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Gradle（10）一篇文章看懂 v1/v2/v3 签名机制

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Gradle（10）一篇文章看懂 v1/v2/v3 签名机制在打生产包时，一定需要对 apk 签名，那么你知道为什么要给应用签名吗？在这篇文章里，我将分析 Android apk 的签名机制，并介绍 v1、v2 和 v3 三种安装包签名方案的原理与演进。

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前言

  • 在打生产包时，一定需要对 apk 签名，那么你知道为什么要给应用签名吗？
  • 在这篇文章里，我将分析 Android apk 的签名机制，并介绍 v1、v2 和 v3 三种安装包签名方案的原理与演进。如果能帮上忙，请务必点赞加关注，这真的对我非常重要。

这篇文章是 Gradle 系列文章第 10 篇，相关 Android 工程化专栏完整文章列表：

一、Gradle 基础：

二、AGP 插件：

三、组件化开发：

四、AOP 面向切面编程：

五、相关计算机基础

目录

Gradle（10）一篇文章看懂 v1/v2/v3 签名机制

前置知识

这篇文章的内容会涉及以下前置 / 相关知识，贴心的我都帮你准备好了，请享用~

1. 什么是应用签名？

1.1 数字签名模型

数字签名（Digital Signature）也叫作数字指纹（Digital Fingerprint），它是消息摘要算法和非对称加密算法的结合体，能够验证数据的完整性，并且认证数据的来源。

数据签名算法的模型分为两个主要阶段：

  • 1、签名： 先计算数据的 [摘要]，再使用私钥对 [摘要] 进行加密生成 [签名]，将 [数据 + 签名] 一并发送给接收方；
  • 2、验证： 先使用相同的摘要算法计算接收数据的 [摘要]，再使用预先得到的公钥解密 [签名]，对比 [解密的签名] 和 [计算的摘要] 是否一致。若一致，则说明数据没有被篡改。

需要注意的是，Android 目前不对应用证书进行 CA 认证，应用可以由第三方（OEM、运营商、其他应用市场）签名，也可以自行签名。

1.2 为什么要给应用签名？

应用 APK 其实是一种特殊的 Zip 压缩包，无法避免恶意激活成功教程者解压 / 反编译修改内容，针对这个问题有何解决方案呢？他山之石，可以攻玉 ——数字签名算法。应用签名正是数字签名算法的应用场景之一，与其他应用场景类似，目的无非是：

  • 认证

Android 平台上运行的每个应用都必须有开发者的签名。在安装应用时，软件包管理器会验证 APK 是否已经过适当签名，安装程序会拒绝没有获得签名就尝试安装的应用。

  • 验证完整性

软件包管理器在安装应用前会验证应用摘要，如果激活成功教程者修改了 apk 里的内容，那么摘要就不再匹配，验证失败（验证流程见下文方案）。

提示： 使用数字签名的优点是验证过程无须复杂的接口和权限，只需要在本机验证。

1.3 应用签名方案演进

截止至 Android 11，Android 支持以下三种应用签名方案：

  • v1 签名方案：基于 Jar 签名；
  • v2 签名方案：提高验证速度和覆盖度（在 Android 7.0 Nougat 中引入）；
  • v3 签名方案：实现密钥轮转（在 Android 9.0 Pie 中引入）。

为了提高兼容性，必须按照 v1、v2、v3 的先后顺序采用签名方案，低版本平台会忽略高版本的签名方案在 APK 中添加的额外数据。

Gradle（10）一篇文章看懂 v1/v2/v3 签名机制

引用自 source.android.com/security/ap… —— Android Developers

2. 签名方案 v1

v1 签名方案是基于 Jar 的签名。

2.1 签名产物

首先，我们先来分析其签名产物。v1 签名后会增加 META-INF 文件夹，其中会有如下三个文件。考虑到使用不同的证书和签名方式，得到的文件名可能不同，因此你只要留意文件的后缀即可：

META-INF
├── MANIFEST.MF
├── CERT.SF
├── CERT.RSA
文件 描述
MANIFEST.MF 记录「apk 中每一个文件对应的摘要」（除了 META-INF 文件夹）
*.SF 记录「MANIFEST.MF 文件的摘要」和「MANIFEST.MF 中每个数据块的摘要」
*.RSA 包含了「*.SF 文件的签名」和「包含公钥的开发者证书」

