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新一代开源Android渠道包生成工具Walle

建帅 陈潼 ·2017-01-13 18:17

在Android 7.0(Nougat)推出了新的应用签名方案APK Signature Scheme v2后,之前快速生成渠道包的方式(美团Android自动化之旅—生成渠道包)已经行不通了,在此应用签名方案下如何快速生成渠道包呢?

本文会对新的应用签名方案APK Signature Scheme v2以及新一代渠道生成工具进行详细深入的介绍。

新的应用签名方案APK Signature Scheme v2

Android 7.0(Nougat)引入一项新的应用签名方案APK Signature Scheme v2,它是一个对全文件进行签名的方案,能提供更快的应用安装时间、对未授权APK文件的更改提供更多保护,在默认情况下,Android Gradle 2.2.0插件会使用APK Signature Scheme v2和传统签名方案来签署你的应用。

下面以 新的应用签名方案 来指APK Signature Scheme v2。

目前该方案不是强制性的,在 build.gradle 添加 v2SigningEnabled false ,就能使用传统签名方案来签署我们的应用(见下面的代码片段)。

  android {
    ...
    defaultConfig { ... }
    signingConfigs {
      release {
        storeFile file("myreleasekey.keystore")
        storePassword "password"
        keyAlias "MyReleaseKey"
        keyPassword "password"
        v2SigningEnabled false
      }
    }
  }

但新的应用签名方案有着良好的向后兼容性,能完全兼容低于Android 7.0(Nougat)的版本。对比旧签名方案,它有更快的验证速度和更安全的保护,因此新的应用签名方案可能会被采纳成一个强制配置,笔者认为现在有必要对现有的渠道包生成方式进行检查、升级或改造来支持新的应用签名方案。

新的签名方案对已有的渠道生成方案有什么影响呢?下图是新的应用签名方案和旧的签名方案的一个对比:

新的签名方案会在ZIP文件格式的 Central Directory 区块所在文件位置的前面添加一个APK Signing Block区块,下面按照ZIP文件的格式来分析新应用签名方案签名后的APK包。

整个APK(ZIP文件格式)会被分为以下四个区块:

  1. Contents of ZIP entries(from offset 0 until the start of APK Signing Block)
  2. APK Signing Block
  3. ZIP Central Directory
  4. ZIP End of Central Directory

新应用签名方案的签名信息会被保存在区块2(APK Signing Block)中, 而区块1(Contents of ZIP entries)、区块3(ZIP Central Directory)、区块4(ZIP End of Central Directory)是受保护的,在签名后任何对区块1、3、4的修改都逃不过新的应用签名方案的检查。

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,之前在META-INF下添加文件是不需要重新签名应用的,这样会节省不少打包的时间,从而提高打渠道包的速度。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,新应用签名方案签署的应用经过我们旧的生成渠道包方案处理后,在安装时会报以下错误:

Failure [INSTALL_PARSE_FAILED_NO_CERTIFICATES: 
Failed to collect certificates from base.apk: META-INF/CERT.SF indicates base.apk is signed using APK Signature Scheme v2, 
but no such signature was found. Signature stripped?]

目前另外一种比较流行的渠道包快速生成方案(往APK中添加ZIP Comment)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。

如果新的应用签名方案后续改成强制要求,那我们现有的生成渠道包的方式就会无法工作,那我们难道要退回到解放前,通过传统的方式(例如:使用APKTool逆向工具、采用Flavor + BuildType等比较耗时的方案来进行渠道包打包)来生成支持新应用签名方案的渠道包吗?

