准备知识

要理解Android的签名机制，首先要熟悉数字签名技术，可以参考我的另一篇文章：《信息安全的护城河：数字证书与数字签名技术》

Android签名机制

签名工具
Android应用的签名工具有两种：jarsigner和signapk。它们的签名算法没什么区别，主要是签名使用的文件不同。
jarsigner：jdk自带的签名工具，可以对jar进行签名。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。
signapk：Android sdk提供的专门用于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是含有公钥的文件。生成的签名文件统一使用“CERT”命名。
既然这两个工具都是给apk签名的，那么keystore文件和pk8,x509.pem他们之间是不是有什么联系呢？答案是肯定的，他们之间是可以转化的，这里就不再分析如何进行转化，网上的例子很多。
还有一个需要注意的知识点，如果我们查看一个keystore文件的内容，会发现里面包含有一个MD5和SHA1摘要，这个就是keystore文件中私钥的数据摘要，这个信息也是我们在申请很多开发平台账号时需要填入的信息。
签名过程
首先我们任意选取一个签名后的APK（SMSSDKSample-release.apk）解压：
在META-INF文件夹下有三个文件：MANIFEST.MF、CERT.SF、CERT.RSA。它们就是签名过程中生成的文件，姑且叫他们“签名三兄弟”吧，把它们搞清楚了，你就精通签名了。
1.MANIFEST.MF
该文件中保存的内容其实就是逐一遍历apk中的所有条目，如果是目录就跳过，如果是一个文件，就用SHA1（或者SHA256）消息摘要算法提取出该文件的摘要然后进行BASE64编码后，作为“SHA1-Digest”属性的值写入到MANIFEST.MF文件中的一个块中。该块有一个“Name”属性，其值就是该文件在apk包中的路径。
2.CERT.SF
SHA1-Digest-Manifest-Main-Attributes：对MANIFEST.MF头部的块做SHA1（或者SHA256） 后再用Base64编码
SHA1-Digest-Manifest：对整个MANIFEST.MF文件做SHA1（或者SHA256） 后再用Base64编码
SHA1-Digest：对MANIFEST.MF的各个条目做SHA1（或者SHA256） 后再用Base64编码
对于SHA1-Digest值的验证可以手动进行，将MANIFEST.MF中任意一个块的内容复制并保存在一个新的文档中，注意文末需要加两个换行（这是由signapk的源码决定的）
保存文件，然后对该文件计算其SHA1值后使用Base64编码：
得到的值就是CERT.SF 中相应条目的SHA1-Digest的值：
3.CERT.RSA
这里会把之前生成的 CERT.SF文件，用私钥计算出签名, 然后将签名以及包含公钥信息的数字证书一同写入  CERT.RSA  中保存。这里要注意的是， Android APK中的CERT.RSA证书是自签名的，并不需要这个证书是第三方权威机构发布或者认证的，用户可以在本地机器自行生成这个自签名证书。Android 目前不对应用证书进行 CA 认证。
Tips：所谓自签名证书是指自己给自己颁发的证书，即公钥证书中Issuer（发布者）和Subject（所有者）是相同的。当然，APK也可以采用由CA颁发私钥证书进行签名。采用非自签名时，最终APK的公钥证书中就会包含证书链，并且会存在多余一个证书，证书间通过Issuer与Subject进行关联，Issuer负责对Subject进行认证。当安装APK时，系统只会用位于证书链中最底层的证书对APK进行校验，但并不会验证证书链的有效性。在Https通信中使用自签名证书时浏览器的显示效果：
这里我们看到的都是二进制文件，因为RSA文件加密了，所以我们需要用openssl命令才能查看其内容：
openssl pkcs7 -inform DER -in /Users/jackie/Downloads/apk签名机制/SMSSDKSample-release_new/original/META-INF/DEMOKEY_.RSA -text -noout -print_certs
