Android“FakeID”签名漏洞分析和利用

转自CSDN《程序员杂志》作者：火点，三金

7月30号，新闻又爆出Bluebox安全研究团队发布的安卓新的签名漏洞 “假 ID”，除了最新的4.4版本，几乎所有安卓设备都有此漏洞，本文通过技术分析漏洞细节，发现竟然能制作盗版支付宝，绕开360手机卫士的病毒查杀和支付保镖检测。

爆出漏洞

7月30号，Bluebox安全研究团队又对外纰漏新的签名漏洞，这是自去年轰动一时的master key漏洞后又一爆点。号称这一漏洞会影响安卓2.1以上系统所有设备，尽管最新的安卓系统4.4或者称KitKat已经修复了这一漏洞，但是仍然有10几亿的安卓设备受到影响。每一个安卓应用程序都有自己的数字签名，本质上来说就是一张ID卡，该漏洞通过伪造假的ID，能模拟Adobe flash插件，注入到浏览器，获得用户在浏览器输入的隐私信息，或者冒充谷歌钱包，然后获得付款和财务数据。

在今年的Blackhat大会上，Bluebox成员Jeff也有一个关于漏洞细节以及如何利用的精彩演讲，有兴趣的读者可以看看相关文档和视频。

签名那点事儿

Google在4.4上已经打上patch修补了这个签名漏洞，虽然只有短短10几行代码，但是背后的技术原理却极其复杂，请跟我一起来深入剖析，解开安卓签名技术的神秘面纱。

如果你之前对于数字签名不太了解的话，建议先了解PKI，PKCS，RSA，X509等等这些概念。

简单的说，PKI(Public Key Infrastructure)是一套利用公钥加密技术的规范，包括PKCS(Public Key Cryptography Standards)公钥密码系列，X509数字证书系列等等。RSA则是应用最广的公钥加密算法。

X509证书标准用到了公钥加密，引入CA (CertificateAuthority)发证书，作为可信第三方。然而，Google在设计应用签名的时候做了简化，去掉了CA，每个应用变成了自签名，也就是说应用自己生成证书，然后对自己的应用签名，发布出去，在安装应用的时候，系统只是通过安装包证书来验证安装包的完整性，却无法鉴别证书的真假。这个设计留下了巨大的安全设计缺陷，从此安卓的世界里盗版泛滥，广告，病毒，木马可以轻松的通过二次打包嵌入到原本干净的应用中，这个生态圈将永无宁日。

有人会问，这么简单的设计缺陷，Google那帮精英难道不知道吗？当然知道！那为神马要这么做呢？原因很简单，开源，免费。如果引入CA，CA肯定会通过给应用开发者发签名证书收费，除非Google愿意自己搭建免费CA，况且即便是Google搭建了，由于安卓系统可以定制，下游的手机厂商也不一定会买单，不想被Google控制束缚，而且应用市场也不是Google Play这一家，普及起来就更困难了，Google想想还是算了。

回到技术细节，来看看安卓应用签名的实现原理吧。安卓应用APK签名和以前jar签名是一个原理，签名信息会放在META-INF目录下，以RSA签名为例，会生成3个文件。

1 MANIFEST.MF ：标准清单文件，记录压缩包的基本信息，其中跟签名相关会记录压缩包中每个文件的hash值，用Base64转码保存如下，称为一个attribute。

Name:res/drawable-xhdpi/ic_launcher.png

SHA1-Digest: h5qMn5HNV9J4T42+TizyymqBqko=

2. CERT.SF：首先记录MANIFEST.MF整个文件的hash，然后是对1中每个attribute分别hash，生成一个entry，用Base64转码保存，和1的attribute很像，但是意义完全不同。有人会问有了MF整个hash，为什么还要对每个attribute再做hash，不是啰嗦，这个问题嘛，其实是早期Jar包为了多次打包多次签名使用的，所以MANIFEST.MF的hash就不一致了，安卓APK不存在这个情况，只是为了兼容标准实现。

SHA1-Digest-Manifest:veBzu0Shy8A3Y9LbBu1pCzVFv8Q=

Name:res/drawable-xhdpi/ic_launcher.png

SHA1-Digest:urIZIkZ1uHqF6dEXkraM62bnjlU=

3. CERT.RSA ：这个才是真正的X509证书文件。X509证书有两种格式PEM和DER，两者是等价的，可以通过openssl工具互相转换，CERT.RSA使用的DER格式，这个格式使用的是ASN1编码。巴拉巴拉一堆名词，可能会晕。简单的说CERT.RSA就是一个二进制文件，可以通过工具ASN1 Editor查看编辑。证书里面包含最重要的信息如下：issuer签发者，subject使用者，由于是自签名，所以issuer和subject是相同的。对CERT.SF经过hash和加密后放到signer info中就和原始证书构成了一个带签名信息的证书。

