iOS用RSA保证下载资源可靠性-一一网

前言

有时需要在本地存储资源，并且从服务器下载资源，因为涉及到运行期间的安全性，有必要添加校验的逻辑，因此有了本文的一些思考。

ipa包被篡改的情况

首先思考的是ipa包的安全性问题。通过iTunes，我们可以下载ipa并且解压，修改包中的文件，再压缩成ipa包。

1、如果开发者A拿到应用P的ipa包，修改其中的任何文件，都会导致签名失效，ipa包无法安装。（签名存放在.app文件的_CodeSignature文件夹）
2、如果开发者B拿到应用P的ipa包，安装到自己手机中，再直接修改Bundle/Application 下的配置文件，此时应用P仍旧可以运行。
3、如果开发者C拿到应用P的ipa包，修改其中的某些配置文件，用自己的证书重签名并通过其他渠道发布出去，ipa包可以正常安装。

应用在正常使用过程中，app包的文件是无法修改的，只有越狱的机子才会出现情况2；情况3中重签名的ipa包无法上传AppStore。
真机app安装目录是 var/mobile/Containers/Bundle/Application
沙盒目录是 var/mobile/Containers/Data/Application
类似的，模拟的安装目录同样在/Bundle下，沙盒在/Data下；

下载资源的验证

下载的资源存在沙盒目录，在未越狱的情况下，开发者并不能修改其中的文件。但是，下载资源通常使用http/https进行资源下载，通过使用代理的方式，可以修改下载的资源（除非开启了https证书校验）。为了保证下载资源的可靠性，采用了一套基于RSA算法的验证方案，具体的要点有:
1、开发者产生一对密钥：公钥和私钥，私钥保存在配置平台（后台），公钥放到客户端。
2、当文件上传到配置平台后，配置平台对文件进摘要（hash）得到md5str，并私钥对md5str进行签名得到signStr，然后把文件和signStr下发给客户端。
3、客户端下载文件和signStr，计算文件的摘要（md5）得到md5str，用md5str和公钥验证signStr的有效性。

解释：
非对称加密算法的计算比较复杂，所以只对摘要（md5值）进行加密；
具体的流程图如下：

iOS的RSA算法

RSA算法的两种加密方式：

公钥加密，私钥解密。（一般用于公钥持有方（客户端）向私钥持有者（后台）发送消息）
私钥加密，公钥解密。（一般用于签名和验证，私钥加密相当于签名，公钥解密相当于验证）

苹果提供的Security.framework，有以下四个方法：

SecKeyEncrypt—encrypts a block of data using the specified key.（使用公钥对数据进行加密）
SecKeyDecrypt—decrypts a block of data using the specified key. （使用私钥对数据进行解密）
SecKeyRawSign—signs a block of data using the specified key.（使用私钥对数据签名）
SecKeyRawVerify—verifies a signature against a block of data and a specified key. （使用公钥对数字签名进行验证）

类比到OpenSSL，其提供了以下四个接口：

int     RSA_public_encrypt(int flen, const unsigned char *from,
                unsigned char *to, RSA *rsa,int padding);
int     RSA_private_encrypt(int flen, const unsigned char *from,
                unsigned char *to, RSA *rsa,int padding);
int     RSA_public_decrypt(int flen, const unsigned char *from,
                unsigned char *to, RSA *rsa,int padding);
int     RSA_private_decrypt(int flen, const unsigned char *from,
                unsigned char *to, RSA *rsa,int padding);
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因为RSA算法的计算量较大，一般不会直接使用RSA对数据进行加密，而是对AES的密匙进行加密，再用AES对数据加密。
RSA算法原理，这里有一篇详细介绍RSA算法原理的文章。

数字签名的保存

拿到后台下发的签名后，就需要保存签名，可以选择：保存在文件中、保存到NSUserDefault、保存到数据库等。除此之外，是否可以保存在文件属性？
写了一段代码进行测试：

    NSMutableDictionary *changedAttrDict = [[NSMutableDictionary alloc] init];
    [changedAttrDict setObject:@"loying" forKey:NSFileOwnerAccountName];
    [changedAttrDict setObject:@"NSFileGroupOwnerAccountName" forKey:NSFileGroupOwnerAccountName];
    [changedAttrDict setObject:[NSDate dateWithTimeIntervalSinceNow:3600] forKey:NSFileCreationDate];
    
    NSError *error;
    
    BOOL ret = [[NSFileManager defaultManager] setAttributes:changedAttrDict ofItemAtPath:encodedDataPath error:&error];
复制代码

经过测试，NSFileCreationDate这个属性是可以修改的；
NSFileGroupOwnerAccountName和NSFileOwnerAccountName不能修改（真机为@"mobile"）；模拟器不可以修改两个属性，最大的可能性是因为模拟器运行产生的文件，权限不够修改文件属性；
createDirectoryAtPath:withIntermediateDirectories:attributes:这个方法同样有这个限制。
写入文件属性还有其他的限制，当文件在不同硬盘格式（HFS+ and FAT32）拷贝的时候，文件附带的属性可能会消失。

