Android下的配置管理之道之对 OTA 更新包进行签名

对要发布的版本进行签名

Android 操作系统映像在两个地方使用加密签名：

• 映像中的所有 .apk 文件都必须经过签名。Android 软件包管理器通过下列两种方式使用 .apk 签名：

更换应用时，必须使用与旧应用相同的密钥对其签名，才能存取旧应用的数据。无论是通过覆盖 .apk 来更新用户应用，还是使用安装在 /data
下的新版本应用来覆盖系统应用，这一点都适用。 如果两个或多个应用想要共享同一个用户
ID（方便共享数据等），则必须使用相同的密钥对它们进行签名。

• 必须使用符合系统预期的密钥对 OTA 更新包进行签名，否则在安装过程中 OTA 更新包将被拒绝。

发布密钥

Android 树的 build/target/product/security 目录中提供了测试密钥。使用 make 编译 Android 操作系统映像便可使用这些测试密钥对所有 .apk 文件进行签名。由于这些测试密钥是公开的，任何人都可以使用相同的密钥对他们自己的 .apk 文件签名，这样他们就能够替换或盗用您的操作系统映像中编译的系统应用。因此，您必须使用只有您自己才能访问的特殊“发布密钥”集对公开发布或部署的 Android 操作系统映像进行签名。

要生成您自己的唯一发布密钥集，请在 Android 树的根目录下运行以下命令：

subject='/C=US/ST=California/L=Mountain View/O=Android/OU=Android/CN=Android/[email protected]'
mkdir ~/.android-certs
for x in releasekey platform shared media; do \
    ./development/tools/make_key ~/.android-certs/$x "$subject"; \
  done

您需要对 $subject 进行更改以反映贵组织的信息。您可以使用任何目录，但要注意选择一个已备份且安全的位置。部分供应商会使用强密码加密私钥，并将其存储在源代码控制系统中；其他供应商则将他们的发布密钥完全存储在其他地方，如气隙阻隔的计算机上。

要生成发布映像，请使用以下命令：

make dist
./build/tools/releasetools/sign_target_files_apks \
    -o \    # explained in the next section
    --default_key_mappings ~/.android-certs out/dist/*-target_files-*.zip \
    signed-target_files.zip

sign_target_files_apks 脚本将目标文件 .zip 作为输入文件，并生成一个新的目标文件 .zip，其中所有的 .apk 文件都已使用新密钥签名。您可以在 signed-target_files.zip 中的 IMAGES/ 目录下找到新签名的映像。

对 OTA 更新包进行签名

您可以按照以下步骤将已签名的目标文件 zip 转换为已签名的 OTA 更新 zip：

./build/tools/releasetools/ota_from_target_files \
    --key_mapping ~/.android-certs/releasekey \
    signed-target_files.zip \
    signed-ota_update.zip

签名和旁加载

旁加载不会绕过 Recovery 流程中的正常软件包签名验证机制。在安装一个软件包之前，Recovery 会验证该软件包是否由与 Recovery 分区中存储的公钥相匹配的私钥进行签名，这与利用无线方式传输的软件包的处理方式一样。

从主系统收到的更新包通常要经过两次验证：一次是由主系统使用 Android API 中的 RecoverySystem.verifyPackage() 方法进行验证，另一次是通过 Recovery 进行验证。RecoverySystem API 对照存储在主系统 /system/etc/security/otacerts.zip 文件（默认情况下）中的公钥对签名进行检查。Recovery 对照存储在 Recovery 分区 RAM 磁盘中的 /res/keys 文件中的公钥对签名进行检查。

默认情况下，由此版本生成的目标文件 .zip 会将 OTA 证书设置为与测试密钥相匹配。在发布的映像上，必须使用不同的证书，这样设备才能验证更新包的真实性。如前面一部分所示，将 -o 标志传递到 sign_target_files_apks 即可将测试密钥证书替换成您的证书目录中的发布密钥证书。

通常情况下，系统映像和 Recovery 映像存储的是相同的 OTA 公钥集。通过将密钥仅添加至 Recovery 密钥集，可对只能通过旁加载安装的 apk 包（假设主系统的更新下载机制正确地对照 otacerts.zip 进行验证）签名。您可以通过在产品定义中设置 PRODUCT_EXTRA_RECOVERY_KEYS 变量来指定其他仅可纳入 Recovery 中的密钥：

vendor/yoyodyne/tardis/products/tardis.mk

 [...]

