淺談程序的數(shù)字簽名

理論基礎(chǔ)


數(shù)字簽名它是基于非對(duì)稱密鑰加密技術(shù)與數(shù)字摘要算法技術(shù)的應(yīng)用，它是一個(gè)包含電子文件信息以及發(fā)送者身份，并能夠鑒別發(fā)送者身份以及發(fā)送信息是否被篡改的一段數(shù)字串。

一段數(shù)字簽名數(shù)字串，它包含電子文件經(jīng)過Hash編碼后產(chǎn)生的數(shù)字摘要，即一個(gè)Hash函數(shù)值以及發(fā)送者的公鑰和私鑰三部分內(nèi)容。發(fā)送方通過私鑰加密后發(fā)送給接收方，接收方使用公鑰解密，通過對(duì)比解密后的Hash函數(shù)值確定數(shù)據(jù)電文是否被篡改。

數(shù)字簽名（又稱公鑰數(shù)字簽名）是只有信息的發(fā)送者才能產(chǎn)生的別人無法偽造的一段數(shù)字串，這段數(shù)字串同時(shí)也是對(duì)信息的發(fā)送者發(fā)送信息真實(shí)性的一個(gè)有效證明。

它是一種類似寫在紙上的普通的物理簽名，但是在使用了公鑰加密領(lǐng)域的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，用于鑒別數(shù)字信息的方法。


(圖片來源網(wǎng)絡(luò))

數(shù)字簽名方案是一種以電子形式存儲(chǔ)消息簽名的方法。一個(gè)完整的數(shù)字簽名方案應(yīng)該由兩部分組成：簽名算法和驗(yàn)證算法。


(圖片來源于網(wǎng)絡(luò))



android數(shù)字簽名


在android的APP應(yīng)用程序安裝過程中，系統(tǒng)首先會(huì)檢驗(yàn)APP的簽名信息，如果發(fā)現(xiàn)簽名文件不存在或者校驗(yàn)簽名失敗，系統(tǒng)則會(huì)拒絕安裝，所以APP應(yīng)用程序在發(fā)布到市場(chǎng)之前一定要進(jìn)行簽名。

在OTA升級(jí)中也必須使用到數(shù)字簽名進(jìn)行校驗(yàn)，在應(yīng)用版本迭代必須使用相同的證書簽名，不然會(huì)生成一個(gè)新的應(yīng)用，導(dǎo)致更新失敗。在更新過程中使用相同的證書簽名的應(yīng)用可以共享代碼和功能



App安裝過程中簽名檢驗(yàn)的流程：

1、檢查 APP中包含的所有文件，對(duì)應(yīng)的摘要值與 MANIFEST.MF 文件中記錄的值一致。

2、使用證書文件(RSA 文件)檢驗(yàn)簽名文件(SF文件)是否被修改過。

3、使用簽名文件(SF 文件)檢驗(yàn) MF 文件沒有被修改過。




(圖片來源網(wǎng)絡(luò))

CERT.RSA包含數(shù)字簽名以及開發(fā)者的數(shù)字證書。CERT.RSA里的數(shù)字簽名是指對(duì)CERT.SF的摘要采用私鑰加密后的數(shù)據(jù)；

MANIFEST.MF文件中是APP中每個(gè)文件名稱和摘要SHA256；

CERT.SF則是對(duì)MANIFEST.MF的摘要。



android中的數(shù)字簽名有2個(gè)主要作用：

1、能定位消息確實(shí)是由發(fā)送方簽名并發(fā)出來的，其他假冒不了發(fā)送方的簽名。

2、確定消息的完整性，簽名它代表文件的特征，文件發(fā)生變化，數(shù)字簽名的數(shù)值也會(huì)發(fā)送變化。

Anroid中的簽名證書不需要權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證，一般是開發(fā)者的自簽名證書。所以簽名信息中會(huì)包含有開發(fā)者信息，在一定程度上可以防止應(yīng)用被破解二次打包成山寨的APP應(yīng)用，所以簽名信息也是用于對(duì)APP包防二次打包的一個(gè)校驗(yàn)功能點(diǎn)。


