Android簽名機制是什么

本篇內容介紹了“Android簽名機制是什么”的有關知識，在實際案例的操作過程中，不少人都會遇到這樣的困境，接下來就讓小編帶領大家學習一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細閱讀，能夠學有所成！

什么是Android簽名

了解 HTTPS 通信的同學都知道，在消息通信時，必須至少解決兩個問題：一是確保消息來源的真實性，二是確保消息不會被第三方篡改。

同理，在安裝 apk 時，同樣也需要確保 apk 來源的真實性，以及 apk 沒有被第三方篡改。為了解決這一問題，Android官方要求開發者對 apk 進行簽名，而簽名就是對apk進行加密的過程。要了解如何實現簽名，需要了解兩個基本概念：消息摘要、數字簽名和數字證書。

消息摘要

消息摘要（Message Digest），又稱數字摘要（Digital Digest）或數字指紋（Finger Print）。簡單來說，消息摘要就是在消息數據上，執行一個單向的 Hash 函數，生成一個固定長度的Hash值，這個Hash值即是消息摘要。

上面提到的的加密 Hash 函數就是消息摘要算法。它有以下特征：

無論輸入的消息有多長，計算出來的消息摘要的長度總是固定的。例如：應用 MD5 算法摘要的消息有128個比特位，用 SHA-1 算法摘要的消息最終有 160 比特位的輸出，SHA-1 的變體可以產生 192 比特位和 256 比特位的消息摘要。一般認為，摘要的最終輸出越長，該摘要算法就越安全。

消息摘要看起來是「隨機的」。這些比特看上去是胡亂的雜湊在一起的。可以用大量的輸入來檢驗其輸出是否相同，一般，不同的輸入會有不同的輸出，而且輸出的摘要消息可以通過隨機性檢驗。但是，一個摘要并不是真正隨機的，因為用相同的算法對相同的消息求兩次摘要，其結果必然相同；而若是真正隨機的，則無論如何都是無法重現的。因此消息摘要是「偽隨機的」。

消息摘要函數是單向函數，即只能進行正向的信息摘要，而無法從摘要中恢復出任何的消息，甚至根本就找不到任何與原信息相關的信息。當然，可以采用強力攻擊的方法，即嘗試每一個可能的信息，計算其摘要，看看是否與已有的摘要相同，如果這樣做，最終肯定會恢復出摘要的消息。但實際上，要得到的信息可能是無窮個消息之一，所以這種強力攻擊幾乎是無效的。

好的摘要算法，沒有人能從中找到「碰撞」。或者說，無法找到兩條消息，使它們的摘要相同。雖然「碰撞」是肯定存在的（由于長明文生成短摘要的 Hash 必然會產生碰撞）。即對于給定的一個摘要，不可能找到一條信息使其摘要正好是給定的。

正是由于以上特點，消息摘要算法被廣泛應用在「數字簽名」領域，作為對明文的摘要算法。著名的消息摘要算法有 RSA 公司的 MD5 算法和 SHA-1 算法及其大量的變體。SHA-256 是 SHA-1 的升級版，現在 Android 簽名使用的默認算法都已經升級到 SHA-256 了。

正是因為消息摘要具有這種特性，很適合來驗證數據的完整性。比如：在網絡傳輸過程中下載一個大文件 BigFile，我們會同時從網絡下載 BigFile 和 BigFile.md5，BigFile.md5 保存 BigFile 的摘要，我們在本地生成 BigFile 的消息摘要和 BigFile.md5 比較，如果內容相同，則表示下載過程正確。

數字簽名

數字簽名的作用就是保證信息傳輸的完整性、發送者的身份認證、防止交易中的抵賴發生。數字簽名技術是將摘要信息用發送者的私鑰加密，與原文一起傳送給接收者。接收者只有用發送者的公鑰才能解密被加密的摘要信息然后用HASH函數對收到的原文產生一個摘要信息，與解密的摘要信息對比。如果相同，則說明收到的信息是完整的，在傳輸過程中沒有被修改，否則說明信息被修改過，因此數字簽名能夠驗證信息的完整性。

如 RSA 作為數字簽名方案使用時，它的使用流程如下：這種簽名實際上就是用信源的私鑰加密消息，加密后的消息即成了簽體；而用對應的公鑰進行驗證，若公鑰解密后的消息與原來的消息相同，則消息是完整的，否則消息不完整。

RSA正好和公鑰密碼用于消息保密是相反的過程。因為只有信源才擁有自己地私鑰，別人無法重新加密源消息，所以即使有人截獲且更改了源消息，也無法重新生成簽體，因為只有用信源的私鑰才能形成正確地簽體。