图1-生成带签名信息的证书

常见的签名工具有如下两类：

Oracle Java提供的keytool生成证书, jarsigner签名。

Openssl工具生成证书，Google工具signapk签名。

Android签名的核心过程主要集中在以下几个类和方法中：

PackageParser: collectCertificates()

PackageParser: loadCertificates()

JarFile: getInputStream()

JarVerifier: readCertificates()

JarVerifier: verifyCertificate()

JarUtil: verifySignature()

JarUtil: createChain()

JarUtil. findCert()

核心流程也非常简单：循环遍历APK中的每个文件，第一步验证对应的证书是否正确，证书可能有多个，所以也要循环验证，通过验证证书可以保证CERT.SF中对应在MANIFEST.MF的attribute项是没有篡改的；第二步就是读取这个文件，通过hash对比MANIFEST.MF中的项，保证文件没有篡改。

第一步中验证单个证书是否正确的流程主要是JarVerifier: verifyCertificate()方法中，详细步骤如下：

· 对CERT.SF文件做hash，对证书中signer info的加密数据用public key解密，然后比对比是否相等，调用了JarUtils.verifySignature()，同时也会生成证书链，用于后续返回。

· 第一步验证通过了，说明CERT.SF没有篡改，然后利用CERT.SF去验证整个MANIFEST.MF的hash是否相等，如果不相等，退而求其次验证CERT.SF中的entry和MANIFEST.MF对应attribute的hash是否相等。

· 第二步验证通过，则返回第一步生成的证书链。

细心读者会发现，怎么突然冒出一个证书链的概念？没错，问题就出在这里，Google的数字签名是支持X509的，前面提到CA的概念，如果引入CA，那么证书就会有两级，一个CA，一个自己的，当然实际情况很复杂，会有很多级CA形成树形结构，所以就有证书链的概念，下级的issuer等于上一级的subject，以此类推，直到issuer和subject相等，就是根CA。实际的证书链就会变成如下形式。这个模型的安全关键是上一级证书的issuer会对下一级有一个签名，放到下一级证书的issuer signature节点，从而保证这个证书是我发的，别人没法伪造，在验证证书链的时候，通过上一级的public key对下一级的issuer signature进行解密验证保证合法性。

图2-带证书链的证书

在JarUtils.verifySignature()代码会调用createChain()，代码如下，首先根据证书文件的signer info，找到了第一个证书，然后根据它的issuer遍历找到上级证书，直到找到根证书（issuer和subject相同）。Google解决漏洞的patch关键就在红色标记部分，如果没有这部分代码，建立证书链只要匹配到issuer就可以了，显然通过上面的分析没有验证issuer signature，那么这个证书链就无法保证合法性，攻击者可以简单地通过修改证书的issuer和subject字段很容易伪造一个证书，瞒天过海，通过验证。

实际上安卓APK都是自签名，只会有一个证书，压根就不会有包含多个证书的证书链，但是代码中又支持了X509证书链，像这种旮旯角落的代码，Google肯定没人去测试过，所以这么多年过去了（从android2.1版本开始），漏洞影响的设备就越来越多。

影响到底有多大

这个漏洞的危害到底有多大呢？这就涉及到android系统对证书签名的验证情况，网上有一篇360安全研究员申迪写的《FakeID签名漏洞分析及利用》很详细的描述了如果利用这个漏洞伪造一个Adobe Flash插件，注入到浏览器，形成攻击。

其核心在以下签名验证代码，浏览器内核Webkit在验证签名的时候只要有一个签名相等，就授权，Bluebox声称的冒充谷歌钱包应该也是类似原理。

安卓系统中还有哪些地方用到签名呢？是不是也有类似的问题呢？

安卓系统用到签名有两个地方，一个是签名权限，一个是share UID。对于权限，大部分安卓开发者都知道，要用的时候在AndroidManifest.xml中申请就可以了，但是很少有人知道权限有个分级属性protection level，有dangerous, normal，signature，system等，平常大家用的大多是dangerous或normal，只要申请了就可以用，但是signature权限，必须要求定义权限的APK和申请权限的APK相同签名。

另外一个是share UID，同样是在AndroidManifest.xml申明，这样就可以在让自己的组件运行在另外一个APK的进程中，如果你申明share UID是system，基本上在系统中可以畅通无阻，但提前也是相同签名。

