苹果V3签名如何工作？

V3签名的背景与演进

苹果的签名机制在iOS安全体系中扮演着至关重要的角色，确保应用的完整性、来源可信性，并防止篡改或恶意攻击。苹果的签名机制经历了多个版本的演进，从最初的V1、V2发展到目前的V3。相较于前代版本，V3签名在安全性和效率上做了进一步优化，以适应更复杂的生态环境。苹果V3签名如何工作？

V3签名的引入主要是为了解决以下问题：

• 提升安全性：V2签名在某些情况下可能面临伪造和重放攻击，V3签名进一步加强了对篡改的防护。
• 兼容性优化：新的签名结构优化了数据组织方式，提高了解析速度和效率。
• 支持更高级的加密算法：V3签名引入了更强的加密算法，以抵御更强的攻击手段。

V3签名的结构

V3签名的核心目标是确保iOS应用程序的完整性和真实性。其结构比V2更复杂，主要包括以下几个关键部分：

在V3签名中，SuperBlob是最顶层的数据结构，它包含了不同类型的签名Blob，每个Blob对应一部分认证数据。例如，CDHash用于验证代码目录，CMS签名用于验证开发者身份，而Hash Table则确保二进制代码的完整性。

V3签名的工作流程

V3签名的工作流程可以分为两个阶段：签名生成和签名验证。

签名生成流程

应用在编译完成后，需要由开发者的身份进行签名。整个过程如下：

1. 计算代码目录 (Code Directory)
   • 提取应用的各个代码段，并计算其哈希值。
   • 生成CDHash（代码目录哈希），用于标识该应用的唯一性。
2. 构建SuperBlob
   • 组织不同类型的签名数据，如CDHash、Entitlements、Requirements等，并打包到SuperBlob中。
3. 生成CMS签名
   • 使用开发者证书对SuperBlob进行签名，确保签名的真实性和不可篡改性。
   • 生成CMS签名，包含时间戳和开发者身份信息。
4. 嵌入二进制
   • 将完整的V3签名数据嵌入到Mach-O二进制文件的__TEXT段中，使得应用在运行时可以进行自验证。

下图展示了V3签名的生成过程：

+-------------------------+
|    Application Code     |
+-------------------------+
           |
           v
+-------------------------+
| Compute Code Directory  |
| (Hashes of Code Segments) |
+-------------------------+
           |
           v
+-------------------------+
|    Construct SuperBlob   |
| (Includes CDHash, Entitlements, etc.) |
+-------------------------+
           |
           v
+-------------------------+
|   Generate CMS Signature  |
| (Sign with Developer Certificate) |
+-------------------------+
           |
           v
+-------------------------+
| Embed Signature in App  |
+-------------------------+

签名验证流程

当用户下载并运行应用时，iOS会对应用的V3签名进行验证，以确保其完整性和来源可信。验证流程如下：

1. 提取V3签名数据
   • 读取应用的__TEXT段，获取SuperBlob数据。
2. 验证CDHash
   • 计算当前应用代码目录的哈希值，并与签名中的CDHash比对，确保应用未被篡改。
3. 验证CMS签名
   • 检查CMS签名的有效性，确保开发者证书有效，且签名未被篡改。
   • 验证时间戳，确保签名在证书有效期内生成。
4. 检查Entitlements和Requirements
   • 解析Entitlements，确保应用的权限声明符合安全策略。
   • 检查Requirements，确保应用满足运行环境的约束条件。
5. 通过验证后允许运行
   • 只有通过所有验证的应用，才能在iOS设备上正常执行。

下图展示了V3签名的验证流程：

+-------------------------+
|   Extract V3 Signature  |
+-------------------------+
           |
           v
+-------------------------+
|   Verify CDHash        |
| (Ensure Code Integrity) |
+-------------------------+
           |
           v
+-------------------------+
|   Verify CMS Signature  |
| (Check Developer Cert & Timestamp) |
+-------------------------+
           |
           v
+-------------------------+
|   Check Entitlements   |
| (Verify App Permissions) |
+-------------------------+
           |
           v
+-------------------------+
|   Enforce Requirements  |
| (Ensure Runtime Constraints) |
+-------------------------+
           |
           v
+-------------------------+
|   Allow Execution      |
+-------------------------+

V3签名的安全性改进

相较于V2签名，V3签名在多个方面提升了安全性：

• 更强的哈希算法：V3采用更强的SHA-256哈希算法，提升了抗碰撞能力。
• 更严格的代码完整性校验：哈希表结构更加优化，可以更快地检测篡改情况。
• 改进的CMS签名机制：增强了时间戳保护，防止回滚攻击。
• 优化的权限管理：对Entitlements的校验更加严格，防止未授权功能滥用。

典型攻击与V3签名的防御能力

V3签名的增强使得一些传统的攻击手段更难奏效，例如：

结语

V3签名作为苹果应用安全体系的重要组成部分，在防御篡改、伪造和权限滥用方面发挥了关键作用。通过优化签名结构、提升哈希算法强度以及强化CMS签名，V3签名确保了iOS应用的可信性和安全性。随着安全技术的不断发展，苹果的签名机制也将持续演进，以应对不断变化的攻击手段。