同樣信宿只要驗證用信源的公鑰解密的消息是否與明文消息相同，就可以知道消息是否被更改過，而且可以認證消息是否是確實來自意定的信源，還可以使信源不能否認曾經發送的消息。所以 這樣可以完成數字簽名的功能。

但這種方案過于單純，它僅可以保證消息的完整性，而無法確保消息的保密性。而且這種方案要對所有的消息進行加密操作，這在消息的長度比較大時，效率是非常低的，主要原因在于公鑰體制的加解密過程的低效性。所以這種方案一般不可取。

幾乎所有的數字簽名方案都要和快速高效的摘要算法（Hash 函數）一起使用，當公鑰算法與摘要算法結合起來使用時，便構成了一種有效地數字簽名方案。

簽名證書

通過數字簽名技術，確實可以解決可靠通信的問題。一旦驗簽通過，接收者就能確信該消息是期望的發送者發送的，而發送者也不能否認曾經發送過該消息。

大家有沒有注意到，前面講的數字簽名方法，有一個前提，就是消息的接收者必須事先得到正確的公鑰。如果一開始公鑰就被別人篡改了，那壞人就會被你當成好人，而真正的消息發送者給你發的消息會被你視作無效的。而且，很多時候根本就不具備事先溝通公鑰的信息通道。

那么如何保證公鑰的安全可信呢？這就要靠數字證書來解決了。

數字證書是一個經證書授權（Certificate Authentication）中心數字簽名的包含公鑰擁有者信息以及公鑰的文件。數字證書的格式普遍采用的是 X.509 V3 國際標準，一個標準的 X.509 數字證書通常包含以下內容：

證書的發布機構（Issuer）：該證書是由哪個機構（CA 中心）頒發的。

證書的有效期（Validity）：證書的有效期，或者說使用期限。過了該日期，證書就失效了。

證書所有人的公鑰（Public-Key）：該證書所有人想要公布出去的公鑰。

證書所有人的名稱（Subject）：這個證書是發給誰的，或者說證書的所有者，一般是某個人或者某個公司名稱、機構的名稱、公司網站的網址等。

證書所使用的簽名算法（Signature algorithm）：這個數字證書的數字簽名所使用的加密算法，這樣就可以使用證書發布機構的證書里面的公鑰，根據這個算法對指紋進行解密。

證書發行者對證書的數字簽名（Thumbprint）：數字證書的hash 值（指紋），用于保證數字證書的完整性，確保證書沒有被修改過。

數字證書的原理就是在證書發布時，CA 機構會根據簽名算法（Signature algorithm）對整個證書計算其 hash 值（指紋）并和證書放在一起，使用者打開證書時，自己也根據簽名算法計算一下證書的 hash 值（指紋），如果和證書中記錄的指紋對的上，就說明證書沒有被修改過。

可以看出，數字證書本身也用到了數字簽名技術，只不過簽名的內容是整個證書（里面包含了證書所有者的公鑰以及其他一些內容）。與普通數字簽名不同的是，數字證書的簽名者不是隨隨便便一個普通機構，而是 CA 機構。

總結一下，數字簽名和簽名驗證的大體流程如下圖所示：

Android打包流程

整個Android的打包流程如下圖所示：

編譯打包步驟：

1，打包資源文件，生成R.java文件打包資源的工具是aapt（The Android Asset Packaing Tool）(E:\Documents\Android\sdk\build-tools\25.0.0\aapt.exe)。

在這個過程中，項目中的AndroidManifest.xml文件和布局文件XML都會編譯，然后生成相應的R.java，另外AndroidManifest.xml會被aapt編譯成二進制。

存放在APP的res目錄下的資源，該類資源在APP打包前大多會被編譯，變成二進制文件，并會為每個該類文件賦予一個resource id。對于該類資源的訪問，應用層代碼則是通過resource id進行訪問的。Android應用在編譯過程中aapt工具會對資源文件進行編譯，并生成一個resource.arsc文件，resource.arsc文件相當于一個文件索引表，記錄了很多跟資源相關的信息。

2. 處理aidl文件，生成相應的Java文件這一過程中使用到的工具是aidl（Android Interface Definition Language），即Android接口描述語言（E:\Documents\Android\sdk\build-tools\25.0.0\aidl.exe）。

aidl工具解析接口定義文件然后生成相應的Java代碼接口供程序調用。如果在項目沒有使用到aidl文件，則可以跳過這一步。

3. 編譯項目源代碼，生成class文件項目中所有的Java代碼，包括R.java和.aidl文件，都會變Java編譯器（javac）編譯成.class文件，生成的class文件位于工程中的bin/classes目錄下。

