Android 上的安全性2

转自：http://www.cnblogs.com/qq78292959/archive/2011/07/25/2116113.html

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。

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，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”。

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：

for (JarEntry entry: byName.values()) {
  String name = entry.getName();
  if (!entry.isDirectory() && !name.equals(JarFile.MANIFEST_NAME) &&
         !name.equals(CERT_SF_NAME) && !name.equals(CERT_RSA_NAME) &&
         (stripPattern == null ||!stripPattern.matcher(name).matches())) {
     InputStream data = jar.getInputStream(entry);
     while ((num = data.read(buffer)) > 0) {
            md.update(buffer, 0, num);
     }
     Attributes attr = null;
     if (input != null) attr = input.getAttributes(name);
     attr = attr != null ? new Attributes(attr) : new Attributes();
     attr.putValue("SHA1-Digest", base64.encode(md.digest()));
     output.getEntries().put(name, attr);
     }
}

之后将生成的签名写入MANIFEST.MF文件。关键代码如下：

Manifest manifest = addDigestsToManifest(inputJar);
je = new JarEntry(JarFile.MANIFEST_NAME);
je.setTime(timestamp);
outputJar.putNextEntry(je);
manifest.write(outputJar);

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：

Signature signature = Signature.getInstance("SHA1withRSA");
signature.initSign(privateKey);
je = new JarEntry(CERT_SF_NAME);
je.setTime(timestamp);
outputJar.putNextEntry(je);
writeSignatureFile(manifest,
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。

je = new JarEntry(CERT_RSA_NAME);
je.setTime(timestamp);
outputJar.putNextEntry(je);
writeSignatureBlock(signature, publicKey, outputJar);

其中writeSignatureBlock的代码如下：

private static void writeSignatureBlock(
    Signature signature, X509Certificate publicKey, OutputStream out)throws IOException, GeneralSecurityException {
        SignerInfo signerInfo = new SignerInfo(
        new X500Name(publicKey.getIssuerX500Principal().getName()),
        publicKey.getSerialNumber(),
        AlgorithmId.get("SHA1"),
        AlgorithmId.get("RSA"),
        signature.sign());
        PKCS7 pkcs7 = new PKCS7(
        new AlgorithmId[] { AlgorithmId.get("SHA1") },
        new ContentInfo(ContentInfo.DATA_OID, null),
        new X509Certificate[] { publicKey },
        new SignerInfo[] { signerInfo });
        pkcs7.encodeSignedData(out);
    }

APK包的签名流程可以得知：

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：

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。

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：

private PackageInfo parsePackage(String archiveFilePath, int flags){
    PackageParser packageParser = new PackageParser(archiveFilePath);
    DisplayMetrics metrics = new DisplayMetrics();
    metrics.setToDefaults();
    final File sourceFile = new File(archiveFilePath);
    PackageParser.Package pkg = packageParser.parsePackage(
    sourceFile, archiveFilePath, metrics, 0);
    if (pkg == null) {
        return null;
    }

    packageParser.collectCertificates(pkg, 0);

    return PackageParser.generatePackageInfo(pkg, null, flags, 0, 0);
}

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：

pkg.mSignatures = new Signature[certs.length];
for (int i=0; i<N; i++) {
    pkg.mSignatures[i] = new Signature(
    certs[i].getEncoded());
}

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。

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。