(上圖是android studio中自創(chuàng)建簽名的界面)

在 Android Studio中通過上圖創(chuàng)建簽名信息后，最終會(huì)生成一個(gè) .jks 的文件，它是用作證書和私鑰的二進(jìn)制文件。


(上圖是反編譯工具直接查看app的簽名信息)，也可以通過jarsigner，jadx，jeb等工具查看app的簽名信息。

從上圖中可以看到這個(gè)APP采用了V1和V2簽名信息，Android中的簽名目前主要由V1、V2、V3、V4組成的。

v1簽名方案：基于 JAR 簽名，簽名完之后是META-INF 目錄下的三個(gè)文件：MANIFEST.MF、CERT.SF、CERT.RSA。通過這三個(gè)文件校驗(yàn)來確保APP中的每個(gè)文件都不被改動(dòng)。

APK v1的缺點(diǎn)就是META-INF目錄下的文件并不在校驗(yàn)范圍內(nèi)，所以之前多渠道打包等都是通過在這個(gè)目錄下添加文件來實(shí)現(xiàn)的。

V2簽名方案：它是在Android 7.0系統(tǒng)中引入，為了使 APP可以在 Android 6.0 (Marshmallow) 及更低版本的設(shè)備上安裝，應(yīng)先使用 JAR 簽名功能對(duì) APP 進(jìn)行簽名，然后再使用 v2 方案對(duì)其進(jìn)行簽名。它是一個(gè)全文件的簽名方案，它能夠發(fā)現(xiàn)對(duì) APP的受保護(hù)部分進(jìn)行的所有更改，從而有助于加快驗(yàn)證速度并增強(qiáng)完整性保證。

V2簽名，它會(huì)在 APP文件中插入一個(gè)APP簽名分塊，該分塊位于“ZIP 中央目錄”部分之前并緊鄰該部分。在“APP簽名分塊”內(nèi)，v2 簽名和簽名者身份信息會(huì)存儲(chǔ)在 APK 簽名方案 v2 分塊中。



V3簽名方案：它是Android 9.0系統(tǒng)中引入，基于 v2簽名的升級(jí)，Android 9 支持 APK密鑰輪替，這使應(yīng)用能夠在 APK 更新過程中更改其簽名密鑰。為了實(shí)現(xiàn)輪替，APK 必須指示新舊簽名密鑰之間的信任級(jí)別。v3 在 APK 簽名分塊中添加了有關(guān)受支持的 SDK 版本和 proof-of-rotation 結(jié)構(gòu)的信息。

下面鏈接官方對(duì)V3簽名相關(guān)的說明
https://source.android.google.cn/security/apksigning/v3
APK 密鑰輪替功能可以參考：
https://developer.android.google.cn/about/versions/pie/android-9.0

V4簽名方案：它是在Android 11.0 引入，用來支持 ADB 增量 APK 安裝。通過 APK 簽名方案 v4 支持與流式傳輸兼容的簽名方案。v4 簽名基于根據(jù) APK 的所有字節(jié)計(jì)算得出的 Merkle 哈希樹。

Android 11 將簽名存儲(chǔ)在單獨(dú)的 .apk.idsig 文件中。

下面2個(gè)鏈接是官方對(duì)V4簽名的相關(guān)說明
https://source.android.google.cn/security/apksigning/v4
https://developer.android.google.cn/about/versions/11/features


從上面的簽名信息截圖中，也可以看到android的簽名采用的是X.509V3國際標(biāo)準(zhǔn)。

這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)下約定了簽名證書必須包含以下的內(nèi)容。

1、證書的序列號(hào)

2、證書所使用的簽名算法

3、證書的發(fā)行機(jī)構(gòu)名稱，命名規(guī)則一般采用X.500格式

4、證書的有效期

5、證書的所有人的名稱

6、證書所有人的公開密鑰

7、證書發(fā)行者對(duì)證書的簽名



從上圖APP的簽名信息中數(shù)字簽名要包含摘要加密算法：MD5、SHA-1、SHA-256

MD5是一種不可逆的加密算法。

SHA1：它是由NISTNSA設(shè)計(jì)為同DSA一起使用的，它對(duì)長度小于264的輸入，產(chǎn)生長度為160bit的散列值，因此抗窮舉(brute-force)性更好。