4. 轉換所有的class文件，生成classes.dex文件dx工具生成可供Android系統Dalvik虛擬機執行的classes.dex文件，該工具位于（E:\Documents\Android\sdk\build-tools\25.0.0\dx.bat）。

任何第三方的libraries和.class文件都會被轉換成.dex文件。dx工具的主要工作是將Java字節碼轉成成Dalvik字節碼、壓縮常量池、消除冗余信息等。

5. 打包生成APK文件所有沒有編譯的資源，如images、assets目錄下資源（該類文件是一些原始文件，APP打包時并不會對其進行編譯，而是直接打包到APP中，對于這一類資源文件的訪問，應用層代碼需要通過文件名對其進行訪問）；編譯過的資源和.dex文件都會被apkbuilder工具打包到最終的.apk文件中。

打包的工具apkbuilder位于 android-sdk/tools目錄下。apkbuilder為一個腳本文件，實際調用的是（E:\Documents\Android\sdk\tools\lib）文件中的com.android.sdklib.build.ApkbuilderMain類。

6. 對APK文件進行簽名一旦APK文件生成，它必須被簽名才能被安裝在設備上。

在開發過程中，主要用到的就是兩種簽名的keystore。一種是用于調試的debug.keystore，它主要用于調試，在Eclipse或者Android Studio中直接run以后跑在手機上的就是使用的debug.keystore。

另一種就是用于發布正式版本的keystore。

7. 對簽名后的APK文件進行對齊處理如果你發布的apk是正式版的話，就必須對APK進行對齊處理，用到的工具是zipalign（E:\Documents\Android\sdk\build-tools\25.0.0\zipalign.exe）

對齊的主要過程是將APK包中所有的資源文件距離文件起始偏移為4字節整數倍，這樣通過內存映射訪問apk文件時的速度會更快。對齊的作用就是減少運行時內存的使用。

從上圖可以看到，簽名發生在打包過程中的倒數第二步，而且簽名針對的是已經存在的apk包，并不會影響我們寫的代碼。事實也確實是如此，Android的簽名，大致的簽名原理就是對未簽名的apk里面的所有文件計算hash，然后保存起來（MANIFEST.MF），然后在對這些hash計算hash保存起來(CERT.SF)，然后在計算hash，然后再通過我們上面生成的keystore里面的私鑰進行加密并保存(CERT.RSA)。

Android簽名方案

Android 系統從誕生到現在的1.0版本，一共經歷了三代應用簽名方案，分別是v1、v2和v3方案。

v1 方案：基于 JAR 簽名。v2 方案：APK 簽名方案 v2，在 Android 7.0 引入。v3 方案：APK 簽名方案v3，在 Android 9.0 引入。

其中，v1 到 v2 是顛覆性的，主要是為了解決 JAR 簽名方案的安全性問題，而到了 v3 方案，其實結構上并沒有太大的調整，可以理解為 v2 簽名方案的升級版。

v1 到 v2 方案的升級，對開發者影響是最大的，就是渠道簽署的問題。v2的簽名也是為了讓不同渠道、市場的安裝包有所區別，攜帶渠道的唯一標識，也即是我們俗稱的渠道包。好在各大廠都開源了自己的簽渠道方案，例如：Walle（美團）、VasDolly（騰訊）都是非常優秀的方案。

V1簽名

簽名工具

Android 應用的簽名工具有兩種：jarsigner 和 apksigner。它們的簽名算法沒什么區別，主要是簽名使用的文件不同。它們的區別如下：

jarsigner：jdk 自帶的簽名工具，可以對 jar 進行簽名。使用 keystore 文件進行簽名。生成的簽名文件默認使用 keystore 的別名命名。

apksigner：Android sdk 提供的專門用于 Android 應用的簽名工具。使用 pk8、x509.pem 文件進行簽名。其中 pk8 是私鑰文件，x509.pem 是含有公鑰的文件。生成的簽名文件統一使用“CERT”命名。

既然這兩個工具都是給 APK 簽名的，那么 keystore 文件和 pk8，x509.pem 他們之間是不是有什么聯系呢？答案是肯定的，他們之間是可以轉化的，這里就不再分析它們是如何進行轉化，網上的例子很多。

還有一個需要注意的知識點，如果我們查看一個keystore 文件的內容，會發現里面包含有一個 MD5 和 SHA1 摘要，這個就是 keystore 文件中私鑰的數據摘要，這個信息也是我們在申請很多開發平臺賬號時需要填入的信息。

