Android V1及V2签名原理简析

Android为了保证系统及应用的安全性，在安装APK的时候需要校验包的完整性，同时，对于覆盖安装的场景还要校验新旧是否匹配，这两者都是通过Android签名机制来进行保证的，本文就简单看下Android的签名与校验原理，分一下几个部分分析下：

• APK签名是什么
• APK签名如何保证APK信息完整性
• 如何为APK签名
• APK签名怎么校验

Android的APK签名是什么

签名是摘要与非对称密钥加密相相结合的产物，摘要就像内容的一个指纹信息，一旦内容被篡改，摘要就会改变，签名是摘要的加密结果，摘要改变，签名也会失效。Android APK签名也是这个道理，如果APK签名跟内容对应不起来，Android系统就认为APK内容被篡改了，从而拒绝安装，以保证系统的安全性。目前Android有三种签名V1、V2（N）、V3（P），本文只看前两种V1跟V2，对于V3的轮密先不考虑。先看下只有V1签名后APK的样式：

再看下只有V2签名的APK包样式：

同时具有V1 V2签名：

可以看到，如果只有V2签名，那么APK包内容几乎是没有改动的，META_INF中不会有新增文件，按Google官方文档：在使用v2签名方案进行签名时，会在APK文件中插入一个APK签名分块，该分块位于zip中央目录部分之前并紧邻该部分。在APK签名分块内， 签名和签名者身份信息会存储在APK签名方案v2分块中，保证整个APK文件不可修改 ，如下图：

而V1签名是通过META-INF中的三个文件保证签名及信息的完整性：

APK签名如何保证APK信息完整性

V1签名是如何保证信息的完整性呢？V1签名主要包含三部分内容，如果狭义上说签名跟公钥的话，仅仅在.rsa文件中，V1签名的三个文件其实是一套机制，不能单单拿一个来说事，

MANIFEST.MF：摘要文件， 存储文件名与文件SHA1摘要（Base64格式）键值对 ，格式如下，其主要作用是 保证每个文件的完整性

如果对APK中的资源文件进行了替换，那么该资源的摘要必定发生改变，如果没有修改MANIFEST.MF中的信息，那么在安装时候V1校验就会失败，无法安装，不过如果篡改文件的同时，也修改其MANIFEST.MF中的摘要值，那么MANIFEST.MF校验就可以绕过。

CERT.SF：二次摘要文件，存储文件名与 MANIFEST.MF摘要条目的SHA1摘要 （Base64格式）键值对，格式如下

CERT.SF个人觉得有点像冗余，更像对文件完整性的二次保证，同绕过MANIFEST.MF一样，.SF校验也很容易被绕过。

CERT.RSA 证书（公钥）及签名文件，存储keystore的公钥、发行信息、以及对CERT.SF文件摘要的签名信息（利用keystore的 私钥 进行加密过）

CERT.RSA与CERT.SF是相互对应的，两者名字前缀必须一致，不知道算不算一个无聊的标准。看下CERT.RSA文件内容：

CERT.RSA文件里面存储了证书公钥、过期日期、发行人、加密算法等信息，根据公钥及加密算法，Android系统就能计算出CERT.SF的摘要信息，其严格的格式如下：

从CERT.RSA中，我们能获的证书的指纹信息，在微信分享、第三方SDK申请的时候经常用到，其实就是公钥+开发者信息的一个签名：

除了CERT.RSA文件，其余两个签名文件其实跟keystore没什么关系，主要是文件自身的摘要及二次摘要，用不同的keystore进行签名，生成的MANIFEST.MF与CERT.SF都是一样的，不同的只有CERT.RSA签名文件。也就是说前两者主要保证各个文件的完整性，CERT.RSA从整体上保证APK的来源及完整性，不过META_INF中的文件不在校验范围中，这也是V1的一个缺点。V2签名又是如何保证信息的完整性呢？

V2签名块如何保证APK的完整性

前面说过V1签名中文件的完整性很容易被绕过，可以理解 单个文件完整性校验的意义并不是很大 ，安装的时候反而耗时，不如采用更加简单的便捷的校验方式。V2签名就不针对单个文件校验了，而是 针对APK进行校验 ，将APK分成1M的块，对每个块计算值摘要，之后针对所有摘要进行摘要，再利用摘要进行签名。