关于这些信息，可以看下面这张图：
综上所述，一个完整的签名过程如下所示：
签名验证过程
签名验证是发生在apk的安装过程中，一共分为三步：
（1）检查apk中包含的所有文件，对应的摘要值与MANIFEST.MF文件中记录的值一致。
（2）使用证书文件（RSA文件）检验签名文件（SF文件）没有被修改过。
（3）使用签名文件（SF文件）检验MF文件没有被修改过。
综上所述，一个完整的签名验证过程如下所示：
为什么使用这样的签名流程呢？
我们假设一下，首先，如果你改变了apk包中的任何文件，那么在apk安装校验时，改变后的文件摘要信息与MANIFEST.MF的检验信息不同，于是验证失败，程序就不能成功安装。
其次，如果你对更改过的文件相应的算出新的摘要值，然后更改MANIFEST.MF文件里面对应的属性值，那么必定与CERT.SF文件中算出的摘要值不一样，照样验证失败。
最后，如果你还不死心，继续计算MANIFEST.MF的摘要值，相应的更改CERT.SF里面的值，那么数字签名值必定与CERT.RSA文件中记录的不一样，还是失败。
那么能不能继续伪造数字签名呢？不可能，因为没有数字证书对应的私钥。
APK Signature Scheme v2
在 Android 7.0 Nougat 中引入了全新的 APK Signature Scheme v2。
APK 签名方案 v2 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，从而有助于加快验证速度并增强完整性保证。
原因
为什么谷歌要做这个事情呢？第一点毋庸置疑，肯定是处于安全性的考虑，之前的校验方式开发者可以在打包之后对apk做很多处理，第二为了性能考虑，安装校验的时候不需要再解压缩校验，从而提升安装速度。
v2带来了什么变化
由于在 v1 仅针对单个ZIP条目进行验证，因此，在 APK 签署后可进行许多修改 - 可以移动甚至重新压缩文件。事实上，编译过程中要用到的 zipalign 工具就是这么做的，它用于根据正确的字节限制调整 ZIP 条目，以改进运行时性能。而且我们也可以利用这个东西，在打包之后修改META-INF目录下面的内容，或者修改Zip的注释来实现多渠道的打包，在v1签名中都可以校验通过。
v2 签名将验证归档中的所有字节，而不是单个 ZIP 条目，因此，在签署后无法再运行 zipalign（必须在签名之前执行）。正因如此，现在，在编译过程中，Google将压缩、调整和签署合并成一步完成。
新的签名方案就是一种扩展的Zip格式
使用 APK 签名方案 v2 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，v2 签名和签名者身份信息会存储在 APK 签名方案 v2 分块中。
受完整性保护的内容
为了保护APK内容，整个APK（zip文件格式）被分为以下4个区块：
  • ZIP 条目的内容（从偏移量 0 处开始一直到“APK 签名分块”的起始位置）
  • APK 签名分块
  • ZIP 中央目录
  • ZIP 中央目录结尾
APK 签名方案 v2 负责保护第 1、3、4 部分的完整性，以及第 2 部分包含的“APK 签名方案 v2 分块”中的 signed data 分块的完整性。
第 1、3 和 4 部分的完整性通过其内容的一个或多个摘要来保护，这些摘要存储在 signed data 分块中，而这些分块则通过一个或多个签名来保护。
新旧签名方案的兼容
新的签名格式向后兼容，因此，使用这种新格式签名的 APK 可在更低版本的 Android 设备上进行安装（会直接忽略添加到 APK 的额外数据），但前提是这些 APK 还带有 v1 签名。
验证程序会对照存储在“APK 签名分块”中的 v2 签名对 APK 的全文件哈希进行验证。该哈希涵盖除“APK 签名分块”（其中包含 v2 签名）之外的所有内容。在“APK 签名分块”以外对 APK 进行的任何修改都会使 APK 的 v2 签名作废。v2 签名被删除的 APK 也会被拒绝，因为 v1 签名指明相应 APK 带有 v2 签名，所以 Android Nougat 及更高版本会拒绝使用 v1 签名验证 APK。这就是所谓的“防回滚保护”。