如果只有少量渠道包的场景下,这种耗时时长还能够勉强接受。但是目前我们有将近900个渠道,如果采用传统方式打完所有的渠道包需要近3个小时,这是不能接受的。

那我们有没有其他更好的渠道包生成方式,既能支持新的应用签名方案,又能体验毫秒级的打包耗时呢?我们来分析一下新方案中的区块2——Block。

可扩展的APK Signature Scheme v2 Block

通过上面的描述,可以看出因为APK包的区块1、3、4都是受保护的,任何修改在签名后对它们的修改,都会在安装过程中被签名校验检测失败,而区块2(APK Signing Block)是不受签名校验规则保护的,那是否可以在这个不受签名保护的区块2(APK Signing Block)上做文章呢?我们先来看看对区块2格式的描述:

偏移 字节数 描述
@+0 8 这个Block的长度(本字段的长度不计算在内)
@+8 n 一组ID-value
@-24 8 这个Block的长度(和第一个字段一样值)
@-16 16 魔数 “APK Sig Block 42”

区块2中APK Signing Block是由这几部分组成:2个用来标示这个区块长度的8字节 + 这个区块的魔数(APK Sig Block 42)+ 这个区块所承载的数据(ID-value)。

我们重点来看一下这个ID-value,它由一个8字节的长度标示+4字节的ID+它的负载组成。V2的签名信息是以ID(0x7109871a)的ID-value来保存在这个区块中,不知大家有没有注意这是一组ID-value,也就是说它是可以有若干个这样的ID-value来组成,那我们是不是可以在这里做一些文章呢?

为了验证我们的想法,先来看看新的应用签名方案是怎么验证签名信息的,见下图:

通过上图可以看出新的应用签名方案的验证过程:

  1. 寻找APK Signing Block,如果能够找到,则进行验证,验证成功则继续进行安装,如果失败了则终止安装
  2. 如果未找到APK Signing Block,则执行原来的签名验证机制,也是验证成功则继续进行安装,如果失败了则终止安装

那Android应用在安装时新的应用签名方案是怎么进行校验的呢?笔者通过翻阅Android相关部分的源码,发现下面代码段是用来处理上面所说的ID-value的:

    public static ByteBuffer findApkSignatureSchemeV2Block(
            ByteBuffer apkSigningBlock,
            Result result) throws SignatureNotFoundException {
        checkByteOrderLittleEndian(apkSigningBlock);
        // FORMAT:
        // OFFSET       DATA TYPE  DESCRIPTION
        // * @+0  bytes uint64:    size in bytes (excluding this field)
        // * @+8  bytes pairs
        // * @-24 bytes uint64:    size in bytes (same as the one above)
        // * @-16 bytes uint128:   magic
        ByteBuffer pairs = sliceFromTo(apkSigningBlock, 8, apkSigningBlock.capacity() - 24);

        int entryCount = 0;
        while (pairs.hasRemaining()) {
            entryCount++;
            if (pairs.remaining() < 8) {
                throw new SignatureNotFoundException(
                        "Insufficient data to read size of APK Signing Block entry #" + entryCount);
            }
            long lenLong = pairs.getLong();
            if ((lenLong < 4) || (lenLong > Integer.MAX_VALUE)) {
                throw new SignatureNotFoundException(
                        "APK Signing Block entry #" + entryCount
                                + " size out of range: " + lenLong);
            }
            int len = (int) lenLong;
            int nextEntryPos = pairs.position() + len;
            if (len > pairs.remaining()) {
                throw new SignatureNotFoundException(
                        "APK Signing Block entry #" + entryCount + " size out of range: " + len
                                + ", available: " + pairs.remaining());
            }
            int id = pairs.getInt();
            if (id == APK_SIGNATURE_SCHEME_V2_BLOCK_ID) {
                return getByteBuffer(pairs, len - 4);
            }
            result.addWarning(Issue.APK_SIG_BLOCK_UNKNOWN_ENTRY_ID, id);
            pairs.position(nextEntryPos);
        }

        throw new SignatureNotFoundException(
                "No APK Signature Scheme v2 block in APK Signing Block");
    }

上述代码中关键的一个位置是 if (id == APK_SIGNATURE_SCHEME_V2_BLOCK_ID) {return getByteBuffer(pairs, len - 4);},通过源代码可以看出Android是通过查找ID为 APK_SIGNATURE_SCHEME_V2_BLOCK_ID = 0x7109871a 的ID-value,来获取APK Signature Scheme v2 Block,对这个区块中其他的ID-value选择了忽略。

APK Signature Scheme v2中没有看到对无法识别的ID,有相关处理的介绍。

当看到这里时,我们可不可以设想一下,提供一个自定义的ID-value并写入该区域,从而为快速生成渠道包服务呢?