也就是说，V2摘要签名分两级，第一级是对APK文件的1、3 、4 部分进行摘要，第二级是对第一级的摘要集合进行摘要，然后利用秘钥进行签名。安装的时候，块摘要可以并行处理，这样可以提高校验速度。

简单的APK签名流程（签名原理）

APK是先摘要，再签名，先看下摘要的定义：Message Digest：摘要是对消息数据执行一个单向Hash，从而生成一个固定长度的Hash值，这个值就是消息摘要，至于常听到的MD5、SHA1都是摘要算法的一种。理论上说，摘要一定会有碰撞，但只要保证有限长度内碰撞率很低就可以，这样就能利用摘要来保证消息的完整性，只要消息被篡改，摘要一定会发生改变。但是，如果消息跟摘要同时被修改，那就无从得知了。

而数字签名是什么呢（公钥数字签名），利用非对称加密技术，通过私钥对摘要进行加密，产生一个字符串，这个字符串+公钥证书就可以看做消息的数字签名，如RSA就是常用的非对称加密算法。在没有私钥的前提下，非对称加密算法能确保别人无法伪造签名，因此数字签名也是对发送者信息真实性的一个有效证明。不过由于Android的keystore证书是自签名的，没有第三方权威机构认证，用户可以自行生成keystore，Android签名方案无法保证APK不被二次签名。

知道了摘要跟签名的概念后，再来看看Android的签名文件怎么来的？如何影响原来APK包？通过sdk中的apksign来对一个APK进行签名的命令如下：

./apksigner sign  --ks   keystore.jks  --ks-key-alias keystore  --ks-pass pass:XXX  --key-pass pass:XXX  --out output.apk input.apk
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其主要实现在 android/platform/tools/apksig 文件夹中，主体是ApkSigner.java的sign函数，函数比较长，分几步分析

private void sign(
        DataSource inputApk,
        DataSink outputApkOut,
        DataSource outputApkIn)
                throws IOException, ApkFormatException, NoSuchAlgorithmException,
                        InvalidKeyException, SignatureException {
    // Step 1. Find input APK's main ZIP sections
    ApkUtils.ZipSections inputZipSections;
    <!--根据zip包的结构，找到APK中包内容Object-->
    try {
        inputZipSections = ApkUtils.findZipSections(inputApk);
    ...
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先来看这一步，ApkUtils.findZipSections，这个函数主要是解析APK文件，获得ZIP格式的一些简单信息，并返回一个ZipSections，

public static ZipSections findZipSections(DataSource apk)
            throws IOException, ZipFormatException {
        Pair<ByteBuffer, Long> eocdAndOffsetInFile =
                ZipUtils.findZipEndOfCentralDirectoryRecord(apk);
        ByteBuffer eocdBuf = eocdAndOffsetInFile.getFirst();
        long eocdOffset = eocdAndOffsetInFile.getSecond();
        eocdBuf.order(ByteOrder.LITTLE_ENDIAN);
        long cdStartOffset = ZipUtils.getZipEocdCentralDirectoryOffset(eocdBuf);
        ...
        long cdSizeBytes = ZipUtils.getZipEocdCentralDirectorySizeBytes(eocdBuf);
        long cdEndOffset = cdStartOffset + cdSizeBytes;
        int cdRecordCount = ZipUtils.getZipEocdCentralDirectoryTotalRecordCount(eocdBuf);
        return new ZipSections(
                cdStartOffset,
                cdSizeBytes,
                cdRecordCount,
                eocdOffset,
                eocdBuf);
    }
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ZipSections包含了ZIP文件格式的一些信息，比如中央目录信息、中央目录结尾信息等，对比到zip文件格式如下：

获取到 ZipSections之后，就可以进一步解析APK这个ZIP包，继续走后面的签名流程，

long inputApkSigningBlockOffset = -1;
    DataSource inputApkSigningBlock = null;
    <!--检查V2签名是否存在-->
    try {
        Pair<DataSource, Long> apkSigningBlockAndOffset =
                V2SchemeVerifier.findApkSigningBlock(inputApk, inputZipSections);
        inputApkSigningBlock = apkSigningBlockAndOffset.getFirst();
        inputApkSigningBlockOffset = apkSigningBlockAndOffset.getSecond();
    } catch (V2SchemeVerifier.SignatureNotFoundException e) {
    <!--V2签名不存在也没什么问题，非必须-->
}
 <!--获取V2签名以外的信息区域-->
 DataSource inputApkLfhSection =
            inputApk.slice(
                    0,
                    (inputApkSigningBlockOffset != -1)
                            ? inputApkSigningBlockOffset
                            : inputZipSections.getZipCentralDirectoryOffset());
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可以看到先进行了一个V2签名的检验，这里是用来签名，为什么先检验了一次？第一次签名的时候会直接走这个异常逻辑分支，重复签名的时候才能获到取之前的V2签名，怀疑这里获取V2签名的目的应该是为了排除V2签名，并获取V2签名以外的数据块，因为签名本身不能被算入到签名中，之后会解析中央目录区，构建一个DefaultApkSignerEngine用于签名

