Android 性能优化08 ---APK优化01（签名优化）

2022-04-09 本文已影响0人沪漂意哥哥

一. APK打包本质及打包流程细节分析

image.png

apk加载流程：
1.build-tools：实际提供工具
2.gradle：调用build-tools组件
3.as
联系：
AS(IDE图形软件) -->gradle(工具，帮我们调用对用的android工具) -->android工具
流程概述：
1、打包资源文件，生成R.java文件
2、处理aidl文件，生成相应java 文件
3、编译工程源代码，生成相应class 文件
4、转换所有class文件，生成classes.dex文件
5、打包生成apk
6、对apk文件进行签名
7、对签名后的apk文件进行对其处理

第一步：打包资源文件，生成R.java文件。

【输入】Resource文件（就是工程中res中的文件）、Assets文件（相当于另外一种资源，这种资源Android系统并不像对res中的文件那样优化它）、AndroidManifest.xml文件（包名就是从这里读取的，因为生成R.java文件需要包名）、Android基础类库（Android.jar文件）
【工具】aapt工具
【输出】打包好的资源（bin目录中的resources.ap_文件）、R.java文件（gen目录中）

第二步：处理aidl文件，生成相应的java文件。

【输入】源码文件、aidl文件、framework.aidl文件
【工具】aidl工具
【输出】对应的.java文件

第三步：编译工程源代码，生成下相应的class文件。

【输入】源码文件（包括R.java和AIDL生成的.java文件）、库文件（.jar文件）
【工具】javac工具
【输出】.class文件

第四步：转换所有的class文件，生成classes.dex文件。

【输入】 .class文件（包括Aidl生成.class文件，R生成的.class文件，源文件生成的.class文件），库文件（.jar文件）
【工具】javac工具
【输出】.dex文件

第五步：打包生成apk。

【输入】打包后的资源文件、打包后类文件（.dex文件）、libs文件（包括.so文件，当然很多工程都没有这样的文件，如果你不使用C/C++开发的话）
【工具】apkbuilder工具
【输出】未签名的.apk文件

第六步：对apk文件进行签名。

【输入】未签名的.apk文件
【工具】jarsigner
【输出】签名的.apk文件

第七步：对签名后的apk文件进行对齐处理。

【输入】签名后的.apk文件
【工具】zipalign工具
【输出】对齐后的.apk文件

image.png

二. V1,V2,V3签名原理及处理思路

APK签名原理

image.png

三、 V1 签名方案

1. 签名相关的文件

apk 本质是个 zip 文件，解压缩后，在 META-INFO 文件夹中可以看到有 MANIFEST.MF、CERT.SF、CERT.RSA 三个文件。这三个文件在签名时创建，在安装时用于验证签名。下面让我们看一下这三个文件各自的作用：

1.1 MANIFEST.MF文件

文件的作用：记录 apk 中每一个文件对应的摘要信息，防止某个文件被篡改。
文件的内容：打开 MANIFEST.MF 文件可以看到文件内容是这种格式：

Manifest-Version: 1.0
Built-By: Generated-by-ADT
Created-By: Android Gradle 2.3.1

Name: res/drawable-hdpi-v4/tracepoint_tip.png
SHA1-Digest: UqNwQcd9oLGpVfILjkVOtNQmySA=

Name: res/layout/activity_new_base_layout.xml
SHA1-Digest: Uw3jXiCR9Msf9C6P0Mjcmh2/A/E=

...

前三行记录了基础信息，后面每一块都对应了 apk 中一个原始文件的数据摘要，摘要算法是 SHA-1。在 MANIFEST.MF 文件没被篡改的情况下，可以用于保证 apk 中的其他文件不被篡改。那怎么保证 MANIFEST.MF 文件本身不被篡改呢？就是靠下面的 CERT.SF 文件了.

