iOS App 签名的原理

   <p>iOS 签名机制挺复杂，各种证书，Provisioning Profile，entitlements，CertificateSigningRequest，p12，AppID，概念一堆，也很容易出错，本文尝试从原理出发，一步步推出为什么会有这么多概念，希望能有助于理解 iOS App 签名的原理和流程。</p>    <h2>目的</h2>    <p>先来看看苹果的签名机制是为了做什么。在 iOS 出来之前，在主流操作系统(Mac/Windows/Linux)上开发和运行软件是不需要签名的，软件随便从哪里下载都能运行，导致平台对第三方软件难以控制，盗版流行。苹果希望解决这样的问题，在 iOS 平台对第三方 APP 有绝对的控制权，一定要保证每一个安装到 iOS 上的 APP 都是经过苹果官方允许的，怎样保证呢？就是通过签名机制。</p>    <h2>非对称加密</h2>    <p>通常我们说的签名就是数字签名，它是基于非对称加密算法实现的。对称加密是通过同一份密钥加密和解密数据，而非对称加密则有两份密钥，分别是公钥和私钥，用公钥加密的数据，要用私钥才能解密，用私钥加密的数据，要用公钥才能解密。</p>    <p>简单说一下常用的非对称加密算法 RSA 的数学原理，理解简单的数学原理，就可以理解非对称加密是怎么做到的，为什么会是安全的：</p>    <ol>     <li>选两个质数 p 和 q，相乘得出一个大整数n，例如 p = 61，q = 53，n = pq = 3233</li>     <li>选 1-n 间的随便一个质数e，例如 e = 17</li>     <li>经过一系列数学公式，算出一个数字 d，满足：<br> a.通过 n 和 e 这两个数据一组数据进行数学运算后，可以通过 n 和 d 去反解运算，反过来也可以。<br> b.如果只知道 n 和 e，要推导出 d，需要知道 p 和 q，也就是要需要把 n 因数分解。</li>    </ol>    <p>上述的 (n,e) 这两个数据在一起就是公钥，(n,d) 这两个数据就是私钥，满足用私钥加密，公钥解密，或反过来公钥加密，私钥解密，也满足在只暴露公钥 (只知道 n 和 e)的情况下，要推导出私钥 (n,d)，需要把大整数 n 因数分解。目前因数分解只能靠暴力穷举，而 n 数字越大，越难以用穷举计算出因数 p 和 q，也就越安全，当 n 大到二进制 1024 位或 2048 位时，以目前技术要破解几乎不可能，所以非常安全。</p>    <p>若对数字 d 是怎样计算出来的感兴趣，可以详读这两篇文章：RSA 算法原理 <a href="/misc/goto?guid=4959546418414017553" rel="nofollow,noindex">（一）</a> <a href="/misc/goto?guid=4959546451214481555" rel="nofollow,noindex">（二）</a></p>    <h2>数字签名</h2>    <p>现在知道了有非对称加密这东西，那数字签名是怎么回事呢？</p>    <p>数字签名的作用是我对某一份数据打个标记，表示我认可了这份数据（签了个名），然后我发送给其他人，其他人可以知道这份数据是经过我认证的，数据没有被篡改过。</p>    <p>有了上述非对称加密算法，就可以实现这个需求：</p>    <p style="text-align: center;"><img src="https://simg.open-open.com/show/e223e9de9f7bb6637199b3a26e477d57.png"></p>    <ol>     <li>首先用一种算法，算出原始数据的摘要。需满足 a.若原始数据有任何变化，计算出来的摘要值都会变化。 b.摘要要够短。这里最常用的算法是MD5。</li>     <li>生成一份非对称加密的公钥和私钥，私钥我自己拿着，公钥公布出去。</li>     <li>对一份数据，算出摘要后，用私钥加密这个摘要，得到一份加密后的数据，称为原始数据的签名。把它跟原始数据一起发送给用户。</li>     <li>用户收到数据和签名后，用公钥解密得到摘要。同时用户用同样的算法计算原始数据的摘要，对比这里计算出来的摘要和用公钥解密签名得到的摘要是否相等，若相等则表示这份数据中途没有被篡改过，因为如果篡改过，摘要会变化。</li>    </ol>    <p>之所以要有第一步计算摘要，是因为非对称加密的原理限制可加密的内容不能太大（不能大于上述 n 的位数，也就是一般不能大于 1024 位 / 2048 位），于是若要对任意大的数据签名，就需要改成对它的特征值签名，效果是一样的。</p>    <p>好了，有了非对称加密的基础，知道了数字签名是什么，怎样可以保证一份数据是经过某个地方认证的，来看看怎样通过数字签名的机制保证每一个安装到 iOS 上的 APP 都是经过苹果认证允许的。