Android 的安装包签名方案到目前有3个版本，分别是：

最初签名方案V1；
为了提高验证速度和覆盖度在 7.0 引入的 V2；
以及为了实现密钥轮转在 9.0 引入的 V3。

让我们分别了解一下这些签名的原理：

一、 V1 签名方案

1. 签名相关的文件

apk 本质是个 zip 文件，解压缩后，在 META-INFO 文件夹中可以看到有 MANIFEST.MF、CERT.SF、CERT.RSA 三个文件。这三个文件在签名时创建，在安装时用于验证签名。下面让我们看一下这三个文件各自的作用：

1.1 MANIFEST.MF文件

文件的作用：
记录 apk 中每一个文件对应的摘要信息，防止某个文件被篡改。

文件的内容：
打开 MANIFEST.MF 文件可以看到文件内容是这种格式：

Manifest-Version: 1.0
Built-By: Generated-by-ADT
Created-By: Android Gradle 2.3.1

Name: res/drawable-hdpi-v4/tracepoint_tip.png
SHA1-Digest: UqNwQcd9oLGpVfILjkVOtNQmySA=

Name: res/layout/activity_new_base_layout.xml
SHA1-Digest: Uw3jXiCR9Msf9C6P0Mjcmh2/A/E=

...

前三行记录了基础信息，后面每一块都对应了 apk 中一个原始文件的数据摘要，摘要算法是 SHA-1。
在 MANIFEST.MF 文件没被篡改的情况下，可以用于保证 apk 中的其他文件不被篡改。
那怎么保证 MANIFEST.MF 文件本身不被篡改呢？就是靠下面的 CERT.SF 文件了：

1.2 CERT.SF文件

文件的作用：
记录 MANIFEST.MF 文件的摘要，以及 MANIFEST.MF 中，每个数据块的摘要。防止 MANIFEST.MF 被篡改。

文件的内容：
CERT.SF 的文件内容如下：

Signature-Version: 1.0
SHA1-Digest-Manifest: m4hofJv2im9b2HQo/h6VPKRnzqE=
Created-By: 1.0 (Android)

Name: res/drawable-hdpi-v4/tracepoint_tip.png
SHA1-Digest: UqNwQcd9oLGpVfILjkVOtNQmySA=

Name: res/layout/activity_new_base_layout.xml
SHA1-Digest: Uw3jXiCR9Msf9C6P0Mjcmh2/A/E=
...

第一行 Signature-Version 记录了签名版本；
第二行 SHA1-Digest-Manifest 记录了整个 MANIFEST.MF 文件的摘要；

后面每一块都是 MANIFEST.MF 中对应数据块的摘要；
例如，CERT.SF 中对应的这一段：

Name: res/drawable-hdpi-v4/tracepoint_tip.png
SHA1-Digest: UqNwQcd9oLGpVfILjkVOtNQmySA=

其中「UqNwQcd9oLGpVfILjkVOtNQmySA=」就是 MANIFEST.MF 中这一段的摘要（包含换行符）：

Name: res/drawable-hdpi-v4/tracepoint_tip.png
SHA1-Digest: UqNwQcd9oLGpVfILjkVOtNQmySA=
\r\n

CERT.SF 如果没被篡改，就能用于验证清单文件 MANIFEST.MF 是否被篡改。但又怎么验证 CERT.SF 是否被篡改呢？靠的就是签名文件 CERT.RSA 了：

1.3 CERT.RSA文件

文件的作用：
这个文件是为了验证 CERT.SF 文件有没有被篡改。

文件的内容：
它包含了「对 CERT.SF 文件的签名」以及「包含公钥的开发者证书」。

如果不了解证书和签名是如何用于数据验证的，可以看《摘要、签名与数字证书都是什么？》

2. V1的签名机制

V1签名的文件生成过程

签名的流程如下：

计算每一个原始文件的 SHA-1 摘要，写入到 MANIFEST.MF 中；
计算整个 MANIFEST.MF 文件的 SHA-1 摘要，写入到 CERT.SF 中；
计算 MANIFEST.MF 中，每一块的 SHA-1 摘要，写入到 CERT.SF 中；
计算整个 CERT.SF 文件的摘要，使用开发者私钥计算出摘要的签名；
将签名和开发者证书(X.509)写入 CERT.RSA 。

3. V1签名是怎么校验的？

校验的流程如下：

取出 CERT.RSA 中包含的开发者证书；
通过系统的根证书（CA证书）验证这个开发者证书是否可信；
如果开发者证书可信，用证书中的公钥解密 CERT.RSA 中包含的签名。
计算 CERT.SF 的签名；
对比 (3) 和 (4) 的签名是否一致；
如果一致，用 CERT.SF 去校验 MANIFEST.MF 是否被修改；
如果没有被修改，再用 MANIFEST.MF 中的每一块数据去校验每一个文件是否被修改。