Google开发framework核心的大牛还是逻辑很清晰的，以上两个功能在比较签名的时候都用到同一个方法: PackageManagerService.compareSignatures()，要求两个APK的签名必须签名个数相同，每个签名也必须相同，这么严格的限制使伪造证书链无法绕开验证，因为证书个数不一样，大牛果然是大牛，能够防患于未然，致敬！

只能说开发Webkit内核的工程师对签名的理解就没有那么深刻，所以才会出现上面的逻辑。

联想攻击

于是我们开始头脑风暴，脱离系统层面，还会有哪些场景用到了签名比较。前面提到了安卓二次打包泛滥，滋生了很多恶意程序，国内各大市场引入了正版验证技术，在正版应用首发的时候通过解析APK中的证书拿到真实自签名证书，后续再有安装包上传市场，就可以通过签名比对确认是否是盗版，360助手，豌豆荚等都有类似功能。

由于移动支付的普及流行，二次打包危害最严重的就是移动金融应用。因此，几乎所有安全软件都退出支付安全功能，其中一个重要的保障就是对盗版金融应用的检查，帮助用户鉴别盗版应用，免收欺诈。

除此之外，一些支付应用自身也会在程序逻辑中做远程签名验证，就是将APK中的签名上传服务器验证，一旦检查不相同，立刻封号。

我们设想上述提到的应用在做正版签名时是否也会犯类似的错误？只验证根证书或者只要匹配一个证书成功就可以了。

于是我们选取支付宝作为测试，被测对象我们选取了360手机卫士，腾讯手机管家和豌豆荚应用市场，攻击步骤如下：

§ 通过以下脚本构造证书链

# need to create folder demoCA, demoCA/certs, demoCA/newcerts under current folder

# need to create empty file demoCA/index.txt under current folder

# need to create file serial under current folder, then echo 01 to the file

openssl genrsa -out ca.key 1024

openssl req -days 3650 -new -x509 -key ca.key -out ca.crt

keytool -genkey -alias cert -validity 365 -keyalg RSA -keysize 1024 -keypass 123456 -storepass 123456 -keystore server_keystore

keytool -certreq -alias cert -sigalg MD5withRSA -file cert.csr -keypass 123456 -storepass 123456 -keystore server_keystore

openssl ca -in cert.csr -out cert.crt -cert ca.crt -keyfile ca.key -notext -config openssl.cnf

keytool -import -v -trustcacerts -alias my_ca_root -file ca.crt -storepass 123456 -keystore server_keystore

keytool -import -v -alias cert -file cert.crt -storepass 123456 -keystore server_keystore

keytool -list -v -keystore server_keystore -storepass 123456

提取正版APK中的CERT.RSA文件
删除支付宝APK中的META-INF文件夹，对支付宝进行重签名

jarsigner -keystore server_keystore-storepass 123456 -signedjar alipay_fake.apk alipay.apk cert

将盗版支付宝APK中的CERT.RSA文件提取出来，用ASN1 Editor（本来是写了tool改的，后来发现这个神器，一切都简单了）分别打开正版和盗版CERT.RSA，删除掉假证书的根证书节点，将真证书中的根节点复制到假证书中，参考alipay证书中issuer节点修改signerinfo中的issuer节点。
安装在手机上，抓取系统中保存所有安装包信息的文件/data/system/packages.xml，对比发现盗版支付宝有2个签名证书，其中一个和真证书相同

图3-系统中真假支付宝签名信息

然后分别用3款软件进行扫描（版本信息如下），看是否有盗版提示，检查结果如下，只有360手机卫士没有检测出盗版，另外2款都检测出来了。

支付宝	8.2.0
360手机助手	5.2.3
腾讯手机管家	5.0.0
豌豆荚	4.13.1

图4-盗版支付宝检测结果，从左到右依次是腾讯手机管家，豌豆荚，360手机卫士

最后，我们又做了一个实验，只用一个假证书做成盗版支付宝，结果除了支付宝自身，其他3家都可以检测出来。于是我们断定支付宝没有实现自我签名验证，也就是说如果用户手机上没有装盗版检测的软件，那存在很大的可能性，用户的支付宝账户被盗，财产受损。

小结

我曾在8月7号通过CSDN发过一篇短评，披露360盗版检测的问题，当时使用版本是5.2.3，360手机卫士最新版5.2.5.1038已经能检测盗版的问题，用户升级后可以放心使用。同时我们也希望支付宝作为支付行业龙头，这种基本的自我保护是必须做的，不能完全依赖于第三方软件检测，这也是对用户最基本的责任。

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