sha1-collision & android signature algorithm

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SHA1-Collision & Android Sign

参看SHA1-collision我们可以知道，SHA-1签名已经不安全了，签名算法可以考虑升级到SHA-2或者其他算法。

0x01 SHA1-Collision

1. SHA-1是什么？

SHA-1（英语：Secure Hash Algorithm 1，中文名：安全散列算法1）是一种密码散列函数，美国国家安全局设计，并由美国国家标准技术研究所（NIST）发布为联邦数据处理标准（FIPS）[2]。SHA-1可以生成一个被称为消息摘要的160位（20字节）散列值，散列值通常的呈现形式为40个十六进制数，参考：SHA-1

2. SHA1-Collision是什么？

两个内容不同的数据，SHA-1算法会生成相同的摘要信息，参考：SHA1 collision Two PDF。

3. SHA1-Collision对Android的影响

Android SDK默认对apk使用SHA-1签名，在最坏的情况下，攻击者可以伪造SHA-1值相同的文件替换已签名apk中的文件来达到攻击的目的。

0x02 Android的证书验证机制

我们知道Android的Apk文件是一个压缩文件，文件结构大致如下:

.
├── AndroidManifest.xml
├── META-INF
│   ├── CERT.RSA
│   ├── CERT.SF
│   └── MANIFEST.MF
├── assets
├── classes.dex
├── classes2.dex
├── classes3.dex
├── lib
├── res
└── resources.arsc

apk相关的签名相关的文件在META-INF目录中，其中：

  • MANIFEST.MF
    遍历APK包中除了META-INF\文件夹以外的所有文件，利用SHA-1算法生成这些文件的消息摘要，然后转化为对应的base64编码。MANIFEST.MF存储的是文件的摘要值，保证完整性，防止文件被篡改。

  • .SF
    xx.SF文件（xx为使用者证书的自定义别名，默认为CERT，即CERT.SF），保存的是MANIFEST.MF的摘要值， 以及MANIFEST.MF中每一个摘要项的摘要值，然后转化成对应的base64编码。虽然该文件的后缀名.sf(SignatureFile)看起来是签名文件，但是并没有私钥参与运算，也不保存任何签名内容。

  • .RSA/.DSA
    .RSA/.DSA文件（后缀不同采用的签名算法不同，.RSA使用的是RSA算法，.DSA使用的是数字签名算法DSA，目前APK主要使用的是这两种算法），保存的是第二项.SF文件的数字签名，同时还会包括签名采用的数字证书（公钥）。特别说明，当使用多重证书签名时，每一个.sf文件必须有一个.RSA/.DSA文件与之对应，也就是说使用证书CERT1签名时有CERT1.SF和CERT1.RSA，同时采用证书CERT2签名时又会生成CERT2.SF和CERT2.RSA。

Android 系统不允许安装没有任何数字签名的应用APK程序，所有应用程序必须使用某个证书进行签名（一般为应用开发者自签名证书），
APK源文件，首先由应用开发者使用自己的私钥，对整个文件进行签名，生成上述的三个文件，然后打包成签名后的APK文件；然后发布到市场。

用户从市场下载APK安装文件，在真正安装APK前，会首先验证数字签名。具体步骤：

  1. 首先计算除META-INF\ 文件夹以外所有文件的SHA1摘要值，同MANIFEST.MF文件中的摘要值做比对。如果不同，则证明源文件被篡改，验证不通过，拒绝安装。
  2. 计算MANIFEST.MF的摘要值， 以及MANIFEST.MF中每一个摘要项的摘要值，同.SF文件中的摘要值做比对。如果不同，则证明.SF被篡改，验证不通过，拒绝安装。
  3. 从.RSA 文件中取出开发者证书，然后从证书中提取开发者公钥，用该公钥对.SF文件做数字签名，并将结果同.RSA文件中的.SF签名进行比对。如果不同，则验证不通过，拒绝安装。

摘自:Shadows Everywhere

0x03 Android支持的签名算法

android 4.3之前不支持SHA1之外的其他签名算法，在4.3之后支持了SHA2等算法，详见：

There is security vs compatibility trade off a few might be interested in. Pre-4.3, Android did not support any signature algorithms except SHA1. With Android >= 4.3, SHA256 support was fixed, and SHA384, SHA512, and ECDSA were added (source). There are still android 2.3.3 (android-10) devices being sold, so anyone interested in backwards compatibility will have to heed this.