4. V1签名如何防止篡改

假如攻击者修改了其中某一个文件，那么他必须修改 MANIFEST.MF 中对应文件的摘要，否则这个文件校验不通过；
接着还得修改 CERT.SF 中的摘要，否则摘要校验不过；
还得重新计算 CERT.SF 的签名，否则签名校验不通过；
但是计算签名需要私钥，私钥在开发者手中，攻击者没有私钥，所以无法签名。

5. V1签名存在的问题

校验速度慢：需要对 apk 中的每个文件都计算摘要并验证，如果文件很多，校验时间会很长。
完整性不够：V1 签名只会校验 Zip 文件中的部分文件，例如 META-INFO 文件夹就不会参与校验。

二、 V2 签名方案

V2 签名是在 Android7.0 之后引入的，它解决了 V1 签名校验时速度慢的问题，同时对完整性的校验扩展到整个安装包。

了解 V2 签名原理之前，我们先了解一下 Zip 文件：

1. Zip 文件

1.1 Zip 文件的格式和解析过程

Zip文件格式

先从文件尾部查找 0x06054b50，确定 End Of Central Directory Record 区域的起始位置；
解析 EoCD 区域，并获得中央目录的起始位置；
根据起始位置，逐个解析文件。

从解析过程可以看出，如果在「文件信息部分」和「中央目录部分」之间插入了其他数据，是不会影响 Zip 文件的解压缩的。

2. V2 签名数据块的格式

V2 签名时，会将签名信息块插入到 Zip 文件的「文件信息」和「中央目录」之间，如图：

apk V2 签名前后对比

「Apk Signing Block」的具体结构：

V2签名数据块的结构

签名块的前8个字节记录了所有键值对数据块的大小。其后紧接着键值对数据块，数据块由一个个的键值对块组成。
每个键值对块的开始8字节记录了「键值对的ID」和「键值对的Value」的大小。接下来4字节是键值对的ID，后面跟着对应的值。
ID = 0x7109871a 的键值对块就是保存签名信息的地方。
键值对数据块的后面还有8个字节，也是用于记录「键值对块」的大小，它的值和最开始的8字节相同。
签名块的末尾是一个魔数，也就是‘APK Sig Block 42’的 ASCII 码。

下一篇文章我们会讲到如何在这里动态插入其他信息，例如渠道信息等。

签名信息的具体结构：

签名信息的结构

3. V2 摘要计算方式

V2 签名摘要的计算就不是按照文件计算的了，而是按照 1MB 为单位计算：

apk按照1MB大小计算摘要

步骤：

对原始apk文件的文件信息部分、中央目录部分、EoCD部分，按照 1MB 大小分割为多个小块（Chunks）;
分别对每一个小块计算其摘要，类似于 V1 签名中的 MANIFEST.MF 文件；
对(2)中所有摘要计算其摘要，类似于 V1 签名中的 CERT.SF 文件；

4. V2 签名的校验

Android 7.0 及以上在校验时，会先判断是否具有 V2 签名，如果有 V2 签名，会走 V2 签名的校验流程，不再验证V1签名了。

如何判断是否有V2签名？
根据Zip文件格式的规则，我们可以找到中央目录区的起始位置。
读取从起始位置开始往回的16个字节，判断这16个字节的值是否为 "Apk Sig Block 42"，如果是，则对应上了魔数，说明有 V2 签名。后续就是解析 V2 签名块的流程了。

用公钥和签名对蓝色区域验证，验证通过后，用「APK数据摘要集」对APK每一块做验证。

三、 V3 签名方案

V3 签名方案的签名块格式和V2完全一样，只是 V2 的签名块信息存放在 ID = 0x7109871a 的数据块中，而 V3 的签名信息存放在 ID = 0xf05368c0 的数据块中。

在这个新的数据块中，记录了旧的签名信息和新的签名信息，以密钥转轮的方案，做签名的替换和升级。这意味着我们可以更改 APK 的签名。

V3 签名块的大小必须是 4096 的整数倍，否则在安装时会出现如下异常：

adb: failed to install xxx.apk: Failure [INSTALL_PARSE_FAILED_NO_CERTIFICATES:
Failed to collect certificates from /data/app/xxxx.apk using APK Signature Scheme v3:
Size of APK Signing Block is not a multiple of 4096: xxxx]

感谢另一篇文章《Android 动态写入信息到 APK》中，「依然菜刀」指出了 4096 整数倍的问题。

Android 端 V1/V2/V3 签名的原理