Android 签名整理

1.  为什么要签名 

    1)  发送者的身份认证
         由于开发商可能通过使用相同的 Package Name 来混淆替换已经安装的程序，以此保证签名不同的包不被替换

    2)  保证信息传输的完整性
         签名对于包中的每个文件进行处理，以此确保包中内容不被替换

    3)  防止交易中的抵赖发生， Market 对软件的要求

2.   签名的说明 

    1)  所有的应用程序都必须有数字证书， Android 系统不会安装一个没有数字证书的应用程序

    2)  Android 程序包使用的数字证书可以是自签名的，不需要一个权威的数字证书机构签名认证

    3)  如果要正式发布一个 Android 应用，必须使用一个合适的私钥生成的数字证书来给程序签名，而不能使用 adt 插件或者 ant 工具生成的调试证书来发布

    4)  数字证书都是有有效期的， Android 只是在应用程序安装的时候才会检查证书的有效期。如果程序已经安装在系统中，即使证书过期也不会影响程序的正常功能

    5)  签名后需使用 zipalign 优化程序

    6)  Android 将数字证书用来标识应用程序的作者和在应用程序之间建立信任关系，而不是用来决定最终用户可以安装哪些应用程序

3.   签名的方法

4.  签名的相关文件 

1)         apk 包中签名相关的文件在 META_INF 目录下 
CERT.SF ：生成每个文件相对的密钥 
MANIFEST.MF ：数字签名信息 
xxx.SF ：这是 JAR 文件的签名文件，占位符 xxx 标识了签名者 
xxx.DSA ：对输出文件的签名和公钥

2)         相关源码 
development/tools/jarutils/src/com.anroid.jarutils/SignedJarBuilder.java
frameworks/base/services/java/com/android/server/PackageManagerService.java
frameworks/base/core/java/android/content/pm/PackageManager.java
frameworks/base/cmds/pm/src/com/android/commands/pm/Pm.java
dalvik/libcore/security/src/main/java/java/security/Sign*
build/target/product/security/platform.*
build/tools/signapk/*

5.  签名的相关问题

 

 

一般在安装时提示出错： INSTALL_PARSE_FAILED_INCONSISTENT_CERTIFICATES

1)         两个应用，名字相同，签名不同

2)         升级时前一版本签名，后一版本没签名

3)         升级时前一版本为 DEBUG 签名，后一个为自定义签名

4)         升级时前一版本为 Android 源码中的签名，后一个为 DEBUG 签名或自定义签名

5)         安装未签名的程序

6)         安装升级已过有效期的程序

6.  相关工具 

7.  参考 
http://developer.android.com/guide/publishing/app-signing.html 
http://www.pgcw.com.cn/Newsdetail.asp?id=257565010 
http://www.eoeandroid.com/thread-23010-1-1.html 
http://pepa.javaeye.com/blog/250991

1)         查看某个 x509 证书的的有效日期 
在 SignApk.java 中打印出 publicKey.getNotAfter() 即可

a)          使用源码中的默认签名 
在源码中编译一般都使用默认签名的，在某源码目录中用运行 
$ mm showcommands 能看到签名命令 
Android 提供了签名的程序 signapk.jar ，用法如下： 
$ signapk publickey.x509[.pem] privatekey.pk8 input.jar output.jar 
*.x509.pem 为 x509 格式公钥， pk8 为私钥 
build/target/product/security 目录中有四组默认签名可选： testkey, platform, shared, media （具体见 README.txt ），应用程序中 Android.mk 中有一个 LOCAL_CERTIFICATE 字段，由它指定用哪个 key 签名，未指定的默认用 testkey.

b)         在源码中自签名 
Android 提供了一个脚本 mkkey.sh （ build/target/product/security/mkkey.sh ），用于生成密钥，生成后在应用程序中通过Android.mk 中的 LOCAL_CERTIFICATE 字段指名用哪个签名

c)          mkkey.sh 介绍

                                       i.              生成公钥 
openssl genrsa -3 -out testkey.pem 2048 
其中 -3 是算法的参数， 2048 是密钥长度， testkey.pem 是输出的文件

                                      ii.              转成 x509 格式（含作者有效期等） 
openssl req -new -x509 -key testkey.pem -out testkey.x509.pem -days 10000 -subj ‘/C=US/ST=California/L=MountainView/O=Android/OU=Android/CN=Android/emailAddress=[e-mail] ’

                                    iii.              生成私钥 
openssl pkcs8 -in testkey.pem -topk8 -outform DER -out testkey.pk8 -nocrypt 
把的格式转换成 PKCS #8 ，这里指定了 -nocryp ，表示不加密，所以签名时不用输入密码

