iOS 用 RSA 保證下載資源可靠性

iOS的RSA算法

RSA算法的兩種加密方式：

• 公鑰加密，私鑰解密。（一般用于公鑰持有方（客戶(hù)端）向私鑰持有者（后臺(tái)）發(fā)送消息）
• 私鑰加密，公鑰解密。（一般用于簽名和驗(yàn)證，私鑰加密相當(dāng)于簽名，公鑰解密相當(dāng)于驗(yàn)證）

蘋(píng)果提供的Security.framework，有以下四個(gè)方法：

• SecKeyEncrypt—encrypts a block of data using the specified key.（使用公鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密）
• SecKeyDecrypt—decrypts a block of data using the specified key. （使用私鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解密）
• SecKeyRawSign—signs a block of data using the specified key.（使用私鑰對(duì)數(shù)據(jù)簽名）
• SecKeyRawVerify—verifies a signature against a block of data and a specified key. （使用公鑰對(duì)數(shù)字簽名進(jìn)行驗(yàn)證）

類(lèi)比到OpenSSL，其提供了以下四個(gè)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);

因?yàn)镽SA算法的計(jì)算量較大，一般不會(huì)直接使用RSA對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，而是對(duì)AES的密匙進(jìn)行加密，再用AES對(duì)數(shù)據(jù)加密。
RSA算法原理 ，這里有一篇詳細(xì)介紹RSA算法原理的文章。

數(shù)字簽名的保存

拿到后臺(tái)下發(fā)的簽名后，就需要保存簽名，可以選擇：保存在文件中、保存到NSUserDefault、保存到數(shù)據(jù)庫(kù)等。除此之外，是否可以保存在文件屬性？
寫(xiě)了一段代碼進(jìn)行測(cè)試：

    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];

經(jīng)過(guò)測(cè)試，NSFileCreationDate這個(gè)屬性是可以修改的；
NSFileGroupOwnerAccountName和NSFileOwnerAccountName不能修改（真機(jī)為@"mobile"）；模擬器不可以修改兩個(gè)屬性，最大的可能性是因?yàn)槟M器運(yùn)行產(chǎn)生的文件，權(quán)限不夠修改文件屬性；
createDirectoryAtPath:withIntermediateDirectories:attributes:這個(gè)方法同樣有這個(gè)限制。
寫(xiě)入文件屬性還有其他的限制，當(dāng)文件在不同硬盤(pán)格式（HFS+ and FAT32）拷貝的時(shí)候，文件附帶的屬性可能會(huì)消失。

NSFileProtectionKey 是后臺(tái)模式下的文件讀寫(xiě)

為了開(kāi)發(fā)方便，可以選擇保存到NSUserDefault的方式。
新建NSMutableDictionary，用文件作為key，用FileConfig作為value。FileConfig是驗(yàn)證相關(guān)的屬性封裝，便于后續(xù)開(kāi)發(fā)。

1、NSUserDefault所有的屬性最終會(huì)寫(xiě)入Libary/Preference/下的plist文件中，所以NSUserDefault中不能存儲(chǔ)敏感信息。
2、如果遇到錯(cuò)誤：Terminating app due to uncaught exception 'NSInvalidArgumentException', reason: 'Attempt to insert non-property list object

那是因?yàn)镹SUserDefault只能存基本類(lèi)型，如果dict里面存有自定義類(lèi)型，需要先轉(zhuǎn)成NSData再存儲(chǔ)；（plist里面沒(méi)有結(jié)構(gòu)信息，只有key-value）

iOS接入步驟

上面介紹了基于RSA的下載資源驗(yàn)證方案，iOS具體的流程如下：

• 后臺(tái)上傳資源文件，配置平臺(tái)對(duì)文件進(jìn)行hash并用私鑰進(jìn)行簽名得到簽名串signature；
• 把文件和signature打包成zip包，下發(fā)到客戶(hù)端；
• 客戶(hù)端解壓zip，得到文件和簽名串signature，對(duì)文件進(jìn)行hash，加載本地公鑰，把hash值、signature、公鑰傳給Security.framework；
• 用Security.framework提供的SecKeyRawVerify方法對(duì)hash值、signature、公鑰進(jìn)行驗(yàn)證，如果通過(guò)則表示文件未修改。