<!--解析中央目录区，目的是为了解析AndroidManifest-->
    // Step 2. Parse the input APK's ZIP Central Directory
    ByteBuffer inputCd = getZipCentralDirectory(inputApk, inputZipSections);
    List<CentralDirectoryRecord> inputCdRecords =
            parseZipCentralDirectory(inputCd, inputZipSections);

    // Step 3. Obtain a signer engine instance
    ApkSignerEngine signerEngine;
    if (mSignerEngine != null) {
        signerEngine = mSignerEngine;
    } else {
        // Construct a signer engine from the provided parameters
        ...
        List<DefaultApkSignerEngine.SignerConfig> engineSignerConfigs =
                new ArrayList<>(mSignerConfigs.size());
        <!--一般就一个-->
        for (SignerConfig signerConfig : mSignerConfigs) {
            engineSignerConfigs.add(
                    new DefaultApkSignerEngine.SignerConfig.Builder(
                            signerConfig.getName(),
                            signerConfig.getPrivateKey(),
                            signerConfig.getCertificates())
                            .build());
        }
        <!--默认V1 V2都启用-->
        DefaultApkSignerEngine.Builder signerEngineBuilder =
                new DefaultApkSignerEngine.Builder(engineSignerConfigs, minSdkVersion)
                        .setV1SigningEnabled(mV1SigningEnabled)
                        .setV2SigningEnabled(mV2SigningEnabled)
                        .setOtherSignersSignaturesPreserved(mOtherSignersSignaturesPreserved);
        if (mCreatedBy != null) {
            signerEngineBuilder.setCreatedBy(mCreatedBy);
        }
        signerEngine = signerEngineBuilder.build();
    }
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先解析中央目录区，获取AndroidManifest文件，获取minSdkVersion(影响签名算法)，并构建DefaultApkSignerEngine，默认情况下V1 V2签名都是打开的。

// Step 4. Provide the signer engine with the input APK's APK Signing Block (if any)
    <!--忽略这一步-->
    if (inputApkSigningBlock != null) {
        signerEngine.inputApkSigningBlock(inputApkSigningBlock);
    }

    // Step 5. Iterate over input APK's entries and output the Local File Header + data of those
    // entries which need to be output. Entries are iterated in the order in which their Local
    // File Header records are stored in the file. This is to achieve better data locality in
    // case Central Directory entries are in the wrong order.
    List<CentralDirectoryRecord> inputCdRecordsSortedByLfhOffset =
            new ArrayList<>(inputCdRecords);
    Collections.sort(
            inputCdRecordsSortedByLfhOffset,
            CentralDirectoryRecord.BY_LOCAL_FILE_HEADER_OFFSET_COMPARATOR);
    int lastModifiedDateForNewEntries = -1;
    int lastModifiedTimeForNewEntries = -1;
    long inputOffset = 0;
    long outputOffset = 0;
    Map<String, CentralDirectoryRecord> outputCdRecordsByName =
            new HashMap<>(inputCdRecords.size());
    ...

    // Step 6. Sort output APK's Central Directory records in the order in which they should
    // appear in the output
    List<CentralDirectoryRecord> outputCdRecords = new ArrayList<>(inputCdRecords.size() + 10);
    for (CentralDirectoryRecord inputCdRecord : inputCdRecords) {
        String entryName = inputCdRecord.getName();
        CentralDirectoryRecord outputCdRecord = outputCdRecordsByName.get(entryName);
        if (outputCdRecord != null) {
            outputCdRecords.add(outputCdRecord);
        }
    }
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第五步与第六步的主要工作是：apk的预处理，包括目录的一些 排序 之类的工作，应该是为了更高效处理签名，预处理结束后，就开始签名流程，首先做的是V1签名（默认存在，除非主动关闭）：