8.读取.RSA密匙信息及获取KEYSTORE指纹信息

    import sun.security.pkcs.PKCS7;      import java.io.FileInputStream;      import java.io.FileNotFoundException;      import java.io.IOException;      import java.io.InputStream;      import java.security.GeneralSecurityException;      import java.security.cert.X509Certificate;      public class SignApk {          public static X509Certificate readSignatureBlock(InputStream in) throws IOException, GeneralSecurityException {              PKCS7 pkcs7 = new PKCS7(in);              return pkcs7.getCertificates()[0];          }          public static void main(String[] args) throws FileNotFoundException, IOException, GeneralSecurityException {              X509Certificate publicKey = readSignatureBlock(new FileInputStream("./CERT.RSA"));              System.out.println("issuer:" + publicKey.getIssuerDN());              System.out.println("subject:" + publicKey.getSubjectDN());              System.out.println(publicKey.getPublicKey());          }      }  

输出如下：

issuer:CN=Sodino  subject:CN=SodinoChen  Sun RSA public key, 1024 bits    modulus: 154308594144468705348294760484396264219304223307125368116140288659005422830114898674784044956357283073098453132761265419031547660249768235885852151387544779929680291539693130807734777897342583741160281523340554669518353638961667015615312475350767041053961957188628650343640790505255765999004862716823611888529    public exponent: 65537

另外，使用如下命令也可读出指定APK包的签名信息：

jarsigner -verify -verbose -certs <your_apk_path.apk>

再者，对于一个keystore的指纹信息获取可以用如下命令：

1. D:/>keytool -list -alias alias_name -keystore keystore_name.KEYSTORE  
2. 输入keystore密码：  
3. sodino_keystore, 2010-8-9, PrivateKeyEntry,  
4. 认证指纹 (MD5)： CB:5E:F5:33:23:F4:D2:D3:CC:74:9D:BF:14:36:EB:8D

在Linux下，也可以使用openssl命令来获取：

view plain

1. $ openssl pkcs7 -in CERT.RSA -inform DER -print_certs  
2. subject=/C=US/ST=California/L=Mountain View/O=Android/OU=Android/CN=Android/emailAddress=android@an  
3. roid.com  
4. issuer=/C=US/ST=California/L=Mountain View/O=Android/OU=Android/CN=Android/emailAddress=android@and  
5. oid.com  
6. -----BEGIN CERTIFICATE-----  
7. MIIEqDCCA5CgAwIBAgIJALOZgIbQVs/6MA0GCSqGSIb3DQEBBAUAMIGUMQswCQYD  
8. VQQGEwJVUzETMBEGA1UECBMKQ2FsaWZvcm5pYTEWMBQGA1UEBxMNTW91bnRhaW4g  
9. VmlldzEQMA4GA1UEChMHQW5kcm9pZDEQMA4GA1UECxMHQW5kcm9pZDEQMA4GA1UE  
10. AxMHQW5kcm9pZDEiMCAGCSqGSIb3DQEJARYTYW5kcm9pZEBhbmRyb2lkLmNvbTAe  
11. Fw0wODA0MTUyMjQwNTBaFw0zNTA5MDEyMjQwNTBaMIGUMQswCQYDVQQGEwJVUzET  
12. MBEGA1UECBMKQ2FsaWZvcm5pYTEWMBQGA1UEBxMNTW91bnRhaW4gVmlldzEQMA4G  
13. A1UEChMHQW5kcm9pZDEQMA4GA1UECxMHQW5kcm9pZDEQMA4GA1UEAxMHQW5kcm9p  
14. ZDEiMCAGCSqGSIb3DQEJARYTYW5kcm9pZEBhbmRyb2lkLmNvbTCCASAwDQYJKoZI  
15. hvcNAQEBBQADggENADCCAQgCggEBAJx4BZKsDV04HN6qZezIpgBuNkgMbXIHsSAR  
16. vlCGOqvitV0Amt9xRtbyICKAx81Ne9smJDuKgGwms0sTdSOkkmgiSQTcAUk+fArP  
17. GgXIdPabA3tgMJ2QdNJCgOFrrSqHNDYZUer3KkgtCbIEsYdeEqyYwap3PWgAuer9  
18. 5W1Yvtjo2hb5o2AJnDeoNKbf7be2tEoEngeiafzPLFSW8s821k35CjuNjzSjuqtM  
19. 9TNxqydxmzulh1StDFP8FOHbRdUeI0+76TybpO35zlQmE1DsU1YHv2mi/0qgfbX3  
20. 6iANCabBtJ4hQC+J7RGQiTqrWpGA8VLoL4WkV1PPX8GQccXuyCcCAQOjgfwwgfkw  
21. HQYDVR0OBBYEFE/koLPdnLop9x1yh8Tnw48ghsKZMIHJBgNVHSMEgcEwgb6AFE/k  
22. oLPdnLop9x1yh8Tnw48ghsKZoYGapIGXMIGUMQswCQYDVQQGEwJVUzETMBEGA1UE  
23. CBMKQ2FsaWZvcm5pYTEWMBQGA1UEBxMNTW91bnRhaW4gVmlldzEQMA4GA1UEChMH  
24. QW5kcm9pZDEQMA4GA1UECxMHQW5kcm9pZDEQMA4GA1UEAxMHQW5kcm9pZDEiMCAG  
25. CSqGSIb3DQEJARYTYW5kcm9pZEBhbmRyb2lkLmNvbYIJALOZgIbQVs/6MAwGA1Ud  
26. EwQFMAMBAf8wDQYJKoZIhvcNAQEEBQADggEBAFclUbjZOh9z3g9tRp+G2tZwFAAp  
27. PIigzXzXeLc9r8wZf6t25iEuVsHHYc/EL9cz3lLFCuCIFM78CjtaGkNGBU2Cnx2C  
28. tCsgSL+ItdFJKe+F9g7dEtctVWV+IuPoXQTIMdYT0Zk4u4mCJH+jISVroS0dao+S  
29. 6h2xw3Mxe6DAN/DRr/ZFrvIkl5+6bnoUvAJccbmBOM7z3fwFlhfPJIRc97QNY4L3  
30. J17XOElatuWTG5QhdlxJG3L7aOCA29tYwgKdNHyLMozkPvaosVUz7fvpib1qSN1L  
31. IC7alMarjdW4OZID2q4u1EYjLk/pvZYTlMYwDlE448/Shebk5INTjLixs1c=  
32. -----END CERTIFICATE-----  