SHA-256 是 SHA-1 的升級(jí)版，現(xiàn)在 Android 簽名使用的默認(rèn)算法都已經(jīng)升級(jí)到 SHA-256 了。

摘要算法中又涉及到對(duì)稱加密和非對(duì)加密

對(duì)稱加密就是在加密和解密過程中需要使用同一個(gè)密鑰

非對(duì)稱加密使用公鑰/私鑰中的公鑰來加密明文，然后使用對(duì)應(yīng)的私鑰來解密密文。



APP中如果沒采用加固保護(hù)，容易出現(xiàn)二次打包重新簽名的山寨APP。

APP中二次打包流程：破解者需要對(duì)APK文件做反編譯分析，反編譯為smali代碼，并對(duì)某些關(guān)鍵函數(shù)或者資源進(jìn)行修改，再回編譯為apk文件并重簽名。

常見的對(duì)抗二次打包的方案：

1、簽名校驗(yàn)

原理：二次打包會(huì)篡改簽名，通過簽名前后的變化可以檢測(cè)是否被二次打包；但是這種很容易被hook掉。

2、文件校驗(yàn)

原理：二次打包前后apk關(guān)鍵文件hash值比較，判斷是否被修改;但是這種很容易被hook掉。

3、核心函數(shù)轉(zhuǎn)為jni層實(shí)現(xiàn)

原理：java層代碼轉(zhuǎn)為jni層實(shí)現(xiàn)，jni層代碼相對(duì)而言篡改難度更大;寫大量反射代碼降低了開發(fā)效率。

 

window數(shù)字簽名
 

Window的數(shù)字簽名是微軟的一種安全保障機(jī)制。

Window數(shù)字簽名中的簽名證書用于驗(yàn)證開發(fā)者身份真實(shí)性、保護(hù)代碼的完整性。用戶下載軟件時(shí)，能通過數(shù)字簽名驗(yàn)證軟件來源可信，確認(rèn)軟件、代碼沒有被非法篡改或植入病毒。所以，軟件開發(fā)者會(huì)在軟件發(fā)行前使用代碼簽名證書為軟件代碼添加數(shù)字簽名。

對(duì)于一個(gè)Windows的可執(zhí)行應(yīng)用程序，簽發(fā)數(shù)字簽名的時(shí)候需要計(jì)算的數(shù)據(jù)摘要并不會(huì)是程序文件的全部數(shù)據(jù)，而是要排除一些特定區(qū)域的數(shù)據(jù)。而這些區(qū)域當(dāng)然和PE文件結(jié)構(gòu)有關(guān)，具體地，不管是簽發(fā)時(shí)還是校驗(yàn)時(shí)計(jì)算的hash都會(huì)排除一個(gè)checksum字段、一個(gè)Security數(shù)據(jù)目錄字段以及數(shù)字簽名證書部分的數(shù)據(jù)。




Window簽名的RSA算法：通過公鑰與私鑰來判斷私鑰的合法。

公鑰與私鑰具有對(duì)稱性，既可以通過私鑰加密，公鑰解密，以此來論證私鑰持有者的合法身份。也可以通過公鑰加密，私鑰解密，來對(duì)私鑰持有者發(fā)信息而不被泄露。

由于在交換公鑰時(shí)免不了遭遇中間人劫持，因此window程序的簽名證書，都需要第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)的認(rèn)證，并不像android程序一樣開發(fā)者可以對(duì)自己程序簽發(fā)證書。




(查看某程序的數(shù)字簽名信息)

從上面截圖中看到了摘要算法用到sha1和sha256。

由于SHA-256更強(qiáng)的安全性，現(xiàn)在SHA-256已經(jīng)作為代碼簽名證書的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)簽名算法。