// Step 7. Generate and output JAR signatures, if necessary. This may output more Local File
    // Header + data entries and add to the list of output Central Directory records.
    ApkSignerEngine.OutputJarSignatureRequest outputJarSignatureRequest =
            signerEngine.outputJarEntries();
    if (outputJarSignatureRequest != null) {
        if (lastModifiedDateForNewEntries == -1) {
            lastModifiedDateForNewEntries = 0x3a21; // Jan 1 2009 (DOS)
            lastModifiedTimeForNewEntries = 0;
        }
        for (ApkSignerEngine.OutputJarSignatureRequest.JarEntry entry :
                outputJarSignatureRequest.getAdditionalJarEntries()) {
            String entryName = entry.getName();
            byte[] uncompressedData = entry.getData();
            ZipUtils.DeflateResult deflateResult =
                    ZipUtils.deflate(ByteBuffer.wrap(uncompressedData));
            byte[] compressedData = deflateResult.output;
            long uncompressedDataCrc32 = deflateResult.inputCrc32;

            ApkSignerEngine.InspectJarEntryRequest inspectEntryRequest =
                    signerEngine.outputJarEntry(entryName);
            if (inspectEntryRequest != null) {
                inspectEntryRequest.getDataSink().consume(
                        uncompressedData, 0, uncompressedData.length);
                inspectEntryRequest.done();
            }

            long localFileHeaderOffset = outputOffset;
            outputOffset +=
                    LocalFileRecord.outputRecordWithDeflateCompressedData(
                            entryName,
                            lastModifiedTimeForNewEntries,
                            lastModifiedDateForNewEntries,
                            compressedData,
                            uncompressedDataCrc32,
                            uncompressedData.length,
                            outputApkOut);


            outputCdRecords.add(
                    CentralDirectoryRecord.createWithDeflateCompressedData(
                            entryName,
                            lastModifiedTimeForNewEntries,
                            lastModifiedDateForNewEntries,
                            uncompressedDataCrc32,
                            compressedData.length,
                            uncompressedData.length,
                            localFileHeaderOffset));
        }
        outputJarSignatureRequest.done();
    }

    // Step 8. Construct output ZIP Central Directory in an in-memory buffer
    long outputCentralDirSizeBytes = 0;
    for (CentralDirectoryRecord record : outputCdRecords) {
        outputCentralDirSizeBytes += record.getSize();
    }
    if (outputCentralDirSizeBytes > Integer.MAX_VALUE) {
        throw new IOException(
                "Output ZIP Central Directory too large: " + outputCentralDirSizeBytes
                        + " bytes");
    }
    ByteBuffer outputCentralDir = ByteBuffer.allocate((int) outputCentralDirSizeBytes);
    for (CentralDirectoryRecord record : outputCdRecords) {
        record.copyTo(outputCentralDir);
    }
    outputCentralDir.flip();
    DataSource outputCentralDirDataSource = new ByteBufferDataSource(outputCentralDir);
    long outputCentralDirStartOffset = outputOffset;
    int outputCentralDirRecordCount = outputCdRecords.size();

    // Step 9. Construct output ZIP End of Central Directory record in an in-memory buffer
    ByteBuffer outputEocd =
            EocdRecord.createWithModifiedCentralDirectoryInfo(
                    inputZipSections.getZipEndOfCentralDirectory(),
                    outputCentralDirRecordCount,
                    outputCentralDirDataSource.size(),
                    outputCentralDirStartOffset);
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步骤7、8、9都可以看做是V1签名的处理逻辑，主要在V1SchemeSigner中处理，其中包括创建META-INFO文件夹下的一些签名文件，更新中央目录、更新中央目录结尾等，流程不复杂，不在赘述，简单流程就是：

这里特殊提一下重复签名的问题： 对一个已经V1签名的APK再次V1签名不会有任何问题 ，原理就是：再次签名的时候，会排除之前的签名文件。

public static boolean isJarEntryDigestNeededInManifest(String entryName) {
        // See https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/jar/jar.html#Signed_JAR_File

        // Entries which represent directories sould not be listed in the manifest.
        if (entryName.endsWith("/")) {
            return false;
        }

        // Entries outside of META-INF must be listed in the manifest.
        if (!entryName.startsWith("META-INF/")) {
            return true;
        }
        // Entries in subdirectories of META-INF must be listed in the manifest.
        if (entryName.indexOf('/', "META-INF/".length()) != -1) {
            return true;
        }