PRODUCT_EXTRA_RECOVERY_KEYS := vendor/yoyodyne/security/tardis/sideload

其中包括 Recovery 密钥文件中的公钥 vendor/yoyodyne/security/tardis/sideload.x509.pem，因此它可以安装用此公钥签名的 apk 包。但 otacerts.zip 中不包含额外的密钥，因此正确验证下载包的系统不会针对用此密钥签名的 apk 包调用 Recovery。

证书和私钥

每个密钥都包含两个文件：一个是扩展名为 .x509.pem 的证书，另一个是扩展名为 .pk8 的私钥。私钥需要加以保密，并用于对 apk 包进行签名。密钥本身也可能受密码保护。相比之下，证书只包含公开的一半密钥，因此可以大范围地分发。证书被用于验证某个 apk 包是否由相应的私钥进行签名。

标准 Android 版本使用四个密钥，所有这些密钥都位于 build/target/product/security 中：

• testkey 适用于未另外指定密钥的 apk 包的通用默认密钥。
• 平台 适用于核心平台所包含的 apk 包的测试密钥。
• 共享 适用于家庭/联系人进程中的共享内容的测试密钥。
• 媒体 适用于媒体/下载系统所包含的 apk 包的测试密钥。

单个 apk 包通过在其 Android.mk 文件中设置 LOCAL_CERTIFICATE 来指定其中一个密钥。（如果未设置此变量，则使用 testkey。）您还可以通过路径名指定完全不同的密钥，例如：

device/yoyodyne/apps/SpecialApp/Android.mk

 [...]

LOCAL_CERTIFICATE := device/yoyodyne/security/special

现在，此版本使用 device/yoyodyne/security/special.{x509.pem,pk8} 密钥来对 SpecialApp.apk 进行签名。此版本仅可使用不受密码保护的私钥。

高级签名选项

APK 签名密钥替换
签名脚本 sign_target_files_apks 适用于为某个版本生成的目标文件。编译时使用的证书和私钥的所有相关信息都包含在目标文件中。在运行签名脚本以针对发布进行签名时，可以基于密钥名称或 APK 名称替换签名密钥。

使用 --key_mapping 和 --default_key_mappings 标记可基于密钥名称指定替换密钥：

• –key_mapping src_key=dest_key 标记用于每次指定一个替换密钥。
• –default_key_mappings dir 标记用于指定一个包含四个密钥的目录，以替换 build/target/product/security 中的所有密钥；这相当于使用四次 --key_mapping 来指定映射关系。

build/target/product/security/testkey  = dir/releasekey
build/target/product/security/platform = dir/platform
build/target/product/security/shared   = dir/shared
build/target/product/security/media    = dir/media

使用 --extra_apks apk_name1,apk_name2,...=key 标记可基于 APK 名称指定替换签名密钥。如果 key 留空，则脚本会将指定的 APK 视为已预签名。

对于假定的 tardis 产品，您需要五个受密码保护的密钥：四个用于替换 build/target/product/security 中的四个密钥，其余一个用于替换 SpecialApp 所需的另外一个密钥 device/yoyodyne/security/special（请参见上面的示例）。如果密钥位于以下文件中：

vendor/yoyodyne/security/tardis/releasekey.x509.pem
vendor/yoyodyne/security/tardis/releasekey.pk8
vendor/yoyodyne/security/tardis/platform.x509.pem
vendor/yoyodyne/security/tardis/platform.pk8
vendor/yoyodyne/security/tardis/shared.x509.pem
vendor/yoyodyne/security/tardis/shared.pk8
vendor/yoyodyne/security/tardis/media.x509.pem
vendor/yoyodyne/security/tardis/media.pk8
vendor/yoyodyne/security/special.x509.pem
vendor/yoyodyne/security/special.pk8           # NOT password protected
vendor/yoyodyne/security/special-release.x509.pem
vendor/yoyodyne/security/special-release.pk8   # password protected