從上圖中看到程序擁有2個(gè)簽名信息，也就是雙簽名機(jī)制。

雙簽名就是對(duì)一個(gè)軟件做兩次簽名，先進(jìn)行SHA1簽名，之后再進(jìn)行SHA2簽名的做法就叫做雙簽名。雙簽名需要一張支持SHA1和SHA2算法的代碼簽名證書，利用具備雙簽名功能的工具導(dǎo)入申請(qǐng)的代碼簽名證書對(duì)軟件或應(yīng)用程序進(jìn)行雙簽名，簽發(fā)后的軟件或應(yīng)用程序就支持SHA1和SHA2簽名算法。

Windows10要求使用SHA2算法簽名，而Windows7（未更新補(bǔ)丁的）因其兼容性只能使用SHA1算法簽名，那么使用一張支持雙簽SHA1和SHA2算法的代碼簽名證書就可以實(shí)現(xiàn)。

軟件簽名校驗(yàn)的流程圖


(上圖來源網(wǎng)絡(luò))

Windows系統(tǒng)驗(yàn)證簽名流程

1、系統(tǒng)UAC功能開啟（用戶賬戶控制功能，默認(rèn)開啟）;

2、程序啟動(dòng)時(shí)，進(jìn)行CA校驗(yàn)程序簽名信息;

    2.1、使用同樣算法對(duì)軟件產(chǎn)生Hash表

    2.2、使用公鑰產(chǎn)生一個(gè)Hash表認(rèn)證摘要

    2.3、比較程序的Hash表認(rèn)證摘要 與 自己生成的Hash表認(rèn)證摘要是否一致。

3、程序在window系統(tǒng)執(zhí)行功能。



數(shù)字簽名的驗(yàn)證過程本質(zhì)：

1、通過對(duì)要驗(yàn)證的軟件創(chuàng)建hash數(shù)據(jù)；

2、使用發(fā)布者的公共密匙來解密被加密的hash數(shù)據(jù)；

3、最后比較解密的hash和新獲得的hash，如果匹配說明簽名是正確的，軟件沒有被修改過。

代碼實(shí)現(xiàn)校驗(yàn)程序是否有簽名，它本質(zhì)上就是被加密的hash和發(fā)布者的數(shù)字證書被插入到要簽名的軟件，最后在進(jìn)行校驗(yàn)簽名信息。


（實(shí)現(xiàn)判斷程序是否有簽名功能）



代碼實(shí)現(xiàn)可以通過映射文件方式，然后去安裝PE文件結(jié)構(gòu)去讀取，讀取到可選頭中的數(shù)據(jù)目錄表，通過判斷數(shù)據(jù)目錄表中

的IMAGE_DIRECTORY_ENTRY_SECURITY的虛擬地址和大小不為空，那么就表示改應(yīng)用程序有簽名，因?yàn)閿?shù)據(jù)簽名都是存在在這個(gè)字段中。





同樣如果要將某個(gè)應(yīng)用程序的簽名信息給抹除了，也是一樣的思路，將數(shù)據(jù)目錄表中的IMAGE_DIRECTORY_ENTRY_SECURITY的大小和地址都設(shè)置為0即可。




下圖通過PE工具，可以查看這個(gè)字段Security的虛擬地址和大小不為空那么表示應(yīng)用程序經(jīng)過簽名的。






小結(jié)
 

數(shù)字簽名不管是在android端還是window端，它都是一種應(yīng)用程序的身份標(biāo)志，在安全領(lǐng)域中對(duì)應(yīng)用程序的數(shù)字簽名校驗(yàn)是一個(gè)很常見的鑒別真?zhèn)蔚囊粋€(gè)手段。

現(xiàn)在很多殺毒的廠商也都是通過這個(gè)數(shù)字簽名維度，作為一個(gè)該應(yīng)用程序是否可信程序的校驗(yàn)，雖然一些安全殺毒廠商簽完名后還是誤報(bào)毒，那這只能找廠商開白名單了。







作者：小道安全


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