 

9.apk签名对比及说明

发布过Android应用的朋友们应该都知道，Android APK的发布是需要签名的。签名机制在Android应用和框架中有着十分重要的作用。

例如，Android系统禁止更新安装签名不一致的APK；如果应用需要使用system权限，必须保证APK签名与Framework签名一致，等等。在《APK Crack》一文中，我们了解到，要破解一个APK，必然需要重新对APK进行签名。而这个签名，一般情况无法再与APK原先的签名保持一致。（除非APK原作者的私钥泄漏，那已经是另一个层次的软件安全问题了。）

简单地说，签名机制标明了APK的发行机构。因此，站在软件安全的角度，我们就可以通过比对APK的签名情况，判断此APK是否由“官方”发行，而不是被破解篡改过重新签名打包的“盗版软件”。

Android签名机制
    为了说明APK签名比对对软件安全的有效性，我们有必要了解一下Android APK的签名机制。为了更易于大家理解，我们从Auto-Sign工具的一条批处理命令说起。

在《APK Crack》一文中，我们了解到，要签名一个没有签名过的APK，可以使用一个叫作Auto-sign的工具。Auto-sign工具实际运行的是一个叫做Sign.bat的批处理命令。用文本编辑器打开这个批处理文件，我们可以发现，实现签名功能的命令主要是这一行命令：

    java -jar signapk.jar testkey.x509.pem testkey.pk8 update.apk update_signed.apk

    这条命令的意义是：通过signapk.jar这个可执行jar包，以“testkey.x509.pem”这个公钥文件和“testkey.pk8”这个私钥文件对“update.apk”进行签名，签名后的文件保存为“update_signed.apk”。 
    对于此处所使用的私钥和公钥的生成方式，这里就不做进一步介绍了。这方面的资料大家可以找到很多。我们这里要讲的是signapk.jar到底做了什么。

    signapk.jar是Android源码包中的一个签名工具。由于Android是个开源项目，所以，很高兴地，我们可以直接找到signapk.jar的源码！路径为/build/tools/signapk/SignApk.java。

对比一个没有签名的APK和一个签名好的APK，我们会发现，签名好的APK包中多了一个叫做META-INF的文件夹。里面有三个文件，分别名为MANIFEST.MF、CERT.SF和CERT.RSA。signapk.jar就是生成了这几个文件（其他文件没有任何改变。因此我们可以很容易去掉原有签名信息）。

    通过阅读signapk源码，我们可以理清签名APK包的整个过程。

 

