APK 签名与包体完整性多层加固

防御目标与威胁面

常见客户端签名与完整性检查容易被一次性击穿，根因在于：

1. 依赖 Framework Java API：调用 PackageManager.getPackageInfo(..., GET_SIGNING_CERTIFICATES) 或 getInstallerPackageName，可被 Frida 轻松伪造返回值。
2. 依赖可挂钩的标准库符号：直接调用 java.security.MessageDigest、libc open/openat 或 OpenSSL SHA256_Update 读取 base.apk/classes.dex，易被通用文件与摘要 Hook 定位调用栈并替换预期摘要。
3. 孤立布尔判断：以 checkSignature()Z 返回 true/false，在 Smali 层改写为 const/4 v0, 0x1 即可完全绕过。

根治方案是Java + Native 直连解析 + 服务端 Play Integrity 三重联动，且让客户端校验值直接参与后续会话密钥派生。

核心防御矩阵

攻击向量	根治控制措施	关键实现约束
Hook getPackageInfo / SigningInfo	Native 层直接读取 /proc/self/maps 中的 base.apk 路径并解析 ZIP EOCD 与 APK Signing Block v2/v3	提取原始 X.509 签名证书字节计算 SHA-256，不经过 Java PackageManager
Hook open/openat/SHA256_Update	文件读取使用内联 SVC #0 系统调用，SHA-256 实现静态内联且剥离符号	校验逻辑分散至多处业务节点，避免单点 SHA256_Update 导出符号暴露
Smali const/4 v0, 0x1 单点绕过	将真实证书摘要参与本地配置解密密钥或请求 HMAC 因子派生	重打包修改证书后即使强行跳过判断分支，解密与签名仍因密钥错误失效
客户端本地逻辑被全面逆向并重算	服务端集成 Google Play Integrity API，按业务请求绑定 requestHash	后端核验 appRecognitionVerdict == PLAY_RECOGNIZED 及官方签名摘要

加固代码与校验示例

1. Python 验证 APK Signing Block（v2/v3 Magic）与 Play Integrity 后端裁决逻辑

import hashlib
import struct
from typing import Dict, Tuple

APK_SIG_BLOCK_MAGIC = b"APK Sig Block 42"


def find_apk_signing_block_magic(apk_bytes: bytes) -> Tuple[bool, str]:
    """核验 APK 是否包含 v2/v3 Signing Block 结构（不依赖易被 v1 伪造的 META-INF）。"""
    eocd_marker = b"PK\x05\x06"
    eocd_pos = apk_bytes.rfind(eocd_marker)
    if eocd_pos == -1 or len(apk_bytes) - eocd_pos < 22:
        return False, "missing_eocd"

    cd_offset = struct.unpack_from("<I", apk_bytes, eocd_pos + 16)[0]
    if cd_offset < 24 or cd_offset > len(apk_bytes):
        return False, "invalid_cd_offset"

    magic = apk_bytes[cd_offset - 16 : cd_offset]
    if magic != APK_SIG_BLOCK_MAGIC:
        return False, "missing_v2_v3_signing_block"

    block_size_footer = struct.unpack_from("<Q", apk_bytes, cd_offset - 24)[0]
    block_start = cd_offset - 8 - block_size_footer
    if block_start < 0:
        return False, "corrupted_signing_block"
    block_size_header = struct.unpack_from("<Q", apk_bytes, block_start)[0]
    if block_size_header != block_size_footer:
        return False, "size_mismatch"
    return True, "valid_v2_v3_block"


def verify_play_integrity_verdict(
    verdict: Dict[str, dict],
    expected_pkg: str,
    expected_cert_sha256: str,
    expected_request_hash: str,
) -> Tuple[bool, str]:
    """服务端对解密后的 Play Integrity 令牌声明执行 Fail-Closed 核验。"""
    req_details = verdict.get("requestDetails", {})
    if req_details.get("requestPackageName") != expected_pkg:
        return False, "package_mismatch"
    if req_details.get("requestHash") != expected_request_hash:
        return False, "request_hash_mismatch"

