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：
| 组件 | 作用描述 |
|---|---|
| SuperBlob | V3签名的顶级结构，包含多个子Blob。 |
| CDHash | 代码目录的哈希值，用于验证代码完整性。 |
| CMS (Cryptographic Message Syntax) 签名 | 采用CMS格式的数字签名，包含开发者证书、时间戳等信息。 |
| Entitlements | 权限声明，决定应用能使用哪些系统功能。 |
| Requirements | 运行时约束条件，例如仅允许特定的设备或系统版本运行。 |
| Hash Table | 存储各个代码段的哈希值，以便于完整性校验。 |
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：
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 将完整的V3签名数据嵌入到Mach-O二进制文件的
下图展示了V3签名的生成过程：
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| Application Code |
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|
v
+-------------------------+
| Compute Code Directory |
| (Hashes of Code Segments) |
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|
v
+-------------------------+
| Construct SuperBlob |
| (Includes CDHash, Entitlements, etc.) |
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|
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：
- 提取V3签名数据
- 读取应用的
__TEXT段，获取SuperBlob数据。
- 读取应用的
- 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。
- 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。
- 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。
- 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：
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| Extract V3 Signature |
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|
v
+-------------------------+
| Verify CDHash |
| (Ensure Code Integrity) |
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|
v
+-------------------------+
| Verify CMS Signature |
| (Check Developer Cert & Timestamp) |
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|
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：
| 攻击类型 | V3签名的防御机制 |
|---|---|
| 二进制篡改 | CDHash校验，确保代码未被修改 |
| 证书伪造 | 采用强加密CMS签名，防止伪造开发者身份 |
| 时间戳回滚攻击 | 时间戳保护机制，防止利用过期签名 |
| 权限滥用 | 更严格的Entitlements验证 |
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。