        // Ignored file names (case-insensitive) in META-INF directory:
        //   MANIFEST.MF
        //   *.SF
        //   *.RSA
        //   *.DSA
        //   *.EC
        //   SIG-*
        String fileNameLowerCase =
                entryName.substring("META-INF/".length()).toLowerCase(Locale.US);
        if (("manifest.mf".equals(fileNameLowerCase))
                || (fileNameLowerCase.endsWith(".sf"))
                || (fileNameLowerCase.endsWith(".rsa"))
                || (fileNameLowerCase.endsWith(".dsa"))
                || (fileNameLowerCase.endsWith(".ec"))
                || (fileNameLowerCase.startsWith("sig-"))) {
            return false;
        }
        return true;
    }
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可以看到目录、META-INF文件夹下的文件、sf、rsa等结尾的文件都不会被V1签名进行处理，所以这里不用担心多次签名的问题。接下来就是处理V2签名。

// Step 10. Generate and output APK Signature Scheme v2 signatures, if necessary. This may
    // insert an APK Signing Block just before the output's ZIP Central Directory
    ApkSignerEngine.OutputApkSigningBlockRequest outputApkSigingBlockRequest =
            signerEngine.outputZipSections(
                    outputApkIn,
                    outputCentralDirDataSource,
                    DataSources.asDataSource(outputEocd));
    if (outputApkSigingBlockRequest != null) {
        byte[] outputApkSigningBlock = outputApkSigingBlockRequest.getApkSigningBlock();
        outputApkOut.consume(outputApkSigningBlock, 0, outputApkSigningBlock.length);
        ZipUtils.setZipEocdCentralDirectoryOffset(
                outputEocd, outputCentralDirStartOffset + outputApkSigningBlock.length);
        outputApkSigingBlockRequest.done();
    }

    // Step 11. Output ZIP Central Directory and ZIP End of Central Directory
    outputCentralDirDataSource.feed(0, outputCentralDirDataSource.size(), outputApkOut);
    outputApkOut.consume(outputEocd);
    signerEngine.outputDone();
}
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V2SchemeSigner处理V2签名，逻辑比较清晰，直接对V1签名过的APK进行分块摘要，再集合签名，V2签名不会改变之前V1签名后的任何信息，签名后，在中央目录前添加V2签名块，并更新中央目录结尾信息，因为V2签名后，中央目录的偏移会再次改变：

APK签名怎么校验

签名校验的过程可以看做签名的逆向，只不过覆盖安装可能还要校验公钥及证书信息一致，否则覆盖安装会失败。签名校验的入口在PackageManagerService的install里，安装官方文档，7.0以上的手机优先检测V2签名，如果V2签名不存在，再校验V1签名，对于7.0以下的手机，不存在V2签名校验机制，只会校验V1，所以，如果你的App的miniSdkVersion<24(N)，那么你的签名方式必须内含V1签名：

校验流程就是签名的逆向，了解签名流程即可，本文不求甚解，有兴趣自己去分析，只是额外提下覆盖安装，覆盖安装除了检验APK自己的完整性以外，还要校验证书是否一致只有证书一致（同一个keystore签名），才有可能覆盖升级。覆盖安装同全新安装相比较多了几个校验

• 包名一致
• 证书一致
• versioncode不能降低

这里只关心证书部分：

// Verify: if target already has an installer package, it must
    // be signed with the same cert as the caller.
    if (targetPackageSetting.installerPackageName != null) {
        PackageSetting setting = mSettings.mPackages.get(
                targetPackageSetting.installerPackageName);
        // If the currently set package isn't valid, then it's always
        // okay to change it.
        if (setting != null) {
            if (compareSignatures(callerSignature,
                    setting.signatures.mSignatures)
                    != PackageManager.SIGNATURE_MATCH) {
                throw new SecurityException(
                        "Caller does not have same cert as old installer package "
                        + targetPackageSetting.installerPackageName);
            }
        }
    }
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V1、V2签名下美团多渠道打包的切入点

• V1签名：META_INFO文件夹下增加文件不会对校验有任何影响，则是美团V1多渠道打包方案的切入点
• V2签名：V2签名块中可以添加一些附属信息，不会对签名又任何影响，这是V2多渠道打包的切入点。