1、zip解壓

iOS平臺(tái)上可以使用MiniZipArchive進(jìn)行解壓。

- (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;
}

2、公鑰和私鑰的加載

.der格式和.pem格式：.der格式表示二進(jìn)制編碼，.pem格式表示Base64編碼。
iOS的公鑰需要用.der格式，私鑰需要用.p12格式，這個(gè)可以用openssl的指令來(lái)轉(zhuǎn)換。（指令見(jiàn)末尾）
加載的時(shí)候先用NSData加載密鑰，再用下面的：
getPrivateKeyRefWithContentsOfFile: password:方法加載密鑰；
getPublicKeyRefrenceFromeData:方法加載公鑰；

//獲取私鑰
- (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;
}

3、私鑰簽名和公鑰驗(yàn)證

加載完公鑰和私鑰之后，用私鑰可以對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行簽名，詳見(jiàn)PKCSSignBytesSHA256withRSA方法，返回的是簽名串；
在用zip解壓出來(lái)的簽名串進(jìn)行驗(yàn)證的時(shí)候，需要用本地的公鑰、原始數(shù)據(jù)和簽名串進(jìn)行驗(yàn)簽，詳見(jiàn)PKCSVerifyBytesSHA256withRSA方法；
注意的是，因?yàn)檫x擇的算法是kSecPaddingPKCS1SHA256，需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行一次SHA256的hash。（kSecPaddingPKCS1SHA256只能用于SecKeyRawSign/SecKeyRawVerify）

BOOL PKCSVerifyBytesSHA256withRSA(NSData* plainData, NSData* signature, SecKeyRef publicKey)
{
    if (!plainData || !signature) { // 保護(hù)
        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;
}

4、簽名串的保存

簽名串可以使用setxattrf寫(xiě)入文件的擴(kuò)展屬性，保證簽名串和資源的一一對(duì)應(yīng)。

-(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;
}

比較奇怪的是，比較寫(xiě)入擴(kuò)展屬性之后的文件大小，并沒(méi)有發(fā)生較大變化。在特意查詢(xún)文檔之后，發(fā)現(xiàn)下面一句話(huà)：Space consumed for extended attributes is counted towards the disk quotasof the file owner and file group 原來(lái)擴(kuò)展屬性并不是寫(xiě)入文件，而是由文件系統(tǒng)來(lái)保存。

遇到的問(wèn)題

1、驗(yàn)證失敗，SecKeyRawVerify返回-9809

經(jīng)常遇到的問(wèn)題是，配置平臺(tái)的簽名在iOS客戶(hù)端驗(yàn)證不通過(guò)，可以按照下面的流程檢測(cè)：

• 首先是確保兩端的公鑰和私鑰是一對(duì)；
• 配置平臺(tái)簽名完之后，用iOS客戶(hù)端的公鑰在本地驗(yàn)證；
• 確認(rèn)兩邊使用的簽名算法設(shè)置參數(shù)一致；
• iOS客戶(hù)端用配置平臺(tái)的私鑰進(jìn)行簽名，再用公鑰進(jìn)行驗(yàn)證；
• 對(duì)比配置平臺(tái)的簽名串和iOS的簽名串；

openssl的驗(yàn)證命令
openssl dgst \-sign private_key.pem \-sha256 \-out sign source
openssl dgst \-verify rsa_public_key.pem \-sha256 \-signature sign source
如果驗(yàn)證通過(guò)會(huì)有文字提示：Verified OK

2、生成證書(shū)失敗，openssl X509: 出現(xiàn) Expecting: TRUSTED CERTIFICATE的錯(cuò)誤

參考這些公鑰和密鑰的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

參考自GithubGist

總結(jié)

任何手段都無(wú)法完全防止惡意的攻擊，只能提高門(mén)檻。RSA不僅是可以保證資源不被篡改，也可以作為一種驗(yàn)證，檢查資源是否因?yàn)楦鞣N原因出現(xiàn)的文件缺失。

附錄

iOS使用Security.framework進(jìn)行RSA 加密解密簽名和驗(yàn)證簽名
http://www.cnblogs.com/cocoajin/p/6183443.html

http://blog.methodname.com/da-zao-yin-xing-ji-jia-mi/

Signing and Verifying on iOS using RSA
https://stackoverflow.com/questions/21724337/signing-and-verifying-on-ios-using-rsa

xattr manpages
http://manpages.ubuntu.com/manpages/xenial/man7/xattr.7.html

demo地址
https://github.com/loyinglin/LearnRSA