1.2 CERT.SF文件

文件的作用：记录 MANIFEST.MF 文件的摘要，以及 MANIFEST.MF 中，每个数据块的摘要。防止 MANIFEST.MF 被篡改。
文件的内容： CERT.SF 的文件内容如下：

Signature-Version: 1.0
SHA1-Digest-Manifest: m4hofJv2im9b2HQo/h6VPKRnzqE=
Created-By: 1.0 (Android)

Name: res/drawable-hdpi-v4/tracepoint_tip.png
SHA1-Digest: UqNwQcd9oLGpVfILjkVOtNQmySA=

Name: res/layout/activity_new_base_layout.xml
SHA1-Digest: Uw3jXiCR9Msf9C6P0Mjcmh2/A/E=
...

CERT.SF 如果没被篡改，就能用于验证清单文件 MANIFEST.MF 是否被篡改。但又怎么验证 CERT.SF 是否被篡改呢？靠的就是签名文件 CERT.RSA 了

1.3 CERT.RSA文件

文件的作用：这个文件是为了验证 CERT.SF 文件有没有被篡改。
文件的内容：它包含了「对 CERT.SF 文件的签名」以及「包含公钥的开发者证书」。

2. V1的签名机制

image.png

签名的流程如下：

计算每一个原始文件的 SHA-1 摘要，写入到 MANIFEST.MF 中；
计算整个 MANIFEST.MF 文件的 SHA-1 摘要，写入到 CERT.SF 中；
计算 MANIFEST.MF 中，每一块的 SHA-1 摘要，写入到 CERT.SF 中；
计算整个 CERT.SF 文件的摘要，使用开发者私钥计算出摘要的签名；
将签名和开发者证书(X.509)写入 CERT.RSA 。

3. V1签名是怎么校验的？

校验的流程如下：

取出 CERT.RSA 中包含的开发者证书；
通过系统的根证书（CA证书）验证这个开发者证书是否可信；
如果开发者证书可信，用证书中的公钥解密 CERT.RSA 中包含的签名。
计算 CERT.SF 的签名；
对比 (3) 和 (4) 的签名是否一致；
如果一致，用 CERT.SF 去校验 MANIFEST.MF 是否被修改；
如果没有被修改，再用 MANIFEST.MF 中的每一块数据去校验每一个文件是否被修改。

4. V1签名如何防止篡改

假如攻击者修改了其中某一个文件，那么他必须修改 MANIFEST.MF 中对应文件的摘要，否则这个文件校验不通过；接着还得修改 CERT.SF 中的摘要，否则摘要校验不过；还得重新计算 CERT.SF 的签名，否则签名校验不通过；但是计算签名需要私钥，私钥在开发者手中，攻击者没有私钥，所以无法签名。

5. V1签名存在的问题

校验速度慢：需要对 apk 中的每个文件都计算摘要并验证，如果文件很多，校验时间会很长。完整性不够：V1 签名只会校验 Zip 文件中的部分文件，例如 META-INFO 文件夹就不会参与校验。

四、 V2 签名方案

V2 签名是在 Android7.0 之后引入的，它解决了 V1 签名校验时速度慢的问题，同时对完整性的校验扩展到整个安装包。

了解 V2 签名原理之前，我们先了解一下 Zip 文件：

1. Zip 文件

1.1 Zip 文件的格式和解析过程

image.png

a.先从文件尾部查找 0x06054b50，确定 End Of Central Directory Record 区域的起始位置；
b.解析 EoCD 区域，并获得中央目录的起始位置；
c.根据起始位置，逐个解析文件。

从解析过程可以看出，如果在「文件信息部分」和「中央目录部分」之间插入了其他数据，是不会影响 Zip 文件的解压缩的。

2. V2 签名数据块的格式[图片上传中...(image.png-5d6244-1649399220539-0)]

V2 签名时，会将签名信息块插入到 Zip 文件的「文件信息」和「中央目录」之间，如图：

image.png

3. V2 摘要计算方式

V2 签名摘要的计算就不是按照文件计算的了，而是按照 1MB 为单位计算：

image.png

步骤：
a.对原始apk文件的文件信息部分、中央目录部分、EoCD部分，按照 1MB 大小分割为多个小块（Chunks）;
b.2. 分别对每一个小块计算其摘要，类似于 V1 签名中的 MANIFEST.MF 文件；
c.对(2)中所有摘要计算其摘要，类似于 V1 签名中的 CERT.SF 文件；