那么您将对所有应用签名，如下所示：

./build/tools/releasetools/sign_target_files_apks \
    --default_key_mappings vendor/yoyodyne/security/tardis \
    --key_mapping vendor/yoyodyne/special=vendor/yoyodyne/special-release \
    --extra_apks PresignedApp= \
    -o tardis-target_files.zip \
    signed-tardis-target_files.zip

此时会显示以下内容：

Enter password for vendor/yoyodyne/security/special-release key>
Enter password for vendor/yoyodyne/security/tardis/media key>
Enter password for vendor/yoyodyne/security/tardis/platform key>
Enter password for vendor/yoyodyne/security/tardis/releasekey key>
Enter password for vendor/yoyodyne/security/tardis/shared key>
    signing: Phone.apk (vendor/yoyodyne/security/tardis/platform)
    signing: Camera.apk (vendor/yoyodyne/security/tardis/media)
    signing: Special.apk (vendor/yoyodyne/security/special-release)
    signing: Email.apk (vendor/yoyodyne/security/tardis/releasekey)
        [...]
    signing: ContactsProvider.apk (vendor/yoyodyne/security/tardis/shared)
    signing: Launcher.apk (vendor/yoyodyne/security/tardis/shared)
NOT signing: PresignedApp.apk
        (skipped due to special cert string)
rewriting SYSTEM/build.prop:
  replace:  ro.build.description=tardis-user Eclair ERC91 15449 test-keys
     with:  ro.build.description=tardis-user Eclair ERC91 15449 release-keys
  replace: ro.build.fingerprint=generic/tardis/tardis/tardis:Eclair/ERC91/15449:user/test-keys
     with: ro.build.fingerprint=generic/tardis/tardis/tardis:Eclair/ERC91/15449:user/release-keys
    signing: framework-res.apk (vendor/yoyodyne/security/tardis/platform)
rewriting RECOVERY/RAMDISK/default.prop:
  replace:  ro.build.description=tardis-user Eclair ERC91 15449 test-keys
     with:  ro.build.description=tardis-user Eclair ERC91 15449 release-keys
  replace: ro.build.fingerprint=generic/tardis/tardis/tardis:Eclair/ERC91/15449:user/test-keys
     with: ro.build.fingerprint=generic/tardis/tardis/tardis:Eclair/ERC91/15449:user/release-keys
using:
    vendor/yoyodyne/security/tardis/releasekey.x509.pem
for OTA package verification
done.

在提示用户输入所有受密码保护的密钥的密码后，脚本会使用发布密钥对输入目标 .zip 中的所有 APK 文件重新签名。在运行该命令之前，您还可以将 ANDROID_PW_FILE 环境变量设置为临时文件名；然后脚本会调用您的编辑器，允许您输入所有密钥的密码（采用该方式输入密码可能较为简便）。

APEX 签名密钥替换

Android 10 引入了 APEX 文件格式，用于安装较低级别的系统模块。如 APEX 签名中所述，每个 APEX 文件都会用两个密钥签名：一个用于 APEX 中的迷你文件系统映像，另一个用于整个 APEX。

针对发布进行签名时，APEX 文件的两个签名密钥会被替换为发布密钥。文件系统负载密钥用 --extra_apex_payload 标记指定，整个 APEX 文件签名密钥用 --extra_apks 标记指定。

对于 tardis 产品，假设对于 com.android.conscrypt.apex、com.android.media.apex 和 com.android.runtime.release.apex APEX 文件，您拥有以下密钥配置。

name="com.android.conscrypt.apex" public_key="PRESIGNED" private_key="PRESIGNED" container_certificate="PRESIGNED" container_private_key="PRESIGNED"
name="com.android.media.apex" public_key="PRESIGNED" private_key="PRESIGNED" container_certificate="PRESIGNED" container_private_key="PRESIGNED"
name="com.android.runtime.release.apex" public_key="vendor/yoyodyne/security/testkeys/com.android.runtime.avbpubkey" private_key="vendor/yoyodyne/security/testkeys/com.android.runtime.pem" container_certificate="vendor/yoyodyne/security/testkeys/com.google.android.runtime.release_container.x509.pem" container_private_key="vendor/yoyodyne/security/testkeys/com.google.android.runtime.release_container.pk8"