提示： 如果 apk 中文件数很多，而且文件名很长，那么 MANIFEST.MF 和 *.SF 两个文件会变得很大。有没有办法优化呢？见 第 5.1 节 优化摘要记录文件大小。

2.2 签名流程

v1 签名流程如下：

  • 1、计算每个文件的 SHA-1 摘要，进行 BASE64 编码后写入 MANIFEST.MF 文件；

MANIFEST.MF（Message Digest File，摘要文件）

Manifest-Version: 1.0
Built-By: Generated-by-ADT
Created-By: Android Gradle 3.1.0

Name: AndroidManifest.xml
SHA1-Digest: 9hTSmRfzHEeQc7V2wxBbTT3DmCY= 【文件的摘要】

...
  • 2、计算整个 MANIFEST.MF 文件的 SHA-1 摘要，进行 BASE64 编码后写入 *.SF 文件；
  • 3、计算 MANIFEST.MF 文件中每一块摘要的 SHA-1 摘要，进行 BASE64 编码后写入 *.SF 文件；

\*.SF（Signature File，签名文件）

Signature-Version: 1.0
Created-By: 1.0 (Android)
SHA1-Digest-Manifest: MJQyZ0dc4dv7G9nlJPAMQLwEwbU= 【MANIFEST.MF 文件的摘要】
X-Android-APK-Signed: 2

Name: AndroidManifest.xml
SHA1-Digest: IJioMmfD693T4qnUJcPKhq9woHQ= 【摘要的摘要】

...
  • 4、计算整个 *.SF 文件的数字签名（先摘要再私钥加密）；
  • 5、将数字签名和 X.509 开发者数字证书（公钥）写入 *.RSA 文件。

提示：*.RSA 文件加密了，需要使用 openssl 工具打开。

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引用自 zhuanlan.zhihu.com/p/108034286 —— 木质的旋律 著

2.3 验证流程

验证流程可以分为验证签名和验证完整性两个步骤：

验证签名步骤：

  • 1、取出 *.RSA 中包含的开发者证书；
  • 2、【注意：这里不向 CA 认证开发者证书合法性】；
  • 3、用证书中的公钥解密 *.RSA 中包含的签名，得到摘要；
  • 4、计算 *.SF 的摘要；
  • 5、对比 (3) 和 (4) 的摘要是否一致；

如果上述签名验证结果正确，才会验证完整性：

  • 1、计算 MANIFEST.MF 的摘要；
  • 2、对比 *.SF 记录中的文件摘要和 (1) 的摘要是否一致；
  • 3、如果一致，再用 MANIFEST.MF 中的每一块数据去校验每一个文件是否被修改。

以上任何步骤验证失败，则整个 APK 验证失败。

2.4 存在的问题

  • 完整性覆盖范围不足：Zip 文件中部分内容不在验证范围，例如 META-INF 文件夹；
  • 验证速度较差：验证程序必须解压所有压缩的条目，这需要花费更多时间和内存。

为了解决这些问题，Android 7.0 中引入了 APK 签名方案 v2。

3. 签名方案 v2

v2 签名方案是一种 全文件签名方案，该方案能够发现对 APK 的受保护部分进行的所有更改，相对于 v1 签名方案验证速度更快，完整性覆盖范围更广。

提示： 为了兼容低版本，使用 v2 签名方案的同时，还需要使用 v1 签名方案。

3.1 Zip 文件简介

在分析 v2 签名方案之前，我们先简单了解一下 Zip 文件格式：

  • Zip 文件主体结构分为三个部分：「条目内容区」&「中央目录区」&「中央目录结尾区（EoCD）」。

  • EoCD 中记录了中央目录的起始位置，在「条目内容区」和「中央目录区」之间插入了其他数据不会影响 Zip 解压。

3.2 签名产物

首先，我们先来分析其签名产物。v2 签名后会在 「条目内容区」和「中央目录区」之间插入「APK 签名分块（APK Signing Block）」。

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引用自 source.android.com/security/ap… —— Android Developers