</p>    <h2>最简单的签名</h2>    <p>要实现这个需求很简单，最直接的方式，苹果官方生成一对公私钥，在 iOS 里内置一个公钥，私钥由苹果后台保存，我们传 App 上 AppStore 时，苹果后台用私钥对 APP 数据进行签名，iOS 系统下载这个 APP 后，用公钥验证这个签名，若签名正确，这个 APP 肯定是由苹果后台认证的，并且没有被修改过，也就达到了苹果的需求：保证安装的每一个 APP 都是经过苹果官方允许的。</p>    <p style="text-align: center;"><img src="https://simg.open-open.com/show/9f728d338821c4a2f5996b92713e6aef.png"></p>    <p>如果我们 iOS 设备安装 APP 只有从 AppStore 下载这一种方式的话，这件事就结束了，没有任何复杂的东西，只有一个数字签名，非常简单地解决问题。</p>    <p>但实际上因为除了从 AppStore 下载，我们还可以有三种方式安装一个 App：</p>    <ol>     <li>开发 App 时可以直接把开发中的应用安装进手机进行调试。</li>     <li>In-House 企业内部分发，可以直接安装企业证书签名后的 APP。</li>     <li>AD-Hoc 相当于企业分发的限制版，限制安装设备数量，较少用。</li>    </ol>    <p>苹果要对用这三种方式安装的 App 进行控制，就有了新的需求，无法像上面这样简单了。</p>    <h2>新的需求</h2>    <p>我们先来看第一个，开发时安装APP，它有两个个需求：</p>    <ol>     <li>安装包不需要传到苹果服务器，可以直接安装到手机上。如果你编译一个 APP 到手机前要先传到苹果服务器签名，这显然是不能接受的。</li>     <li>苹果必须对这里的安装有控制权，包括<br> a. 经过苹果允许才可以这样安装。<br> b. 不能被滥用导致非开发app也能被安装。</li>    </ol>    <p>为了实现这些需求，iOS 签名的复杂度也就开始增加了。</p>    <p>苹果这里给出的方案是使用了双层签名，会比较绕，流程大概是这样的：</p>    <p><img src="https://simg.open-open.com/show/1e8430adda21f7ba087564e893590fc8.png"></p>    <ol>     <li>在你的 Mac 开发机器生成一对公私钥，这里称为 <strong>公钥L</strong> ， <strong>私钥L</strong> 。L:Local</li>     <li>苹果自己有固定的一对公私钥，跟上面 AppStore 例子一样，私钥在苹果后台，公钥在每个 iOS 设备上。这里称为 <strong>公钥A</strong> ， <strong>私钥A</strong> 。A:Apple</li>     <li>把公钥 L 传到苹果后台，用苹果后台里的私钥 A 去签名公钥 L。得到一份数据包含了公钥 L 以及其签名，把这份数据称为证书。</li>     <li>在开发时，编译完一个 APP 后，用本地的私钥 L 对这个 APP 进行签名，同时把第三步得到的证书一起打包进 APP 里，安装到手机上。</li>     <li>在安装时，iOS 系统取得证书，通过系统内置的公钥 A，去验证证书的数字签名是否正确。</li>     <li>验证证书后确保了公钥 L 是苹果认证过的，再用公钥 L 去验证 APP 的签名，这里就间接验证了这个 APP 安装行为是否经过苹果官方允许。（这里只验证安装行为，不验证APP 是否被改动，因为开发阶段 APP 内容总是不断变化的，苹果不需要管。）</li>    </ol>    <h2>加点东西</h2>    <p>上述流程只解决了上面第一个需求，也就是需要经过苹果允许才可以安装，还未解决第二个避免被滥用的问题。怎么解决呢？苹果再加了两个限制，一是限制在苹果后台注册过的设备才可以安装，二是限制签名只能针对某一个具体的 APP。</p>    <p>怎么加的？在上述第三步，苹果用私钥 A 签名我们本地公钥 L 时，实际上除了签名公钥 L，还可以加上无限多数据，这些数据都可以保证是经过苹果官方认证的，不会有被篡改的可能。</p>    <p><img src="https://simg.open-open.com/show/b2ac845ba2099512e66f125cc3a4a900.png"></p>    <p>可以想到把 允许安装的设备 ID 列表 和 App对应的 AppID 等数据，都在第三步这里跟公钥L一起组成证书，再用苹果私钥 A 对这个证书签名。在最后第 5 步验证时就可以拿到设备 ID 列表，判断当前设备是否符合要求。根据数字签名的原理，只要数字签名通过验证，第 5 步这里的设备 IDs / AppID / 公钥 L 就都是经过苹果认证的，无法被修改，苹果就可以限制可安装的设备和 APP，避免滥用。</p>    <h2>最终流程</h2>    <p>到这里这个证书已经变得很复杂了，有很多额外信息，实际上除了 设备 ID / AppID，还有其他信息也需要在这里用苹果签名，像这个 APP 里 iCloud / push / 后台运行 等权限苹果都想控制，苹果把这些权限开关统一称为 Entitlements，它也需要通过签名去授权。