作者：bang，iOS 開發者，JSPatch 作者，做過推特中文圈和一些 iOS 獨立應用，曾在騰訊工作，開發 QQ 郵箱與微信讀書，現就職於螞蟻金服。
iOS 簽名機制挺複雜，各種證書，Provisioning
Profile，entitlements，CertificateSigningRequest，p12，AppID，概念一堆，也很容易出錯，本文嘗試從原理出發，一步步推出爲什麼會有這麼多概念，希望能有助於理解
iOS App 簽名的原理和流程。
目的
先來看看蘋果的簽名機制是爲了做什麼。在 iOS 出來之前，在主流操作系統(Mac/Windows/Linux)上開發和運行軟件是不需要簽名的，軟件隨便從哪裏下載都能運行，導致平臺對第三方軟件難以控制，盜版流行。蘋果希望解決這樣的問題，在 iOS 平臺對第三方 APP 有絕對的控制權，一定要保證每一個安裝到 iOS 上的 APP 都是經過蘋果官方允許的，怎樣保證呢？就是通過簽名機制。
非對稱加密
通常我們說的簽名就是數字簽名，它是基於非對稱加密算法實現的。對稱加密是通過同一份密鑰加密和解密數據，而非對稱加密則有兩份密鑰，分別是公鑰和私鑰，用公鑰加密的數據，要用私鑰才能解密，用私鑰加密的數據，要用公鑰才能解密。
簡單說一下常用的非對稱加密算法 RSA 的數學原理，理解簡單的數學原理，就可以理解非對稱加密是怎麼做到的，爲什麼會是安全的：
- 選兩個質數
p和q，相乘得出一個大整數n，例如 p=61，q=53，n=pq=3233 - 選 1-n 間的隨便一個質數
e，例如 e = 17 - 經過一系列數學公式，算出一個數字
d，滿足： a. 通過n和e這兩個數據一組數據進行數學運算後，可以通過 n 和 d 去反解運算，反過來也可以。 b. 如果只知道n和e，要推導出d，需要知道p和q，也就是要需要把 n 因數分解。
上述的 (n,e) 這兩個數據在一起就是公鑰，(n,d) 這兩個數據就是私鑰，滿足用公鑰加密，私鑰解密，或反過來公鑰加密，私鑰解密，也滿足在只暴露公鑰（只知道 n 和
e）的情況下，要推導出私鑰 (n,d)，需要把大整數 n 因數分解。目前因數分解只能靠暴力窮舉，而n數字越大，越難以用窮舉計算出因數 p 和 q，也就越安全，當 n 大到二進制
1024 位或 2048 位時，以目前技術要破解幾乎不可能，所以非常安全。
若對數字 d 是怎樣計算出來的感興趣，可以詳讀這兩篇文章：RSA 算法原理（一）（二）
數字簽名
現在知道了有非對稱加密這東西，那數字簽名是怎麼回事呢？
數字簽名的作用是我對某一份數據打個標記，表示我認可了這份數據（簽了個名），然後我發送給其他人，其他人可以知道這份數據是經過我認證的，數據沒有被篡改過。
有了上述非對稱加密算法，就可以實現這個需求：
- 首先用一種算法，算出原始數據的摘要。需滿足 a.若原始數據有任何變化，計算出來的摘要值都會變化。 b.摘要要夠短。這裏最常用的算法是MD5。
- 生成一份非對稱加密的公鑰和私鑰，私鑰我自己拿着，公鑰公佈出去。
- 對一份數據，算出摘要後，用私鑰加密這個摘要，得到一份加密後的數據，稱爲原始數據的簽名。把它跟原始數據一起發送給用戶。
- 用戶收到數據和簽名後，用公鑰解密得到摘要。同時用戶用同樣的算法計算原始數據的摘要，對比這裏計算出來的摘要和用公鑰解密簽名得到的摘要是否相等，若相等則表示這份數據中途沒有被篡改過，因爲如果篡改過，摘要會變化。
之所以要有第一步計算摘要，是因爲非對稱加密的原理限制可加密的內容不能太大（不能大於上述 n 的位數，也就是一般不能大於 1024 位/ 2048 位），於是若要對任意大的數據簽名，就需要改成對它的特徵值簽名，效果是一樣的。
好了，有了非對稱加密的基礎，知道了數字簽名是什麼，怎樣可以保證一份數據是經過某個地方認證的，來看看怎樣通過數字簽名的機制保證每一個安裝到 iOS 上的 APP 都是經過蘋果認證允許的。
最簡單的簽名
要實現這個需求很簡單，最直接的方式，蘋果官方生成一對公私鑰，在 iOS 裏內置一個公鑰，私鑰由蘋果後臺保存，我們傳 App 上 AppStore 時，蘋果後臺用私鑰對 APP 數據進行簽名，iOS 系統下載這個 APP 後，用公鑰驗證這個簽名，若簽名正確，這個 APP 肯定是由蘋果後臺認證的，並且沒有被修改過，也就達到了蘋果的需求：保證安裝的每一個 APP 都是經過蘋果官方允許的。