怎么向ID-value中添加信息呢?通过阅读ZIP的文件格式和APK Signing Block格式的描述,笔者通过编写下面的代码片段进行验证,发现通过在已经被新的应用签名方案签名后的APK中添加自定义的ID-value,是不需要再次经过签名就能安装的,下面是部分代码片段。

  public void writeApkSigningBlock(DataOutput dataOutput) {
        long length = 24;
        for (int index = 0; index < payloads.size(); ++index) {
            ApkSigningPayload payload = payloads.get(index);
            byte[] bytes = payload.getByteBuffer();
            length += 12 + bytes.length;
        }

        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(Long.BYTES);
        byteBuffer.order(ByteOrder.LITTLE_ENDIAN);
        byteBuffer.putLong(length);
        dataOutput.write(byteBuffer.array());

        for (int index = 0; index < payloads.size(); ++index) {
            ApkSigningPayload payload = payloads.get(index);
            byte[] bytes = payload.getByteBuffer();

            byteBuffer = ByteBuffer.allocate(Integer.BYTES);
            byteBuffer.order(ByteOrder.LITTLE_ENDIAN);
            byteBuffer.putInt(payload.getId());
            dataOutput.write(byteBuffer.array());

            dataOutput.write(bytes);
        }
        ...
    }

新一代渠道包生成工具

到这里为止一个新的渠道包生成方案逐步清晰了起来,下面是新一代渠道包生成工具的描述:

  1. 对新的应用签名方案生成的APK包中的ID-value进行扩展,提供自定义ID-value(渠道信息),并保存在APK中
  2. 而APK在安装过程中进行的签名校验,是忽略我们添加的这个ID-value的,这样就能正常安装了
  3. 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(会涉及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

新一代渠道包生成工具完全是基于ZIP文件格式和APK Signing Block存储格式而构建,基于文件的二进制流进行处理,有着良好的处理速度和兼容性,能够满足不同的语言编写的要求,目前笔者采用的是Java+Groovy开发, 该工具主要有四部分组成:

  1. 用于写入ID-value信息的Java类库
  2. Gradle构建插件用来和Android的打包流程进行结合
  3. 用于读取ID-value信息的Java类库
  4. 用于供com.android.application使用的读取渠道信息的AAR

这样,每打一个渠道包只需复制一个APK,然后在APK中添加一个ID-value即可,这种打包方式速度非常快,对一个30M大小的APK包只需要100多毫秒(包含文件复制时间)就能生成一个渠道包,而在运行时获取渠道信息只需要大约几毫秒的时间。

这个项目我们取名为Walle(瓦力),已经开源,项目的Github地址是: https://github.com/Meituan-Dianping/walle (求Issue、PR、Star)。希望业内有类似需求的团队能够在APK Signature Scheme V2签名下愉快地生成渠道包,同时也期待大家一起对该项目进行完善和优化。

总结

以上就是我们对新的应用签名方案进行的分析,并根据它所带来的文件存储格式上的变化,找到了可以利用的ID-value,然后基于这个ID-value来构建我们新一代渠道包生成工具。

新一代渠道包生成工具能够满足新应用签名方案对安全性的要求,同时也能满足对渠道包打包时间的要求,至此大家生成渠道包的方式需要升级了!

文章中引用的图片来源于:https://source.android.com/security/apksigning/v2.html

参考文献

  1. APK Signature Scheme v2
  2. ApkSigner的源代码
  3. apksig的源代码
  4. ZIP Format



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