Tips：攻击者可能会试图在支持对带 v2 签名的 APK 进行验证的 Android 平台上将带 v2 签名的 APK 作为带 v1 签名的 APK 进行验证。为了防范此类攻击，带 v2 签名的 APK 如果还带 v1 签名，其 META-INF/*.SF 文件的主要部分中必须包含 X-Android-APK-Signed 属性。该属性的值是一组以英文逗号分隔的 APK 签名方案 ID（v2 方案的 ID 为 2）。在验证 v1 签名时，对于此组中验证程序首选的 APK 签名方案（例如，v2 方案），如果 APK 没有相应的签名，APK 验证程序必须要拒绝这些 APK。此项保护依赖于内容 META-INF/*.SF 文件受 v1 签名保护这一事实。
新签名方案v2对现存的渠道包生成工具的影响
之前的渠道包生成方案是通过在META-INF目录下添加空文件，用空文件的名称来作为渠道的唯一标识。但在新的应用签名方案下META-INF已经被列入了保护区了，向META-INF添加空文件的方案会对区块1、3、4都会有影响。
另外一种比较流行的渠道包快速生成方案（修改Zip的注释）也因为上述原因，无法在新的应用签名方案下进行正常工作。
如果新签名方案v2后续改成强制要求，那现有的生成渠道包的方式就会无法工作，难道要退回到解放前吗？
从上面的描述可以看到，区块1、3、4都是被保护的，任何针对这3个区块的修改都会被新签名方案v2检测到，但区块2（APK Signing Block）是不受签名校验规则保护的。美团的新一代打渠道包工具Walle就是往区块2写入一个自定义的ID-value，在App运行阶段，可以通过ZIP的EOCD（End of central directory）、Central directory等结构中的信息（涉及ZIP格式的相关知识，这里不做展开描述）找到我们自己添加的ID-value，从而实现获取渠道信息的功能，来应对新签名方案v2的。
知识点梳理
1.公钥密码体制：
（1）公钥密码体制的公钥和算法都是公开的，私钥是保密的。一方加密的数据只能由另一方解密。
（2）公钥加密、私钥解密，称为“加密”；私钥加密、公钥解密，称为“签名”。公钥密码体制是目前唯一同时具备了加密与签名功能的密码体制。
2.消息摘要、数字签名、数字证书的含义：
（1）消息摘要又称数字指纹，就是对一个消息做SHA/MD5算法，这个值是唯一的；
（2）一个高效的数字签名技术 = 消息摘要技术 + 非对称加密技术（RSA算法）
（3）数字证书中包含了证书持有者的信息、持有者的公钥、证书签发机构（CA）的信息、CA机构对证书本身的签名信息以及其他一些信息，主要用于解决公钥的安全发放问题
（4）在Android签名之后，其中SF就是签名文件，RSA就是证书文件，我们可以用openssl来查看RSA文件中的证书信息和公钥信息
（5）Android APK中的CERT.RSA证书是自签名的，并不需要这个证书是第三方权威机构发布或者认证的
3.Android中的签名有两种方式：jarsigner和signapk。这两种方式的区别是：
（1）jarsigner签名时，需要的是keystore文件，而signapk签名的时候是pk8,x509.pem文件
（2）jarsigner签名之后的SF和RSA文件名默认是keystore的别名，而signapk签名之后文件名是固定的:CERT
（3）keystore文件和pk8,x509.pem文件之间可以互相转化
4.新签名方案v2：
（1）v2是一种全文件签名方案，对整个zip文件（包括zip元数据）进行签名
（2）v2方案下，zipalign需要在签名之前执行
（3）v2的签名工具-apksigner，位于sdk的build-tools目录下，但由于v2是Android7.0之后才推出的，所以只有版本>25的sdk中才能找到apksigner.jar
（4）为了兼容7.0以下设备，需要同时使用v1和v2签名。此时，在7.0及以上设备中只会验证v2签名，如果试图删除v2签名保留v1签名，系统同样会验证不通过，即“防回滚保护”；而在7.0以下设备中，则只会验证v1签名

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