如果我們 iOS 設備安裝 APP 只有從 AppStore 下載這一種方式的話，這件事就結束了，沒有任何複雜的東西，只有一個數字簽名，非常簡單地解決問題。
但實際上因爲除了從 AppStore 下載，我們還可以有三種方式安裝一個 App：
- 開發 App 時可以直接把開發中的應用安裝進手機進行調試。
- In-House 企業內部分發，可以直接安裝企業證書籤名後的 APP。
- AD-Hoc 相當於企業分發的限制版，限制安裝設備數量，較少用。
蘋果要對用這三種方式安裝的 App 進行控制，就有了新的需求，無法像上面這樣簡單了。
新的需求
我們先來看第一個，開發時安裝APP，它有兩個個需求：
- 安裝包不需要傳到蘋果服務器，可以直接安裝到手機上。如果你編譯一個 APP 到手機前要先傳到蘋果服務器簽名，這顯然是不能接受的。
- 蘋果必須對這裏的安裝有控制權，包括 a.經過蘋果允許纔可以這樣安裝。 b.不能被濫用導致非開發app也能被安裝。
爲了實現這些需求，iOS 簽名的複雜度也就開始增加了。
蘋果這裏給出的方案是使用了雙層簽名，會比較繞，流程大概是這樣的：
- 在你的 Mac 開發機器生成一對公私鑰，這裏稱爲公鑰L，私鑰L。L:Local
- 蘋果自己有固定的一對公私鑰，跟上面 AppStore 例子一樣，私鑰在蘋果後臺，公鑰在每個 iOS 設備上。這裏稱爲公鑰A，私鑰A。A:Apple
- 把公鑰 L 傳到蘋果後臺，用蘋果後臺裏的私鑰 A 去簽名公鑰 L。得到一份數據包含了公鑰 L 以及其簽名，把這份數據稱爲證書。
- 在開發時，編譯完一個 APP 後，用本地的私鑰 L 對這個 APP 進行簽名，同時把第三步得到的證書一起打包進 APP 裏，安裝到手機上。
- 在安裝時，iOS 系統取得證書，通過系統內置的公鑰 A，去驗證證書的數字簽名是否正確。
- 驗證證書後確保了公鑰 L 是蘋果認證過的，再用公鑰 L 去驗證 APP 的簽名，這裏就間接驗證了這個 APP 安裝行爲是否經過蘋果官方允許。（這裏只驗證安裝行爲，不驗證APP 是否被改動，因爲開發階段 APP 內容總是不斷變化的，蘋果不需要管。）
加點東西
上述流程只解決了上面第一個需求，也就是需要經過蘋果允許纔可以安裝，還未解決第二個避免被濫用的問題。怎麼解決呢？蘋果再加了兩個限制，一是限制在蘋果後臺註冊過的設備纔可以安裝，二是限制簽名只能針對某一個具體的 APP。
怎麼加的？在上述第三步，蘋果用私鑰 A 簽名我們本地公鑰 L 時，實際上除了簽名公鑰 L，還可以加上無限多數據，這些數據都可以保證是經過蘋果官方認證的，不會有被篡改的可能。
可以想到把 允許安裝的設備 ID 列表 和 App對應的 AppID 等數據，都在第三步這裏跟公鑰L一起組成證書，再用蘋果私鑰 A 對這個證書籤名。在最後第 5 步驗證時就可以拿到設備 ID 列表，判斷當前設備是否符合要求。根據數字簽名的原理，只要數字簽名通過驗證，第 5 步這裏的設備 IDs / AppID / 公鑰 L 就都是經過蘋果認證的，無法被修改，蘋果就可以限制可安裝的設備和 APP，避免濫用。
最終流程
到這裏這個證書已經變得很複雜了，有很多額外信息，實際上除了 設備 ID / AppID，還有其他信息也需要在這裏用蘋果簽名，像這個 APP 裏 iCloud / push / 後臺運行 等權限蘋果都想控制，蘋果把這些權限開關統一稱爲 Entitlements，它也需要通過簽名去授權。
實際上一個“證書”本來就有規定的格式規範，上面我們把各種額外信息塞入證書裏是不合適的，於是蘋果另外搞了個東西，叫 Provisioning Profile，一個 Provisioning Profile 裏就包含了證書以及上述提到的所有額外信息，以及所有信息的簽名。
所以整個流程稍微變一下，就變成這樣了：
因爲步驟有小變動，這裏我們不辭囉嗦重新再列一遍整個流程：