簽名過程

首先，我們任意選取一個簽名后的 APK（Sample-release.APK）進行解壓，會得到如下圖所示的文件。

可以發現，在 META-INF 文件夾下有三個文件：MANIFEST.MF、CERT.SF、CERT.RSA。它們就是簽名過程中生成的文件，它們的作用如下。

MANIFEST.MF

該文件中保存的其實就是逐一遍歷 APK 中的所有條目，如果是目錄就跳過，如果是一個文件，就用 SHA1（或者 SHA256）消息摘要算法提取出該文件的摘要然后進行 BASE64 編碼后，作為「SHA1-Digest」屬性的值寫入到 MANIFEST.MF 文件中的一個塊中。該塊有一個「Name」屬性， 其值就是該文件在 APK 包中的路徑。

打開MANIFEST.MF文件，文件內容如下圖：

CERT.SF

打開CERT.SF文件，文件的內容如下：

SHA1-Digest-Manifest-Main-Attributes：對 MANIFEST.MF 頭部的塊做SHA1（或者SHA256）后再用 Base64 編碼。SHA1-Digest-Manifest：對整個 MANIFEST.MF 文件做 SHA1（或者 SHA256）后再用 Base64 編碼。SHA1-Digest：對 MANIFEST.MF 的各個條目做 SHA1（或者 SHA256）后再用 Base64 編碼。

CERT.RSA

把之前生成的 CERT.SF 文件用私鑰計算出簽名, 然后將簽名以及包含公鑰信息的數字證書一同寫入 CERT.RSA 中保存。需要注意的是，Android APK 中的 CERT.RSA 證書是自簽名的，并不需要第三方權威機構發布或者認證的證書，用戶可以在本地機器自行生成這個自簽名證書。Android 目前不對應用證書進行 CA 認證。

打開CERT.RSA文件，內容如下圖：

這里看到的都是二進制文件，因為 使用RSA 加密了，所以我們需要用 openssl 命令才能查看其內容，如下所示。

$ openssl pkcs7 -inform DER -in /<文件存放路徑>/Sample-release_new/original/META-INF/CERT.RSA -text -noout -print_certs

執行上面的命令后，得到的內容如下圖：

綜上可以看出，一個完整的簽名過程如下圖：

簽名校驗

簽名驗證是發生在 APK 的安裝過程中，一共分為三步：

檢查 APK 中包含的所有文件，對應的摘要值與 MANIFEST.MF 文件中記錄的值一致。使用證書文件（RSA 文件）檢驗簽名文件（SF 文件）沒有被修改過。使用簽名文件（SF 文件）檢驗 MF 文件沒有被修改過。

綜上所述，一個完整的簽名驗證過程如下所示：

V2簽名

APK 簽名方案 v2 是一種全文件簽名方案，該方案能夠發現對 APK 的受保護部分進行的所有更改，從而有助于加快驗證速度并增強完整性保證。通過前面的分析，可以發現 v1 簽名有兩個地方可以改進：

簽名校驗速度慢校驗過程中需要對apk中所有文件進行摘要計算，在 APK 資源很多、性能較差的機器上簽名校驗會花費較長時間，導致安裝速度慢。

完整性保障不夠META-INF 目錄用來存放簽名，自然此目錄本身是不計入簽名校驗過程的，可以隨意在這個目錄中添加文件，比如一些快速批量打包方案就選擇在這個目錄中添加渠道文件。

為了解決這兩個問題，在 Android 7.0 版本 中引入了全新的 APK Signature Scheme v2。

V2的改進

由于在 v1 僅針對單個 ZIP 條目進行驗證，因此，在 APK 簽署后可進行許多修改 — 可以移動甚至重新壓縮文件。事實上，編譯過程中要用到的 ZIPalign 工具就是這么做的，它用于根據正確的字節限制調整 ZIP 條目，以改進運行時性能。而且我們也可以利用這個東西，在打包之后修改 META-INF 目錄下面的內容，或者修改 ZIP 的注釋來實現多渠道的打包，在 v1 簽名中都可以校驗通過。

v2 簽名將驗證歸檔中的所有字節，而不是單個 ZIP 條目，因此，在簽署后無法再運行 ZIPalign（必須在簽名之前執行）。正因如此，現在，在編譯過程中，Google 將壓縮、調整和簽署合并成一步完成。

v2 簽名

v2 簽名會在原先 APK 塊中增加了一個新的塊（簽名塊），新的塊存儲了簽名、摘要、簽名算法、證書鏈和額外屬性等信息，這個塊有特定的格式。最終的簽名APK其實就有四塊：頭文件區、V2簽名塊、中央目錄、尾部。下圖是V1簽名和V2簽名的組成。