1、 生成MANIFEST.MF文件：

程序遍历update.apk包中的所有文件(entry)，对非文件夹非签名文件的文件，逐个生成SHA1的数字签名信息，再用Base64进行编码。具体代码见这个方法：

    private static Manifest addDigestsToManifest(JarFile jar)

关键代码如下：

 1     for (JarEntry entry: byName.values()) {
 2         String name = entry.getName();
 3         if (!entry.isDirectory() && !name.equals(JarFile.MANIFEST_NAME) &&
 4             !name.equals(CERT_SF_NAME) && !name.equals(CERT_RSA_NAME) &&
 5                (stripPattern == null ||!stripPattern.matcher(name).matches())) {
 6                 InputStream data = jar.getInputStream(entry);
 7                 while ((num = data.read(buffer)) > 0) {
 8                     md.update(buffer, 0, num);
 9                 }
10                 Attributes attr = null;
11                 if (input != null) attr = input.getAttributes(name);
12                 attr = attr != null ? new Attributes(attr) : new Attributes();
13                 attr.putValue("SHA1-Digest", base64.encode(md.digest()));
14                 output.getEntries().put(name, attr);
15           }
16     }

    之后将生成的签名写入MANIFEST.MF文件。关键代码如下：

1     Manifest manifest = addDigestsToManifest(inputJar);
2     je = new JarEntry(JarFile.MANIFEST_NAME);
3     je.setTime(timestamp);
4     outputJar.putNextEntry(je);
5     manifest.write(outputJar);
    这里简单介绍下SHA1数字签名。简 单地说，它就是一种安全哈希算法，类似于MD5算法。它把任意长度的输入，通过散列算法变成固定长度的输出（这里我们称作“摘要信息”）。你不能仅通过这 个摘要信息复原原来的信息。另外，它保证不同信息的摘要信息彼此不同。因此，如果你改变了apk包中的文件，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，于是程序就不能成功安装。

2、 生成CERT.SF文件：

对前一步生成的Manifest，使用SHA1-RSA算法，用私钥进行签名。关键代码如下：

1     Signature signature = Signature.getInstance("SHA1withRSA");
2     signature.initSign(privateKey);
3     je = new JarEntry(CERT_SF_NAME);
4     je.setTime(timestamp);
5     outputJar.putNextEntry(je);
6     writeSignatureFile(manifest,
7     new SignatureOutputStream(outputJar, signature));
    RSA是一种非对称加密算法。用私钥通过RSA算法对摘要信息进行加密。在安装时只能使用公钥才能解密它。解密之后，将它与未加密的摘要信息进行对比，如果相符，则表明内容没有被异常修改。

3、 生成CERT.RSA文件：

生成MANIFEST.MF没有使用密钥信息，生成CERT.SF文件使用了私钥文件。那么我们可以很容易猜测到，CERT.RSA文件的生成肯定和公钥相关。

CERT.RSA文件中保存了公钥、所采用的加密算法等信息。核心代码如下：

1     je = new JarEntry(CERT_RSA_NAME);
2     je.setTime(timestamp);
3     outputJar.putNextEntry(je);
4     writeSignatureBlock(signature, publicKey, outputJar);
    其中writeSignatureBlock的代码如下：

 1     private static void writeSignatureBlock(
 2         Signature signature, X509Certificate publicKey, OutputStream out)
 3             throws IOException, GeneralSecurityException {
 4                 SignerInfo signerInfo = new SignerInfo(
 5                 new X500Name(publicKey.getIssuerX500Principal().getName()),
 6                 publicKey.getSerialNumber(),
 7                 AlgorithmId.get("SHA1"),
 8                 AlgorithmId.get("RSA"),
 9                 signature.sign());
10 
11         PKCS7 pkcs7 = new PKCS7(
12             new AlgorithmId[] { AlgorithmId.get("SHA1") },
13             new ContentInfo(ContentInfo.DATA_OID, null),
14             new X509Certificate[] { publicKey },
15             new SignerInfo[] { signerInfo });
16 
17         pkcs7.encodeSignedData(out);
18     }

    好了，分析完APK包的签名流程，我们可以清楚地意识到：

1、 Android签名机制其实是对APK包完整性和发布机构唯一性的一种校验机制。

2、 Android签名机制不能阻止APK包被修改，但修改后的再签名无法与原先的签名保持一致。（拥有私钥的情况除外）。

3、 APK包加密的公钥就打包在APK包内，且不同的私钥对应不同的公钥。换句话言之，不同的私钥签名的APK公钥也必不相同。所以我们可以根据公钥的对比，来判断私钥是否一致。

APK签名比对的实现方式：
    好了，通过Android签名机制的分析，我们从理论上证明了通过APK公钥的比对能判断一个APK的发布机构。并且这个发布机构是很难伪装的，我们暂时可以认为是不可伪装的。