</p>    <p>实际上一个“证书”本来就有规定的格式规范，上面我们把各种额外信息塞入证书里是不合适的，于是苹果另外搞了个东西，叫 Provisioning Profile，一个 Provisioning Profile 里就包含了证书以及上述提到的所有额外信息，以及所有信息的签名。</p>    <p>所以整个流程稍微变一下，就变成这样了：</p>    <p><img src="https://simg.open-open.com/show/779c5beca262fbd0da75c26ca1f84b55.png"></p>    <p>因为步骤有小变动，这里我们不辞啰嗦重新再列一遍整个流程：</p>    <ol>     <li>在你的 Mac 开发机器生成一对公私钥，这里称为公钥L，私钥L。L:Local</li>     <li>苹果自己有固定的一对公私钥，跟上面 AppStore 例子一样，私钥在苹果后台，公钥在每个 iOS 设备上。这里称为公钥A，私钥A。A:Apple</li>     <li>把公钥 L 传到苹果后台，用苹果后台里的私钥 A 去签名公钥 L。得到一份数据包含了公钥 L 以及其签名，把这份数据称为证书。</li>     <li>在苹果后台申请 AppID，配置好设备 ID 列表和 APP 可使用的权限，再加上第③步的证书，组成的数据用私钥 A 签名，把数据和签名一起组成一个 Provisioning Profile 文件，下载到本地 Mac 开发机。</li>     <li>在开发时，编译完一个 APP 后，用本地的私钥 L 对这个 APP 进行签名，同时把第④步得到的 Provisioning Profile 文件打包进 APP 里，文件名为 embedded.mobileprovision，把 APP 安装到手机上。</li>     <li>在安装时，iOS 系统取得证书，通过系统内置的公钥 A，去验证 embedded.mobileprovision 的数字签名是否正确，里面的证书签名也会再验一遍。</li>     <li>确保了 embedded.mobileprovision 里的数据都是苹果授权以后，就可以取出里面的数据，做各种验证，包括用公钥 L 验证APP签名，验证设备 ID 是否在 ID 列表上，AppID 是否对应得上，权限开关是否跟 APP 里的 Entitlements 对应等。</li>    </ol>    <p>开发者证书从签名到认证最终苹果采用的流程大致是这样，还有一些细节像证书有效期/证书类型等就不细说了。</p>    <h2>概念和操作</h2>    <p>上面的步骤对应到我们平常具体的操作和概念是这样的：</p>    <ol>     <li>第 1 步对应的是 keychain 里的 “从证书颁发机构请求证书”，这里就本地生成了一堆公私钥，保存的 CertificateSigningRequest 就是公钥，私钥保存在本地电脑里。</li>     <li>第 2 步苹果处理，不用管。</li>     <li>第 3 步对应把 CertificateSigningRequest 传到苹果后台生成证书，并下载到本地。这时本地有两个证书，一个是第 1 步生成的，一个是这里下载回来的，keychain 会把这两个证书关联起来，因为他们公私钥是对应的，在XCode选择下载回来的证书时，实际上会找到 keychain 里对应的私钥去签名。这里私钥只有生成它的这台 Mac 有，如果别的 Mac 也要编译签名这个 App 怎么办？答案是把私钥导出给其他 Mac 用，在 keychain 里导出私钥，就会存成 .p12 文件，其他 Mac 打开后就导入了这个私钥。</li>     <li>第 4 步都是在苹果网站上操作，配置 AppID / 权限 / 设备等，最后下载 Provisioning Profile 文件。</li>     <li>第 5 步 XCode 会通过第 3 步下载回来的证书（存着公钥），在本地找到对应的私钥（第一步生成的），用本地私钥去签名 App，并把 Provisioning Profile 文件命名为 embedded.mobileprovision 一起打包进去。这里对 App 的签名数据保存分两部分，Mach-O 可执行文件会把签名直接写入这个文件里，其他资源文件则会保存在 _CodeSignature 目录下。</li>    </ol>    <p>第 6 – 7 步的打包和验证都是 Xcode 和 iOS 系统自动做的事。</p>    <p>这里再总结一下这些概念：</p>    <ol>     <li><strong>证书</strong> ：内容是公钥或私钥，由其他机构对其签名组成的数据包。</li>     <li><strong>Entitlements</strong> ：包含了 App 权限开关列表。</li>     <li><strong>CertificateSigningRequest</strong> ：本地公钥。</li>     <li><strong>p12</strong> ：本地私钥，可以导入到其他电脑。