测试例子详见：how-to-migrate-your-android-apps-signing-key

下面是提交给google的bug链接：APKs signed using SHA256withRSA or with individual files hashed using SHA-256 fail to install

在android 4.3版本之前的手机上面安装使用sha-256签名的app时，错误日志信息大致如下:

adb install -r Downloads/notepad-sha256withrsa-sha256.apk
~/Downloads/notepad-sha256withrsa-sha256.apk: 1 file pushed. 4.3 MB/s (62395 bytes in 0.014s)
  pkg: /data/local/tmp/notepad-sha256withrsa-sha256.apk
Failure [INSTALL_PARSE_FAILED_NO_CERTIFICATES]

0x04 签名生成与查看

  • 生成keystore

    keytool -genkey -v -keystore test.keystore -alias testkey -keyalg RSA -keysize 2048 -sigalg SHA256withRSA -dname "cn=Test,ou=Test,c=CA" -validity 10000

  • 查看APK的签名算法

    keytool -printcert -jarfile notepad-sha1withrsa-sha1.apk

  • 查看keystore

    keytool -list -v -keystore test.keystore

  • jarsigner签名

    jarsigner -keystore mykeystore -storepass password -sigalg SHA256withRSA -digestalg SHA256 my.apk test

0x05 jarsigner与apksigner的区别

jarsigner是jdk自带的工具，apksigner是android sdk自带的工具（build-tools 24.0.3+版本才拥有）。在android build-tools 24.0.3以前默认使用jarsigner对app进行签名，在24.0.3版本以及之后使用apksigner进行签名，其中apksigner签名算法根据android的最低版本的不同而不同，jarsigner则可以直接指定签名算法(见: 上面的jarsigner签名)。

tool minSdkVersion < 18 minSdkVersion >= 18
apksigner SHA1withRSA SHA256withRSA
apksigner SHA1withDSA SHA256withDSA
apksigner SHA256withEC

代码详见com.android.apksig.internal.apk.v1.V1SchemeSigner:

public static DigestAlgorithm getSuggestedSignatureDigestAlgorithm(PublicKey signingKey, int minSdkVersion)
  throws InvalidKeyException
{
  String keyAlgorithm = signingKey.getAlgorithm();
  if ("RSA".equalsIgnoreCase(keyAlgorithm))
  {
    if (minSdkVersion < 18) {
      return DigestAlgorithm.SHA1;
    }
    return DigestAlgorithm.SHA256;
  }
  if ("DSA".equalsIgnoreCase(keyAlgorithm))
  {
    if (minSdkVersion < 21) {
      return DigestAlgorithm.SHA1;
    }
    return DigestAlgorithm.SHA256;
  }
  if ("EC".equalsIgnoreCase(keyAlgorithm))
  {
    if (minSdkVersion < 18) {
      throw new InvalidKeyException("ECDSA signatures only supported for minSdkVersion 18 and higher");
    }
    return DigestAlgorithm.SHA256;
  }
  throw new InvalidKeyException("Unsupported key algorithm: " + keyAlgorithm);
}

关于ApkSigner更多信息，请戳~

0x06 升级签名算法为SHA-2

综上所示，我们可以知道App使用签名算法的地方有两处，分别是：

  1. 使用keytools生成keystore时指定的算法。
  2. 使用jarsigner/apksigner和keystore对app进行签名时指定的算法。

这里我们不修改签名文件keystore的签名算法，我们只修改签名App时使用的签名算法为SHA-2，鉴于上面的原因我们需要升级android app的minSdkVersion >= 18，下面介绍两种升级SHA-2的方法:

  • 升级buildToolsVersion的版本大于等于24.0.3，gradle打包时会自动调用apksigner使用SHA256withRSA对app进行签名。
  • 使用jarsigner对app进行签名，然后在命令参数中直接指定签名算法即可。

0x07 遗留问题

由于keystore未发生变化，所以使用不同签名算法的app是可以互相覆盖的，故而攻击者也可以使用旧版本的apk(使用SHA-1)覆盖新版本apk(使用SHA-2)继续进行攻击，所以为了避免被攻击者进行攻击的最好更换keystore，但是这样就没法覆盖安装了，详细请参考things-that-cannot-change。

0x08 参考引用

  1. Announcing the first SHA1 collision
  2. SHA1 collision Two PDF
  3. things-that-cannot-change
  4. SHA-1
  5. Shadows Everywhere
  6. apksigner
  7. sha1-collision-and-apk-signing