- 在你的 Mac 開發機器生成一對公私鑰，這裏稱爲公鑰L，私鑰L。L:Local
- 蘋果自己有固定的一對公私鑰，跟上面 AppStore 例子一樣，私鑰在蘋果後臺，公鑰在每個 iOS 設備上。這裏稱爲公鑰A，私鑰A。A:Apple
- 把公鑰 L 傳到蘋果後臺，用蘋果後臺裏的私鑰 A 去簽名公鑰 L。得到一份數據包含了公鑰 L 以及其簽名，把這份數據稱爲證書。
- 在蘋果後臺申請 AppID，配置好設備 ID 列表和 APP 可使用的權限，再加上第③步的證書，組成的數據用私鑰 A 簽名，把數據和簽名一起組成一個 Provisioning Profile 文件，下載到本地 Mac 開發機。
- 在開發時，編譯完一個 APP 後，用本地的私鑰 L 對這個 APP 進行簽名，同時把第④步得到的 Provisioning Profile 文件打包進 APP 裏，文件名爲
embedded.mobileprovision，把 APP 安裝到手機上。 - 在安裝時，iOS 系統取得證書，通過系統內置的公鑰 A，去驗證
embedded.mobileprovision的數字簽名是否正確，裏面的證書籤名也會再驗一遍。 - 確保了
embedded.mobileprovision裏的數據都是蘋果授權以後，就可以取出裏面的數據，做各種驗證，包括用公鑰 L 驗證APP簽名，驗證設備 ID 是否在 ID 列表上，AppID 是否對應得上，權限開關是否跟 APP 裏的 Entitlements 對應等。
開發者證書從簽名到認證最終蘋果採用的流程大致是這樣，還有一些細節像證書有效期/證書類型等就不細說了。
概念和操作
上面的步驟對應到我們平常具體的操作和概念是這樣的：
- 第 1 步對應的是 keychain 裏的 “從證書頒發機構請求證書”，這裏就本地生成了一堆公私鑰，保存的
CertificateSigningRequest就是公鑰，私鑰保存在本地電腦裏。 - 第 2 步蘋果處理，不用管。
- 第 3 步對應把
CertificateSigningRequest傳到蘋果後臺生成證書，並下載到本地。這時本地有兩個證書，一個是第 1 步生成的，一個是這裏下載回來的，keychain 會把這兩個證書關聯起來，因爲他們公私鑰是對應的，在XCode選擇下載回來的證書時，實際上會找到 keychain 裏對應的私鑰去簽名。這裏私鑰只有生成它的這臺 Mac 有，如果別的 Mac 也要編譯簽名這個 App 怎麼辦？答案是把私鑰導出給其他 Mac 用，在 keychain 裏導出私鑰，就會存成.p12文件，其他 Mac 打開後就導入了這個私鑰。 - 第 4 步都是在蘋果網站上操作，配置 AppID / 權限 / 設備等，最後下載 Provisioning Profile 文件。
- 第 5 步 XCode 會通過第 3 步下載回來的證書（存着公鑰），在本地找到對應的私鑰（第一步生成的），用本地私鑰去簽名 App，並把 Provisioning Profile 文件命名爲
embedded.mobileprovision一起打包進去。這裏對 App 的簽名數據保存分兩部分，Mach-O 可執行文件會把簽名直接寫入這個文件裏，其他資源文件則會保存在_CodeSignature目錄下。
第 6 - 7 步的打包和驗證都是 Xcode 和 iOS 系統自動做的事。
這裏再總結一下這些概念：
- 證書：內容是公鑰或私鑰，由其他機構對其簽名組成的數據包。
- Entitlements：包含了 App 權限開關列表。
- CertificateSigningRequest：本地公鑰。
- p12：本地私鑰，可以導入到其他電腦。
- Provisioning Profile：包含了 證書 / Entitlements 等數據，並由蘋果後臺私鑰簽名的數據包。
其他發佈方式
前面以開發包爲例子說了簽名和驗證的流程，另外兩種方式 In-House 企業簽名和 AD-Hoc 流程也是差不多的，只是企業簽名不限制安裝的設備數，另外需要用戶在 iOS 系統設置上手動點擊信任這個企業才能通過驗證。
