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新一代开源Android渠道包生成工具Walle

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:

新一代开源Android渠道包生成工具Walle

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

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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:

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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。

在 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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原文  http://tech.meituan.com/android-apk-v2-signature-scheme.html
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