加密的公钥和私钥。如果之前使用 keytool 工具创建过了，可以使用之前的，否则可以直接通过 Android Studio 生成一个新的。这里我们点击《Create new…》，将会看到如下对话框：

创建新的 keystore 文件

填好上述信息之后，确认创建时会有一个 Warning 提示如下：

创建 keystore 的 warning

按照提示，在命令行中输入以下命令：

keytool -importkeystore -srckeystore jerome -destkeystore jerome.jks -deststoretype pkcs12

按照提示输入目标密钥口令和源密钥库口令以及 key 的密码后，提示如下：

keytool 错误: java.lang.Exception: 目标 pkcs12 密钥库具有不同的 storepass 和 keypass。请在指定了 -destkeypass 时重试。

按照输出提示指定 -destkeypass 后如下：

keytool -importkeystore -srckeystore jerome -destkeystore jerome.jks -destkeypass sample -deststoretype pkcs12

转换完成。

然后继续上面的流程，填完其他项，如下图所示：

填完 keystore 信息

下一步选择 Build Variants 和 Signature Versions 之后 Android Studio 就开始打包签名了。

此时发现签名会失败，错误信息如下:

Get Key failed: Given final block not properly padded. Such issues can arise if a bad key is used during decryption.

Google 一圈儿没有发现什么有用信息，于是选择忽视之前的 Warning ，用没有转换为 pkcs12 的 keystore 进行签名，发现没有问题。

利用 apksigner 手动签名

先打出一个未被签名的 APK ，最简单的做法是，如果没有在 build.gradle 中配置签名信息的话，通过 Android Studio 打出一个 Release 包：

./gradlew assembleRelease

生成的 APK 文件名为 app-release-unsigned.apk ，此时通过 adb install 命令安装的话，会提示：

Failed to install xxx/app-release-unsigned.apk: Failure [INSTALL_PARSE_FAILED_NO_CERTIFICATES: Package /data/app/vmdl1079879915.tmp/base.apk has no certificates at entry AndroidManifest.xml]

接下来进行签名操作，先将 APK 文件和之前生成的 keystore 文件放在同一个目录，然后执行以下命令：

jarsigner -verbose -sigalg SHA1withRSA -digestalg SHA1 -keystore jerome app-release-unsigned.apk sample_key

输入密码之后即可完成签名。现在将文件改名为 app-release-signed.apk ，现在执行 adb install app-release-signed.apk 即可安装应用了。

Android 有哪些版本

在前面输出签名信息的例子中，最后一行看到一个版本信息：版本: 1 。Android 目前有三种签名版本。

v1 版本签名

Android 在此版本的签名工具有两种：

jarsigner 这是 JDK 自带的签名工具，使用 keystore 文件进行签名，生成的签名文件默认使用 keystore 的别名命名。在上面的例子中，自己通过 jarsigner 签名的 apk 文件，其 META-INF 文件夹下生成三个文件为 SAMPLE_KEY.SF ，MANIFEST.MF，SAMPLE_KEY.RSA 。
signAPK 这是 Android SDK 提供的专门给 Android 应用的签名工具，使用 pk8，x509.pem 文件进行签名，其中 pk8 是私钥文件，x509.pem 是公钥文件，生成的签名文件统一使用 CERT 命名。

选取一个 Android Studio 签名后的 APK ，通过 Android Studio 打开，总是能在 META-INF 目录下看到一下三个文件：

MANIFEST.MF 这个在文章开头也展示过，它保存的内容其实是 APK 中文件的摘要信息。签名时会遍历 APK 中的所有条目，如果是文件，就用 SHA1/SHA256 摘要算法提取该文件的摘要后进行 Base64 编码，作为 SHA1-Digest 属性的值写到 MANIFEST.MF 文件的一个块中。
CERT.SF 与 MANIFEST.MF 性质相同的文件，只不过内部存储的是 MANIFEST.MF 的摘要信息。其中 SHA1-Digest-Manifest-Main-Attributes 是 MANIFEST.MF 头部块的摘要信息；SHA1-Digest-Manifest 是 MANIFEST.MF 整个文件的摘要信息；SHA1-Digest 是 MANIFEST.MF 中各个条目的摘要信息。
CERT.RSA 用私钥计算 CERT.SF 文件的签名，然后将签名和包含公钥信息的数字证书一同写入到 CERT.RSA 文件中保存。

综上，整个签名过程如下：

V1 签名过程

v2 版本签名

从 Android 7.0 开始，Android 支持全新的 v2 版本签名模式。回顾 v1 版本主要有以下问题：

速度慢：需要遍历所有的 APK 文件，无论是签名还是安装验证的时候都很耗时间。
签名程度不够：META-INF 目录用来存放签名，该文件本身不进行签名，那么它可以用来存放文件而对签名来说没有任何感知。为了解决上述问题，v2 签名在原来的 APK 文件块中增加了一个新的签名块，里面存储了签名、摘要、签名算法、证书链等信息，直观来看入下图所示：

v2 签名示意图

v2 中摘要的计算方式如下：

将 APK 文件中 ZIP 条目内容、ZIP 中央目录、ZIP 中央目录结尾按照 1MB 大小分割成一些小块。
计算每个小块的摘要信息，数据内容是 0xa5 + 块字节长度 + 块内容。
计算整体的数据摘要，数据内容是 0xa5 + 数据块的数量 + 每个数据块的摘要内容。

v2 的验证过程如下：

v2 签名校验过程

可以看到，v2 签名机制和 v1 是可以同时存在的，Android 7.0 以下依然走的是 v1 版本。

v3 版本签名

从 Android 9.0 开始，在 v2 的基础上增加了 密钥轮转 机制，是 APK 在更新过程中能更改其密钥，且 v3 在 APK 签名分块中添加了有关受支持的 SDK 版本和 proof-of-rotation 信息。

参考

https://source.android.google.cn/security/apksigning/v2?hl=zh-cn https://source.android.google.cn/security/apksigning/v3?hl=zh-cn https://blog.csdn.net/freekiteyu/article/details/84849651

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