NSFileProtectionKey 是后台模式下的文件读写

为了开发方便，可以选择保存到NSUserDefault的方式。
新建NSMutableDictionary，用文件作为key，用FileConfig作为value。FileConfig是验证相关的属性封装，便于后续开发。

1、NSUserDefault所有的属性最终会写入Libary/Preference/下的plist文件中，所以NSUserDefault中不能存储敏感信息。
2、如果遇到错误：Terminating app due to uncaught exception 'NSInvalidArgumentException', reason: 'Attempt to insert non-property list object

那是因为NSUserDefault只能存基本类型，如果dict里面存有自定义类型，需要先转成NSData再存储；（plist里面没有结构信息，只有key-value）

iOS接入步骤

上面介绍了基于RSA的下载资源验证方案，iOS具体的流程如下：

后台上传资源文件，配置平台对文件进行hash并用私钥进行签名得到签名串signature；
把文件和signature打包成zip包，下发到客户端；
客户端解压zip，得到文件和签名串signature，对文件进行hash，加载本地公钥，把hash值、signature、公钥传给Security.framework；
用Security.framework提供的SecKeyRawVerify方法对hash值、signature、公钥进行验证，如果通过则表示文件未修改。

1、zip解压

iOS平台上可以使用MiniZipArchive进行解压。

- (BOOL)unzipFile:(NSString *)file toFilePath:(NSString *)unZipFilePath overWrite:(BOOL)overWrite
{
    MiniZipArchive *za = [[MiniZipArchive alloc] init];
    BOOL success = NO;
    if ([za UnzipOpenFile:file]) {
        success = [za UnzipFileTo:unZipFilePath overWrite:overWrite];
        [za UnzipCloseFile];

    }
    return success;
}
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2、公钥和私钥的加载

.der格式和.pem格式：.der格式表示二进制编码，.pem格式表示Base64编码。
iOS的公钥需要用.der格式，私钥需要用.p12格式，这个可以用openssl的指令来转换。（指令见末尾）
加载的时候先用NSData加载密钥，再用下面的：
getPrivateKeyRefWithContentsOfFile: password:方法加载密钥；
getPublicKeyRefrenceFromeData:方法加载公钥；

//获取私钥
- (SecKeyRef)getPrivateKeyRefWithContentsOfFile:(NSData *)p12Data password:(NSString*)password {
    if (!p12Data) {
        return nil;
    }
    SecKeyRef privateKeyRef = NULL;
    NSMutableDictionary * options = [[NSMutableDictionary alloc] init];
    [options setObject: password forKey:(__bridge id)kSecImportExportPassphrase];
    CFArrayRef items = CFArrayCreate(NULL, 0, 0, NULL);
    OSStatus securityError = SecPKCS12Import((__bridge CFDataRef) p12Data, (__bridge CFDictionaryRef)options, &items);
    if (securityError == noErr && CFArrayGetCount(items) > 0) {
        CFDictionaryRef identityDict = CFArrayGetValueAtIndex(items, 0);
        SecIdentityRef identityApp = (SecIdentityRef)CFDictionaryGetValue(identityDict, kSecImportItemIdentity);
        securityError = SecIdentityCopyPrivateKey(identityApp, &privateKeyRef);
        if (securityError != noErr) {
            privateKeyRef = NULL;
        }
    }
    CFRelease(items);
    
    return privateKeyRef;
}

- (SecKeyRef)getPublicKeyRefrenceFromeData:(NSData *)certData {
    SecKeyRef publicKeyRef = NULL;
    CFDataRef myCertData = (__bridge CFDataRef)certData;
    SecCertificateRef cert = SecCertificateCreateWithData(NULL, (CFDataRef)myCertData);
    if (cert == nil) {
        NSLog(@"Can not read certificate ");
        return nil;
    }
    SecPolicyRef policy = SecPolicyCreateBasicX509();
    SecCertificateRef certArray[1] = {cert};
    CFArrayRef myCerts = CFArrayCreate(NULL, (void *)(void *)certArray, 1, NULL);
    SecTrustRef trust;
    OSStatus status = SecTrustCreateWithCertificates(myCerts, policy, &trust);
    if (status != noErr) {
        NSLog(@"SecTrustCreateWithCertificates fail. Error Code: %d", (int)status);
        CFRelease(cert);
        CFRelease(policy);
        CFRelease(myCerts);
        return nil;
    }
    SecTrustResultType trustResult;
    status = SecTrustEvaluate(trust, &trustResult);
    if (status != noErr) {
        NSLog(@"SecTrustEvaluate fail. Error Code: %d", (int)status);
        CFRelease(cert);
        CFRelease(policy);
        CFRelease(trust);
        CFRelease(myCerts);
        return nil;
    }
    publicKeyRef = SecTrustCopyPublicKey(trust);
    