4. V2 签名的校验

Android 7.0 及以上在校验时，会先判断是否具有 V2 签名，如果有 V2 签名，会走 V2 签名的校验流程，不再验证V1签名了。
如何判断是否有V2签名？根据Zip文件格式的规则，我们可以找到中央目录区的起始位置。读取从起始位置开始往回的16个字节，判断这16个字节的值是否为 "Apk Sig Block 42"，如果是，则对应上了魔数，说明有 V2 签名。后续就是解析 V2 签名块的流程了。

五、 V3 签名方案

V3 签名方案的签名块格式和V2完全一样，只是 V2 的签名块信息存放在 ID = 0x7109871a 的数据块中，而 V3 的签名信息存放在 ID = 0xf05368c0 的数据块中。
在这个新的数据块中，记录了旧的签名信息和新的签名信息，以密钥转轮的方案，做签名的替换和升级。这意味着我们可以更改 APK 的签名。

六.如何绕过V1,V2,V3签名完成信息注入

案例：多渠道打包
优点：官方，可配置高
缺点：效率太慢

1. java工程方案

public class Main {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        long l = System.currentTimeMillis();
        /**
         * 1、初始化:创建输出目录、读取渠道文件
         */
        File baseApk = new File("makechannel/output/app-debug.apk");
        File outDir = new File("makechannel/output");
        outDir.mkdirs();

        /**
         * 2、解析APK(zip文件)
         * 将整个fiel解析成一个APK对象
         */
        Apk apk = ApkParser.parser(baseApk);

        /**
         * 3、生成APK
         */
        File channelFile = new File("makechannel/channel.txt");
        List<String> channels = readChannelFile(channelFile);

        String name = baseApk.getName();
        name = name.substring(0, name.lastIndexOf("."));
        System.out.println(name);
        for (String channel : channels) {
            File file = new File(outDir, name + "-" + channel +
                    ".apk");
            ApkBuilder.generateChannel(channel, apk, file);
        }

        System.out.println(System.currentTimeMillis() - l);

    }

    private static List<String> readChannelFile(File channelFile) throws Exception {
        BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(new
                FileInputStream(channelFile)));
        List<String> list = new ArrayList<>();
        String line;
        while ((line = br.readLine()) != null) {
            list.add(line);
        }
        return list;
    }
}

主工程：

public class MainActivity extends AppCompatActivity {

    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_main);
    }

    public void getChannel(View view) {
        String channel = ChannelHelper.getChannel(this);
        Toast.makeText(this, "当前渠道:" + channel, Toast.LENGTH_SHORT).show();
    }
}

public class ChannelHelper {
    private static final String TAG = "ChannelHelper";

    private static String channel = null;


    public static String getChannel(Context context) {
        if (channel != null) {
            return channel;
        }
        try {
            Apk apk = ApkParser.parser(context.getApplicationInfo().sourceDir);
            Log.i("test","APK is V2:"+apk.isV2());
            if (apk.isV2()) {
                return v2Channel(apk);
            } else if (apk.isV1()) {
                return v1Channel(apk);
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }
 
    private static String v1Channel(Apk apk) throws UnsupportedEncodingException {
        ByteBuffer data = apk.getEocd().getData();
        short commentlen = data.getShort(Constants.EOCD_COMMENT_LEN_OFFSET);
        if (commentlen == 0) {
            return null;
        }
        byte[] commentBytes = new byte[commentlen];
        data.position(Constants.EOCD_COMMENT_OFFSET);
        data.get(commentBytes);
        channel = new String(commentBytes, Constants.CHARSET);
        return channel;
    }

    private static String v2Channel(Apk apk) throws UnsupportedEncodingException {
        ByteBuffer byteBuffer = apk.getV2SignBlock().getPair().get(Constants
                .APK_SIGNATURE_SCHEME_V2_CHANNEL_ID);
        channel = new String(byteBuffer.array(), Constants.CHARSET);
        return channel;