    有了理论基础后，我们就可以开始实践了。那么如何获取到APK文件的公钥信息呢？因为Android系统安装程序肯定会获取APK信息进行比对，所以我们可以通过Android源码获得一些思路和帮助。

    源码中有一个隐藏的类用于APK包的解析。这个类叫PackageParser，路径为frameworks\base\core\java\android\content\pm\PackageParser.java。当我们需要获取APK包的相关信息时，可以直接使用这个类，下面代码就是一个例子函数：

 1     private PackageInfo parsePackage(String archiveFilePath, int flags){
 2         
 3         PackageParser packageParser = new PackageParser(archiveFilePath);
 4         DisplayMetrics metrics = new DisplayMetrics();
 5         metrics.setToDefaults();
 6         final File sourceFile = new File(archiveFilePath);
 7         PackageParser.Package pkg = packageParser.parsePackage(
 8                 sourceFile, archiveFilePath, metrics, 0);
 9         if (pkg == null) {
10             return null;
11         }
12         
13         packageParser.collectCertificates(pkg, 0); 
14         
15         return PackageParser.generatePackageInfo(pkg, null, flags, 0, 0);
16     }
    其中参数archiveFilePath指定APK文件路径；flags需设置PackageManager.GET_SIGNATURES位，以保证返回证书签名信息。

    具体如何通过PackageParser获取签名信息在此处不做详述，具体代码请参考PackageParser中的public boolean collectCertificates(Package pkg, int flags)和private Certificate[] loadCertificates(JarFile jarFile, JarEntry je, byte[] readBuffer)方法。至于如何在Android应用开发中使用隐藏的类及方法，可以参看我的这篇文章：《Android应用开发中如何使用隐藏API》。

    紧接着，我们就可以通过packageInfo.signatures来访问到APK的签名信息。还需要说明的是 Android中Signature和Java中Certificate的对应关系。它们的关系如下面代码所示：

1     pkg.mSignatures = new Signature[certs.length];
2     for (int i=0; i<N; i++) {
3         pkg.mSignatures[i] = new Signature(
4         certs[i].getEncoded());
5     }
    也就是说signature = new Signature(certificate.getEncoded()); certificate证书中包含了公钥和证书的其他基本信息。公钥不同，证书肯定互不相同。我们可以通过certificate的getPublicKey方法获取公钥信息。所以比对签名证书本质上就是比对公钥信息。

    OK，获取到APK签名证书之后，就剩下比对了。这个简单，功能函数如下所示:

 1     private boolean IsSignaturesSame(Signature[] s1, Signature[] s2) {
 2             if (s1 == null) {
 3                 return false;
 4             }
 5             if (s2 == null) {
 6                 return false;
 7             }
 8             HashSet<Signature> set1 = new HashSet<Signature>();
 9             for (Signature sig : s1) {
10                 set1.add(sig);
11             }
12             HashSet<Signature> set2 = new HashSet<Signature>();
13             for (Signature sig : s2) {
14                 set2.add(sig);
15             }
16             // Make sure s2 contains all signatures in s1.
17             if (set1.equals(set2)) {
18                 return true;
19             }
20             return false;
21         }

APK签名比对的应用场景

    经过以上的论述，想必大家已经明白签名比对的原理和我的实现方式了。那么什么时候什么情况适合使用签名对比来保障Android APK的软件安全呢？

    个人认为主要有以下三种场景：

1、 程序自检测。在程序运行时，自我进行签名比对。比对样本可以存放在APK包内，也可存放于云端。缺点是程序被破解时，自检测功能同样可能遭到破坏，使其失效。

2、 可 信赖的第三方检测。由可信赖的第三方程序负责APK的软件安全问题。对比样本由第三方收集，放在云端。这种方式适用于杀毒安全软件或者 APP Market之类的软件下载市场。缺点是需要联网检测，在无网络情况下无法实现功能。（不可能把大量的签名数据放在移动设备本地）。

3、 系统限定安装。这就涉及到改Android系统了。限定仅能安装某些证书的APK。软件发布商需要向系统发布上申请证书。如果发现问题，能追踪到是哪个软件发布商的责任。适用于系统提供商或者终端产品生产商。缺点是过于封闭，不利于系统的开放性。

以上三种场景，虽然各有缺点，但缺点并不是不能克服的。例如，我们可以考虑程序自检测的功能用native method的方法实现等等。软件安全是一个复杂的课题，往往需要多种技术联合使用，才能更好的保障软件不被恶意破坏。