    CFRelease(cert);
    CFRelease(policy);
    CFRelease(trust);
    CFRelease(myCerts);
    
    return publicKeyRef;
}

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3、私钥签名和公钥验证

加载完公钥和私钥之后，用私钥可以对原始数据进行签名，详见PKCSSignBytesSHA256withRSA方法，返回的是签名串；
在用zip解压出来的签名串进行验证的时候，需要用本地的公钥、原始数据和签名串进行验签，详见PKCSVerifyBytesSHA256withRSA方法；
注意的是，因为选择的算法是kSecPaddingPKCS1SHA256，需要对原始数据进行一次SHA256的hash。（kSecPaddingPKCS1SHA256只能用于SecKeyRawSign/SecKeyRawVerify）

BOOL PKCSVerifyBytesSHA256withRSA(NSData* plainData, NSData* signature, SecKeyRef publicKey)
{
    if (!plainData || !signature) { // 保护
        return NO;
    }
    size_t signedHashBytesSize = SecKeyGetBlockSize(publicKey);
    const void* signedHashBytes = [signature bytes];
    
    size_t hashBytesSize = CC_SHA256_DIGEST_LENGTH;
    uint8_t* hashBytes = malloc(hashBytesSize);
    if (!CC_SHA256([plainData bytes], (CC_LONG)[plainData length], hashBytes)) {
        return NO;
    }
    
    OSStatus status = SecKeyRawVerify(publicKey,
                                      kSecPaddingPKCS1SHA256,
                                      hashBytes,
                                      hashBytesSize,
                                      signedHashBytes,
                                      signedHashBytesSize);
    
    return status == errSecSuccess;
}

NSData* PKCSSignBytesSHA256withRSA(NSData* plainData, SecKeyRef privateKey)
{
    size_t signedHashBytesSize = SecKeyGetBlockSize(privateKey);
    uint8_t* signedHashBytes = malloc(signedHashBytesSize);
    memset(signedHashBytes, 0x0, signedHashBytesSize);
    
    size_t hashBytesSize = CC_SHA256_DIGEST_LENGTH;
    uint8_t* hashBytes = malloc(hashBytesSize);
    if (!CC_SHA256([plainData bytes], (CC_LONG)[plainData length], hashBytes)) {
        return nil;
    }
    
    SecKeyRawSign(privateKey,
                  kSecPaddingPKCS1SHA256,
                  hashBytes,
                  hashBytesSize,
                  signedHashBytes,
                  &signedHashBytesSize);
    
    NSData* signedHash = [NSData dataWithBytes:signedHashBytes
                                        length:(NSUInteger)signedHashBytesSize];
    
    if (hashBytes)
        free(hashBytes);
    if (signedHashBytes)
        free(signedHashBytes);
    
    return signedHash;
}
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4、签名串的保存

签名串可以使用setxattrf写入文件的扩展属性，保证签名串和资源的一一对应。

-(BOOL)setExtendValueWithPath:(NSString *)path key:(NSString *)key value:(NSData *)value {
    ssize_t writelen = setxattr([path fileSystemRepresentation],
                                [key UTF8String],
                                [value bytes],
                                [value length],
                                0,
                                0);
    return writelen == 0;
}
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比较奇怪的是，比较写入扩展属性之后的文件大小，并没有发生较大变化。在特意查询文档之后，发现下面一句话：
Space consumed for extended attributes is counted towards the disk quotasof the file owner and file group
原来扩展属性并不是写入文件，而是由文件系统来保存。

遇到的问题

1、验证失败，SecKeyRawVerify返回-9809

经常遇到的问题是，配置平台的签名在iOS客户端验证不通过，可以按照下面的流程检测：

首先是确保两端的公钥和私钥是一对；
配置平台签名完之后，用iOS客户端的公钥在本地验证；
确认两边使用的签名算法设置参数一致；
iOS客户端用配置平台的私钥进行签名，再用公钥进行验证；
对比配置平台的签名串和iOS的签名串；

openssl的验证命令
openssl dgst -sign private_key.pem -sha256 -out sign source
openssl dgst -verify rsa_public_key.pem -sha256 -signature sign source
如果验证通过会有文字提示：Verified OK

2、生成证书失败，openssl X509: 出现 `Expecting: TRUSTED CERTIFICATE`的错误

参考这些公钥和密钥的openssl生成命令
openssl genrsa -out private_key.pem 1024
openssl req -new -key private_key.pem -out rsaCertReq.csr
openssl x509 -req -days 3650 -in rsaCertReq.csr -signkey private_key.pem -out rsaCert.crt
openssl x509 -outform der -in rsaCert.crt -out public_key.der
openssl pkcs12 -export -out private_key.p12 -inkey private_key.pem -in rsaCert.crt