</li>     <li><strong>Provisioning Profile</strong> ：包含了 证书 / Entitlements 等数据，并由苹果后台私钥签名的数据包。</li>    </ol>    <h2>其他发布方式</h2>    <p>前面以开发包为例子说了签名和验证的流程，另外两种方式 In-House 企业签名和 AD-Hoc 流程也是差不多的，只是企业签名不限制安装的设备数，另外需要用户在 iOS 系统设置上手动点击信任这个企业才能通过验证。</p>    <p>而 AppStore 的签名验证方式有些不一样，前面我们说到最简单的签名方式，苹果在后台直接用私钥签名 App 就可以了，实际上苹果确实是这样做的，如果去下载一个 AppStore 的安装包，会发现它里面是没有 embedded.mobileprovision 文件的，也就是它安装和启动的流程是不依赖这个文件，验证流程也就跟上述几种类型不一样了。</p>    <p>据猜测，因为上传到 AppStore 的包苹果会重新对内容加密，原来的本地私钥签名就没有用了，需要重新签名，从 AppStore 下载的包苹果也并不打算控制它的有效期，不需要内置一个 embedded.mobileprovision 去做校验，直接在苹果用后台的私钥重新签名，iOS 安装时用本地公钥验证 App 签名就可以了。</p>    <p>那为什么发布 AppStore 的包还是要跟开发版一样搞各种证书和 Provisioning Profile？猜测因为苹果想做统一管理，Provisioning Profile 里包含一些权限控制，AppID 的检验等，苹果不想在上传 AppStore 包时重新用另一种协议做一遍这些验证，就不如统一把这部分放在 Provisioning Profile 里，上传 AppStore 时只要用同样的流程验证这个 Provisioning Profile 是否合法就可以了。</p>    <p>所以 App 上传到 AppStore 后，就跟你的 证书 / Provisioning Profile 都没有关系了，无论他们是否过期或被废除，都不会影响 AppStore 上的安装包。</p>    <p>到这里 iOS 签名机制的原理和主流程大致说完了，希望能对理解苹果签名和排查日常签名问题有所帮助。</p>    <h2>P.S.一些疑问</h2>    <p>最后这里再提一下我关于签名流程的一些的疑问。</p>    <h3>企业证书</h3>    <p>企业证书签名因为限制少，在国内被广泛用于测试和盗版，fir.im / 蒲公英等测试平台都是通过企业证书分发，国内一些市场像 PP 助手，爱思助手，一部分安装手段也是通过企业证书重签名。通过企业证书签名安装的 App，启动时都会验证证书的有效期，并且不定期请求苹果服务器看证书是否被吊销，若已过期或被吊销，就会无法启动 App。对于这种助手的盗版安装手段，苹果想打击只能一个个吊销企业证书，并没有太好的办法。</p>    <p>这里我的疑问是，苹果做了那么多签名和验证机制去限制在 iOS 安装 App，为什么又要出这样一个限制很少的方式让盗版钻空子呢？若真的是企业用途不适合上 AppStore，也完全可以在 AppStore 开辟一个小的私密版块，还是通过 AppStore 去安装，就不会有这个问题了。</p>    <h3>AppStore 加密</h3>    <p>另一个问题是我们把 App 传上 AppStore 后，苹果会对 App 进行加密，导致 App 体积增大不少，这个加密实际上是没卵用的，只是让破解的人要多做一个步骤，运行 App 去内存 dump 出可执行文件而已，无论怎样加密，都可以用这种方式拿出加密前的可执行文件。所以为什么要做这样的加密呢？想不到有什么好处。</p>    <h3>本地私钥</h3>    <p>我们看到前面说的签名流程很绕很复杂，经常出现各种问题，像有 Provisioning Profile 文件但证书又不对，本地有公钥证书没对应私钥等情况，不理解原理的情况下会被绕晕，我的疑问是，这里为什么不能简化呢？还是以开发证书为例，为什么一定要用本地 Mac 生成的私钥去签名？苹果要的只是本地签名，私钥不一定是要本地生成的，苹果也可以自己生成一对公私钥给我们，放在 Provisioning Profile 里，我们用里面的私钥去加密就行了，这样就不会有 CertificateSigningRequest 和 p12 的概念，跟本地 keychain 没有关系，不需要关心证书，只要有 Provisioning Profile 就能签名，流程会减少，易用性会提高很多，同时苹果想要的控制一点都不会少，也没有什么安全问题，为什么不这样设计呢？</p>    <p>能想到的一个原因是 Provisioning Profile 在非 AppStore 安装时会打包进安装包，第三方拿到这个 Provisioning Profile 文件就能直接用起来给他自己的 App 签名了。但这种问题也挺好解决，只需要打包时去掉文件里的私钥就行了，所以仍不明白为什么这样设计。</p>    <p> </p>    <p>来自：http://blog.cnbang.net/tech/3386/</p>    <p> </p>