整個簽名塊的格式如下：

size of block，以字節數（不含此字段）計 (uint64)帶 uint64 長度前綴的“ID-值”對序列：size of block，以字節數計 - 與第一個字段相同 (uint64)magic“APK 簽名分塊 42”（16 個字節）

在多個“ID-值”對中，APK簽名信息的 ID 為 0x7109871a，包含的內容如下：帶長度前綴的 signer：

帶長度前綴的 signed data，包含digests序列，X.509 certificates 序列，additional attributes序列帶長度前綴的 signatures（帶長度前綴）序列帶長度前綴的 public key（SubjectPublicKeyInfo，ASN.1 DER 形式）value可能會包含多個 signer，因為Android允許多個簽名。

總結一下：一個簽名塊，可以包含多個ID-VALUE，APK的簽名信息會存放在 ID 為 0x7109871a的鍵值對里。他的內容可以包含多個簽名者的簽名信息，每個簽名信息下包含signed data、signatures、public key，其中，signed data主要存放摘要序列、證書鏈、額外屬性，signatures包含多個簽名算法計算出來的簽名值，public key表示簽名者公鑰，用于校驗的時候驗證簽名的。

簽名過程

首先，說一下 APK 摘要計算規則，對于每個摘要算法，計算結果如下:

將 APK 中文件 ZIP 條目的內容、ZIP 中央目錄、ZIP 中央目錄結尾按照 1MB 大小分割成一些小塊。計算每個小塊的數據摘要，數據內容是 0xa5 + 塊字節長度 + 塊內容。計算整體的數據摘要，數據內容是 0x5a + 數據塊的數量 + 每個數據塊的摘要內容

總之，就是把 APK 按照 1M 大小分割，分別計算這些分段的摘要，最后把這些分段的摘要在進行計算得到最終的摘要也就是 APK 的摘要。然后將 APK 的摘要 + 數字證書 + 其他屬性生成簽名數據寫入到 APK Signing Block 區塊。

簽名校驗過程

接下來我們來看一下v2簽名的校驗過程，整體大概流程如下圖所示。

其中， v2 簽名機制是在 Android 7.0 以及以上版本才支持的。因此對于 Android 7.0 以及以上版本，在安裝過程中，如果發現有 v2 簽名塊，則必須走 v2 簽名機制，不能繞過。否則降級走 v1 簽名機制。v1 和 v2 簽名機制是可以同時存在的，其中對于 v1 和 v2 版本同時存在的時候，v1 版本的 META_INF 的 .SF 文件屬性當中有一個 X-Android-APK-Signed 屬性。

X-Android-APK-Signed: 2

之前的渠道包生成方案是通過在 META-INF 目錄下添加空文件，用空文件的名稱來作為渠道的唯一標識。但在新的應用簽名方案下 META-INF 已經被列入了保護區了，向 META-INF 添加空文件的方案會對區塊 1、3、4 都會有影響。對于這個問題，可以參考美團多渠道打包總結。

V3簽名

新版v3簽名在v2的基礎上，仍然采用檢查整個壓縮包的校驗方式。不同的是在簽名部分增可以添加新的證書（Attr塊）。在這個新塊中，會記錄我們之前的簽名信息以及新的簽名信息，以密鑰轉輪的方案，來做簽名的替換和升級。這意味著，只要舊簽名證書在手，我們就可以通過它在新的 APK 文件中，更改簽名。

v3 簽名新增的新塊（attr）存儲了所有的簽名信息，由更小的 Level 塊，以鏈表的形式存儲。

其中每個節點都包含用于為之前版本的應用簽名的簽名證書，最舊的簽名證書對應根節點，系統會讓每個節點中的證書為列表中下一個證書簽名，從而為每個新密鑰提供證據來證明它應該像舊密鑰一樣可信。

簽名校驗過程

Android 的簽名方案，無論怎么升級，都是要確保向下兼容。因此，在引入 v3 方案后，Android 9.0 及更高版本中，可以根據 APK 簽名方案，v3 -> v2 -> v1 依次嘗試驗證 APK。而較舊的平臺會忽略 v3 簽名并嘗試 v2 簽名，最后才去驗證 v1 簽名。整個驗證的過程，如下圖：

需要注意的是，對于覆蓋安裝的情況，簽名校驗只支持升級，而不支持降級。也就是說設備上安裝了一個使用 v1 簽名的 APK，可以使用 v2 簽名的 APK 進行覆蓋安裝，反之則不允許。

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