    app_integrity = verdict.get("appIntegrity", {})
    if app_integrity.get("appRecognitionVerdict") != "PLAY_RECOGNIZED":
        return False, "unrecognized_app_binary"
    certs = app_integrity.get("certificateSha256Digest", [])
    if expected_cert_sha256 not in certs:
        return False, "certificate_mismatch"

    device_verdicts = verdict.get("deviceIntegrity", {}).get("deviceRecognitionVerdict", [])
    if "MEETS_DEVICE_INTEGRITY" not in device_verdicts and "MEETS_STRONG_INTEGRITY" not in device_verdicts:
        return False, "device_integrity_failed"
    return True, "ok"


if __name__ == "__main__":
    # 构造最小化合法 APK Signing Block v2/v3 测试结构
    payload = b"\x01" * 16
    block_size = 8 + len(payload) + 16
    signing_block = struct.pack("<Q", block_size) + payload + struct.pack("<Q", block_size) + APK_SIG_BLOCK_MAGIC
    cd = b"PK\x01\x02" + b"\x00" * 16
    cd_offset = len(signing_block)
    eocd = b"PK\x05\x06" + b"\x00" * 12 + struct.pack("<I", cd_offset) + b"\x00\x00"
    sample_apk = signing_block + cd + eocd
    assert find_apk_signing_block_magic(sample_apk) == (True, "valid_v2_v3_block")

    req_hash = hashlib.sha256(b"action=transfer&amount=100&nonce=abc").hexdigest()
    good_verdict = {
        "requestDetails": {"requestPackageName": "com.vendor.app", "requestHash": req_hash},
        "appIntegrity": {"appRecognitionVerdict": "PLAY_RECOGNIZED", "certificateSha256Digest": ["deadbeef"]},
        "deviceIntegrity": {"deviceRecognitionVerdict": ["MEETS_DEVICE_INTEGRITY"]},
    }
    assert verify_play_integrity_verdict(good_verdict, "com.vendor.app", "deadbeef", req_hash) == (True, "ok")
    assert verify_play_integrity_verdict(good_verdict, "com.vendor.app", "repacked", req_hash) == (False, "certificate_mismatch")
    print("Signature & Play Integrity defense check passed.")

防御工作流

1. 强制 v2/v3 签名：发布构建禁用纯 v1 签名，确保 APK 携带完整 APK Signing Block
2. Native 直连解析：在 C++ 层通过 SVC #0 直接打开自身 base.apk 并定位 Signing Block 提取签名证书摘要
3. 校验密钥耦合：将证书 SHA-256 与 classes.dex 摘要纳入密钥派生，彻底淘汰孤立 boolean 返回函数
4. 符号与分支硬化：内联哈希实现并移除 SHA256_Update/MD5_Update 等外部符号依赖，多点交叉复核
5. 后端 Play Integrity 裁决：高风险请求携带绑定业务参数的 requestHash 令牌，由服务端验签并判定证书一致性

验证与判定标准

• v2/v3 结构强制性：运行 find_apk_signing_block_magic 对发布包校验必须返回 valid_v2_v3_block；仅采用 v1 重签名的包必须被客户端拒绝。
• Java Hook 抗性测试：仅对 PackageManager.getPackageInfo、MessageDigest.getInstance 与 getInstallerPackageName 挂载 Frida 返回伪造值时，Native 完整性校验与服务端 Play Integrity 核验仍须识别篡改。
• Smali Patch 抗性：强行修改 Java 校验方法返回 true 后，重打包应用在密钥派生或后端令牌检查环节必须失败。

MCP 工具映射

防御步骤	MCP 工具	说明
读取官方包签名信息	android_package_info	确认发布包签名方案及证书摘要基准
检查 Native 哈希符号暴露	ghidra_headless_analyze	核实未残留明文 SHA256_Update 校验调用或孤立判断函数
核查客户端加密绑定	android_crypto_unpack_recipe	验证证书摘要是否参与后续密钥/签名运算
计算 APK 制品摘要	hash_file	固化官方安装包 SHA-256 用于远端比对
关联红蓝文档	kb_router	对照 02-signature-integrity-bypass.md 逐项封闭绕过路径