V3 签名方案的全面解析：功能与优势
Android 的 V3 签名方案是最新的一系列 APK 签名机制中的一部分，旨在增强应用程序的安全性和灵活性。以下内容将详细介绍 V3 签名方案的功能、优势以及其实现细节。
历史背景和演进
Android 的应用签名方案从 v1 开始，逐步演进到 v2 和 v3，每个版本都带来了显著的改进。
- v1 签名方案：基于 JAR 签名，存在完整性覆盖范围不足和验证速度较慢的问题.
- v2 签名方案：引入于 Android 7.0，是一种全文件签名方案，能够发现对 APK 的所有更改，提高验证速度和完整性保证.
- v3 签名方案：引入于 Android 9.0，支持密钥轮换和其他新功能.
V3 签名方案的主要功能
密钥轮换
V3 签名方案最显著的功能之一是支持密钥轮换。这允许应用在 APK 更新过程中安全地更换其签名密钥。通过在签名块中添加轮转证据记录，应用可以将过去的签名证书链接到现在使用的证书，从而使用新签名证书来签署应用.
兼容性和向后兼容
为了保证兼容性，V3 签名方案需要与 v1 和 v2 签名方案一起使用。低版本的 Android 平台会忽略 v2 和 v3 签名，因此应用必须包含 v1 签名以确保在所有平台上都能正常运行.
实现细节
签名过程
以下是使用 V3 签名方案签名 APK 的一般流程：
- 生成签名密钥：
- 开发者需要生成一个或多个签名密钥，这些密钥将用于签名 APK.
- 准备签名分块：
- 使用
apksig工具或其他兼容工具生成签名分块。每个签名分块包含特定的签名数据，包括签名算法、签名值等信息.
- 签名 APK：
- 将签名分块添加到 APK 文件中。确保 APK 文件的所有部分都被签名，包括代码、资源和元数据.
签名块结构
V3 签名方案在 APK 文件中使用“APK 签名分块”存储签名信息。这一分块位于 ZIP 中央目录之前并紧邻该部分。签名块包含以下内容：
- 数据摘要集：整个 APK 的数据摘要。
- 数字证书：开发者公钥。
- 额外属性：其他相关信息，例如轮转证据记录.
验证流程
验证流程可以分为两个步骤：
- 验证签名：
- 使用公钥验证签名分块中的签名.
- 验证完整性：
- 使用 APK 数据摘要集验证每一块数据的摘要，确保 APK 内容没有被篡改.
优势
提高安全性
- 密钥轮换：允许应用在 APK 更新过程中安全地更换其签名密钥，提高了安全性和灵活性.
- 全文件保护：V3 签名方案继承了 v2 签名方案的全文件保护特性，能够发现对 APK 的所有更改.
增强兼容性
- 多签名支持：支持同时使用 v1、v2 和 v3 签名方案，确保应用在不同版本的 Android 设备上都能正常运行.
V3.1 签名方案的更新
Android 13 引入了 V3.1 签名方案，这是 V3 签名方案的改进版本。V3.1 签名方案解决了 V3 签名方案在轮替方面的一些已知问题。
- SDK 版本定位：允许轮替定位到平台的更高版本。仅当最低 SDK 版本设置为 Android 13 及更高版本时，才能使用 V3.1 签名分块.
- 新分块 ID：V3.1 签名分块使用新的分块 ID，这些签名仅可在搭载 Android 13 及更高版本的设备上可识别.
表格：Android 应用签名方案对比
| 特性 | v1 签名方案 | v2 签名方案 | v3 签名方案 |
|---|---|---|---|
| 引入版本 | Android 1.0 | Android 7.0 | Android 9.0 |
| 签名方式 | 基于 JAR 签名 | 全文件签名 | 全文件签名 + 密钥轮换 |
| 完整性覆盖范围 | 不足 | 全文件 | 全文件 |
| 验证速度 | 较慢 | 快 | 快 |
| 兼容性 | 向后兼容 | 需要与 v1 一起使用 | 需要与 v1、v2 一起使用 |
| 密钥轮换 | 不支持 | 不支持 | 支持 |
流程图：V3 签名过程
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| 生成签名密钥 |
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v
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| 准备签名分块 |
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v
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| 签名 APK |
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v
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| 添加轮转证据记录 |
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v
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| 验证签名和完整性 |
+-------------------+示例：密钥轮换
假设一个应用程序最初使用了一个签名密钥 Key A，现在需要更换为 Key B。
- 上传新密钥：
- 将
Key B上传到相关平台（如 Google Play）。 - 生成并上传 proof-of-rotation 文件，确保新密钥在 Android 设备上受信任.
- 配置签名分块：
- 使用
apksig工具配置新的签名分块，包含Key B和轮转证据记录。 - 确保
Key A仍然有效，以支持现有用户的应用更新.
- 发布新版本：
- 发布包含新签名分块的应用程序更新。
- 在 Android 9.0 及更高版本的设备上，系统会使用新的签名密钥
Key B验