从左到右边，我们定义为区块 1~4。

3.2 签名流程

相对与 v1 签名方案，v2 签名方案不再以文件为单位计算摘要了，而是以 1 MB 为单位将文件拆分为多个连续的块（chunk），每个分区的最后一个块可能会小于 1 MB。

v2 签名流程如下：

  • 1、对区块 1、3、4，按照 1MB 大小分割为多个块（chunk）；
  • 2、计算每个块的摘要；
  • 3、计算 (2) 中所有摘要的签名。
  • 4、添加 X.509 开发者数字证书（公钥）

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引用自 source.android.com/security/ap… —— Android Developers

3.3 验证流程

验证流程可以分为验证签名和验证完整性两个步骤：

  • 验证签名步骤：用公钥验证区块 2 的签名；
  • 验证完整性步骤：用「APK数据摘要集」验证每一块数据的摘要。

4. 签名方案 v3

签名方案 v3 支持密钥轮换，应用能够在 APK 更新过程中更改其签名密钥。

【累了，后面先不写了…】

5. 衍生应用场景

这一节，我们介绍基于 Android 应用签名机制的衍生应用场景。

5.1 优化摘要记录文件大小

在 v1 方案中，MANIFEST.MF 和 *.SF 这两个文件会记录大量的文件名和文件摘要。如果 apk 中文件数很多，而且文件名很长，那么这两个文件会变得很大。使用 AndResGuard 工具，可以将文件名转换为短路径文件名，从而减少这两个文件的大小。

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引用自 time.geekbang.org/column/arti… —— 张绍文 著

5.2 多渠道打包方案

在实际生产中，往往需要生成多个渠道的 APK 包，传统的方法是使用 APKTool 逆向工具、Flavor + BuildType 等方案，这一类多渠道打包方案的缺点是耗时严重。随着 Android 应用签名方案的演进，演变出了不同的多渠道打包方案：

v1 方案时代下的多渠道打包

  • 添加空文件

在 v1 方案中，我们提到了完整性校验不覆盖到 META-INF 文件夹的问题。有些多渠道打包方案就是利用了这个问题，在 META-INF 文件夹下添加空文件，用空文件的名称来作为渠道的唯一标识，就可以节省打包的时间，提高打渠道包的速度。

  • Zip Comment

除了添加空文件的方法，还可以向 APK 添加 Zip Comment 来生成多渠道包（APK 本身就是特殊的 Zip 包）。

v2 方案时代下的多渠道打包

在 v2 签名方案中，几乎整个 APK 都纳入保护范围，如果向 APK 添加空文件或 Zip Comment 的话，在安装时会报以下错误：

Failure [INSTALL_PARSE_FAILED_NO_CERTIFICATES: 
Failed to collect certificates from base.apk: META-INF/CERT.SF indicates base.apk is signed using APK Signature Scheme v2, 
but no such signature was found. Signature stripped?]

新背景下的多渠道打包方案，则是利用了 APK 签名分块（区块 2）不受保护 & 字段可扩展的特点，向区块中添加多渠道信息（ID-Value），例如 美团多渠道打包方案 Walle。

6. 总结

  • 签名应用是处于两个目的：认证 & 验证完整性，即：认证 APK 的开发者以及验证 APK 内容是否被篡改。截止到 Android 11，一共有 v1、v2、v3 三种签名方案。

  • v1 是基于 Jar 的签名方案，它存在完整性覆盖范围不足 & 验证速度较差两个问题。

  • Android 7.0 推出的 v2 签名方案优化了这两个问题，通过「条目内容区」和「中央目录区」之间插入「APK 签名分块（APK Signing Block）」，优化了 v1 方案的两大问题。

  • Android 9.0 推出的 v3 方案是 v2 方案的优化版本，满足了密钥轮换的需求。

参考资料

我是小彭，带你构建 Android 知识体系。技术和职场问题，请关注公众号 [彭旭锐] 私信我提问。

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今天的文章Gradle（10）一篇文章看懂 v1/v2/v3 签名机制分享到此就结束了，感谢您的阅读。

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