并且您拥有以下包含发布密钥的文件：

vendor/yoyodyne/security/runtime_apex_container.x509.pem
vendor/yoyodyne/security/runtime_apex_container.pk8
vendor/yoyodyne/security/runtime_apex_payload.pem

在对发布进行签名的过程中，以下命令会覆盖 com.android.runtime.release.apex 和 com.android.tzdata.apex 的签名密钥。特别是，系统会使用指定的发布密钥（对于 APEX 文件，为 runtime_apex_container；对于文件映像负载，则为 runtime_apex_payload）为 com.android.runtime.release.apex 签名。 com.android.tzdata.apex 会被视为已预签名。所有其他 APEX 文件都由目标文件中列出的默认配置处理。

./build/tools/releasetools/sign_target_files_apks \
    --default_key_mappings   vendor/yoyodyne/security/tardis \
    --extra_apks             com.android.runtime.release.apex=vendor/yoyodyne/security/runtime_apex_container \
    --extra_apex_payload_key com.android.runtime.release.apex=vendor/yoyodyne/security/runtime_apex_payload.pem \
    --extra_apks             com.android.media.apex= \
    --extra_apex_payload_key com.android.media.apex= \
    -o tardis-target_files.zip \
    signed-tardis-target_files.zip

运行以上命令会生成以下日志：

        [...]
    signing: com.android.runtime.release.apex                  container (vendor/yoyodyne/security/runtime_apex_container)
           : com.android.runtime.release.apex                  payload   (vendor/yoyodyne/security/runtime_apex_payload.pem)
NOT signing: com.android.conscrypt.apex
        (skipped due to special cert string)
NOT signing: com.android.media.apex
        (skipped due to special cert string)
        [...]

其他选项

sign_target_files_apks 签名脚本会在版本属性文件中重写版本描述和指纹，表明这是一个已签名的版本。–tag_changes 标记可以控制对指纹所做的编辑。使用 -h 运行脚本可以查看所有标记上的文档。

手动生成密钥

Android 使用公开指数为 3 的 2048 位 RSA 密钥。您可以使用 openssl.org 提供的 openssl 工具来生成证书/私钥对：

## generate RSA key
openssl genrsa -3 -out temp.pem 2048
Generating RSA private key, 2048 bit long modulus
....+++
.....................+++
e is 3 (0x3)


# create a certificate with the public part of the key
openssl req -new -x509 -key temp.pem -out releasekey.x509.pem -days 10000 -subj '/C=US/ST=California/L=San Narciso/O=Yoyodyne, Inc./OU=Yoyodyne Mobility/CN=Yoyodyne/[email protected]'

# create a PKCS#8-formatted version of the private key
openssl pkcs8 -in temp.pem -topk8 -outform DER -out releasekey.pk8 -nocrypt

# securely delete the temp.pem file
shred --remove temp.pem

上述 openssl pkcs8 命令可创建一个适用于该版本系统的 .pk8 文件，该文件未设置密码。要创建一个带有密码保护的 .pk8 文件（您应当为所有实际的发布密钥执行此步骤），请将 -nocrypt 参数替换为 -passout stdin；这样 openssl 将使用从标准输入中读取的密码来加密私钥。该过程中不会输出任何提示。因此，当系统确实只是在等待您输入密码时，如果 stdin 是终端，程序将会处于挂起状态。可以对 Passout 参数使用其他值，以便从其他位置读取密码；有关详情，请参阅 openssl 文档。

temp.pem 中间文件包含不受任何类型的密码保护的私钥，因此在生成发布密钥时应谨慎处理该文件。需要特别指出的是，GNUshred 实用程序可能对网络或日志文件系统无效。在生成密钥时，您可以使用位于 RAM 磁盘（如 tmpfs 分区）中的工作目录以确保中间文件不会无意间被暴露。

创建映像文件

一旦您签署了目标文件 .zip，您便需要创建映像，以便将其存放到设备上。要从目标文件中创建已签名的映像，请在 Android 树形结构的根目录下运行以下命令：

./build/tools/releasetools/img_from_target_files signed-target-files.zip signed-img.zip

生成的文件 signed-img.zip 中包含所有 .img 文件。要将映像加载到设备上，请使用 fastboot，如下所示：
fastboot update signed-img.zip