    }
}

结果：

image.png

2. 插件方案

工程截图：

image.png

build.gradle:

apply plugin: 'java-library'

dependencies {
    implementation fileTree(dir: 'libs', include: ['*.jar'])

    implementation gradleApi()
}

sourceCompatibility = "7"
targetCompatibility = "7"

tasks.withType(JavaCompile) {
    options.encoding = "UTF-8"
}

apply plugin: 'maven-publish'

publishing {
    publications {
        ChannelPlugin(MavenPublication) {
            from components.java
            groupId = 'com.luisliuyi.plugin'
            artifactId = 'channel'
            version = '1.1'
        }
    }
}

ChannelPlugin.java

public class ChannelPlugin implements Plugin<Project>{
    @Override
    public void apply(Project project) {
        project.getExtensions().create("channel", ChannelExtensions.class);
        project.afterEvaluate(new Action<Project>() {
            @Override
            public void execute(Project project) {
                project.getTasks().create("assembleChannel",ChannelTask.class);
            }
        });
    }
}

ChannelTask.java

public class ChannelTask extends DefaultTask {
    private ChannelExtensions channelExtensions;

    public ChannelTask() {
        setGroup("渠道包");
        setDescription("生成渠道包");
        channelExtensions = getProject().getExtensions().getByType(ChannelExtensions.class);
    }

    @TaskAction
    void run() {
        File baseApk = new File(channelExtensions.baseApk);
        File channelFile = new File(channelExtensions.channelFile);
        File outDir = new File(channelExtensions.outDir);
        outDir.mkdirs();

        String name = baseApk.getName();
        name = name.substring(0, name.lastIndexOf("."));

        try {
            List<String> channels = readChannelFile(channelFile);
            Apk apk = ApkParser.parser(baseApk);
            for (String channel : channels) {
                File file = new File(outDir, name + "-" + channel +
                        ".apk");
                ApkBuilder.generateChannel(channel, apk, file);
            }

        }  catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    private static List<String> readChannelFile(File channelFile) throws Exception {
        BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(new
                FileInputStream(channelFile)));
        List<String> list = new ArrayList<>();
        String line;
        while ((line = br.readLine()) != null) {
            list.add(line);
        }
        return list;
    }
}

七.代码地址

https://gitee.com/luisliuyi/android-optimize-apk01.git

Android 性能优化08 ---APK优化01（签名优化）

一. APK打包本质及打包流程细节分析

第一步：打包资源文件，生成R.java文件。

第二步：处理aidl文件，生成相应的java文件。

第三步：编译工程源代码，生成下相应的class文件。

第四步：转换所有的class文件，生成classes.dex文件。

第五步：打包生成apk。

第六步：对apk文件进行签名。

第七步：对签名后的apk文件进行对齐处理。

二. V1,V2,V3签名原理及处理思路

三、 V1 签名方案

1. 签名相关的文件

1.1 MANIFEST.MF文件

1.2 CERT.SF文件

1.3 CERT.RSA文件

2. V1的签名机制

3. V1签名是怎么校验的？

4. V1签名如何防止篡改

5. V1签名存在的问题

四、 V2 签名方案

1. Zip 文件

1.1 Zip 文件的格式和解析过程

2. V2 签名数据块的格式[图片上传中...(image.png-5d6244-1649399220539-0)]

3. V2 摘要计算方式

4. V2 签名的校验

五、 V3 签名方案

六.如何绕过V1,V2,V3签名完成信息注入

1. java工程方案

2. 插件方案

七.代码地址

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