而 AppStore 的簽名驗證方式有些不一樣，前面我們說到最簡單的簽名方式，蘋果在後臺直接用私鑰簽名 App 就可以了，實際上蘋果確實是這樣做的，如果去下載一個 AppStore 的安裝包，會發現它裏面是沒有 embedded.mobileprovision 文件的，也就是它安裝和啓動的流程是不依賴這個文件，驗證流程也就跟上述幾種類型不一樣了。
據猜測，因爲上傳到 AppStore 的包蘋果會重新對內容加密，原來的本地私鑰簽名就沒有用了，需要重新簽名，從 AppStore 下載的包蘋果也並不打算控制它的有效期，不需要內置一個 embedded.mobileprovision 去做校驗，直接在蘋果用後臺的私鑰重新簽名，iOS
安裝時用本地公鑰驗證 App 簽名就可以了。
那爲什麼發佈 AppStore 的包還是要跟開發版一樣搞各種證書和 Provisioning Profile？猜測因爲蘋果想做統一管理，Provisioning Profile 裏包含一些權限控制，AppID 的檢驗等，蘋果不想在上傳 AppStore 包時重新用另一種協議做一遍這些驗證，就不如統一把這部分放在 Provisioning Profile 裏，上傳 AppStore 時只要用同樣的流程驗證這個 Provisioning Profile 是否合法就可以了。
所以 App 上傳到 AppStore 後，就跟你的 證書 / Provisioning Profile 都沒有關係了，無論他們是否過期或被廢除，都不會影響 AppStore 上的安裝包。
到這裏 iOS 簽名機制的原理和主流程大致說完了，希望能對理解蘋果簽名和排查日常簽名問題有所幫助。
P.S.一些疑問
最後這裏再提一下我關於簽名流程的一些的疑問。
企業證書
企業證書籤名因爲限制少，在國內被廣泛用於測試和盜版，fir.im / 蒲公英等測試平臺都是通過企業證書分發，國內一些市場像 PP 助手，愛思助手，一部分安裝手段也是通過企業證書重簽名。通過企業證書籤名安裝的 App，啓動時都會驗證證書的有效期，並且不定期請求蘋果服務器看證書是否被吊銷，若已過期或被吊銷，就會無法啓動 App。對於這種助手的盜版安裝手段，蘋果想打擊只能一個個吊銷企業證書，並沒有太好的辦法。
這裏我的疑問是，蘋果做了那麼多簽名和驗證機制去限制在 iOS 安裝 App，爲什麼又要出這樣一個限制很少的方式讓盜版鑽空子呢？若真的是企業用途不適合上 AppStore，也完全可以在 AppStore 開闢一個小的私密版塊，還是通過 AppStore 去安裝，就不會有這個問題了。
AppStore 加密
另一個問題是我們把 App 傳上 AppStore 後，蘋果會對 App 進行加密，導致 App 體積增大不少，這個加密實際上是沒卵用的，只是讓破解的人要多做一個步驟，運行 App 去內存 dump 出可執行文件而已，無論怎樣加密，都可以用這種方式拿出加密前的可執行文件。所以爲什麼要做這樣的加密呢？想不到有什麼好處。
本地私鑰
我們看到前面說的簽名流程很繞很複雜，經常出現各種問題，像有 Provisioning Profile 文件但證書又不對，本地有公鑰證書沒對應私鑰等情況，不理解原理的情況下會被繞暈，我的疑問是，這裏爲什麼不能簡化呢？還是以開發證書爲例，爲什麼一定要用本地 Mac 生成的私鑰去簽名？蘋果要的只是本地簽名，私鑰不一定是要本地生成的，蘋果也可以自己生成一對公私鑰給我們，放在 Provisioning Profile 裏，我們用裏面的私鑰去加密就行了，這樣就不會有 CertificateSigningRequest 和 p12 的概念，跟本地
keychain 沒有關係，不需要關心證書，只要有 Provisioning Profile 就能簽名，流程會減少，易用性會提高很多，同時蘋果想要的控制一點都不會少，也沒有什麼安全問題，爲什麼不這樣設計呢？
能想到的一個原因是 Provisioning Profile 在非 AppStore 安裝時會打包進安裝包，第三方拿到這個 Provisioning Profile 文件就能直接用起來給他自己的 App 簽名了。但這種問題也挺好解決，只需要打包時去掉文件裏的私鑰就行了，所以仍不明白爲什麼這樣設計。