增量安装是Android AAB的一项重要功能。它允许用户在更新应用程序时只下载和安装所需的更改部分，而不是整个应用程序包。这种方式可以显著减少下载时间和数据使用量，提供更高效的用户体验。通过Android AAB增量安装，用户可以快速获取最新版本的应用程序，并且无需耗费过多网络资源。(增量测试如何组装模块)(增量下载啥意思)

由于移动终端上大型应用程序的频繁更新迭代，下载应用商店中的大型安装包已成为用户的一大困扰。为了满足用户需求，应用开发者需要改变现有的整包安装方案。

在传统的应用安装方案中，开发者需要通过ADB（Android Debug Bridge）与终端用户建立有线或无线连接，或者用户直接从软件商店下载。然而，这种方案要求用户等待完整的安装包传输完成后才能开始安装，导致了不良的用户体验。

增量安装技术是一种流式的安装方案：只要核心文件传输完成，应用就可以立即启动。流式安装允许优先传输核心数据以启动应用，并在后台持续传输剩余数据。

APK的核心数据包括可执行文件和重要的资源文件等。在开始数据传输之前，ADB会优先筛选出安装包中的核心文件进行传输。一旦移动设备接收到启动应用所需的核心数据块，该应用程序就可以在虚拟文件系统上启动了。

在Android 11中，Google已经在内核中引入了增量文件系统，以支持增量安装功能。更多详细信息，请参考https://source.android.com/devices/architecture/kernel/incfs。

Android OS现在支持通过ADB进行APK的流式传输，这一特性使得安装过程更加高效。此外，为了满足增量安装的需求，Android 11还引入了全新的V4签名方案。

我们的方案不会改变之前的签名方案，而是引入了一种全新的签名方式。该方式基于APK所有字节数据计算出Merkle哈希树，并将Merkle树的根哈希和盐值作为签名数据，用于验证包完整性。这些新的签名数据将保存在.idsig文件中，并且在进行增量安装之前，必须为APK创建相应的V4签名文件。

二、增量安装

上图所示为增量安装的基本框架[1]。

ADB会筛选出需要优先传输的文件，并通过增量文件流传递数据。同时，在传输过程中，还会生成传输日志并向开发者提供。

在移动设备上，有一个专门的增量文件系统内核模块，用于在操作系统中实现增量服务。这个增量服务负责接收来自ADB的增量安装请求，并通知增量文件系统内核模块和包管理器(Package Manager)启动相应的增量安装流程，并跟踪应用程序的安装过程。

在收到增量安装请求后，增量文件系统内核模块会接收来自ADB的APK核心数据，并将其存放在增量文件系统内部。

增量文件系统是一种虚拟文件系统，它在设备文件系统上运行。当接收到APK的核心数据文件时，它会为整个包分配空间，并创建APK包的虚拟文件以进行增量安装。

核心数据安装完毕后便可在设备上显示应用图标和应用所在目录。在用户启动应用后，ADB将在后台继续传输剩余的APK包数据。

上图所示为ADB优先选择的APK核心文件。ADB以增量的方式将APK数据传输给移动设备。预先传输的数据可以让APK提前启动。ADB追踪正在传输的数据并创建日志文件并提供给应用开发者。

三、Merkle树

Android V4签名方案的签名和验证采用了基于Merkle树的算法。

Merkle树最初的设计目的是为了解决两个问题：一是单一Lamport密钥无法签署多条信息，二是在处理大量信息时公钥会变得过长[2]。

Merkle树本质上是将一系列Lamport公钥组合在一起，并用哈希函数计算出一个统一的公钥，这个公钥便是Merkle树的根哈希。

接下来将介绍如何利用Merkle树生成和验证签名的过程。

关于下图所示的Merkle树：

• 数据块1~数据块4有各自的密钥对(Xi,Yi)，

• 每个数据块的公钥计算哈希值hi=H(Yi)，并将其作为叶子节点添加到Merkle树中。

• 通过合并其子节点的值并计算哈希，非叶子节点的值得以生成。

以节点a1,0的计算为例，可以将其表示为a1,0=H(a0,0||a0,1)。

通过这种方式，我们可以逐步计算出根节点的哈希值，并构建Merkle树。最终，我们将根节点的值作为公钥来验证签名。

签名包括对数据块进行加密的密钥以及验证该密钥的路径。这个验证路径是从叶子节点到根节点路径上所有兄弟节点的集合。

在验证Merkle树签名时，首先需要验证数据块的一次性签名，并进一步确认公钥的准确性。

以数据块1为例，首先要验证密钥对(X0,Y0)是否匹配正确；

如果要验证Y0的正确性，可以根据a0,0的验证路径和根哈希进行验证。

节点a[0,0]的验证路径经过a[0,1]和a[1,1]。

通过a[0,0]与a[0,1]可计算出a[1,0]，a[1,0]与a[1,1]可计算出根节点a[2,0]，与Merkle树的公钥进行对比，若一致接收签名。

四、V4签名

V4签名是基于APK字节计算的Merkle树，用于文件验证。

V4签名的数据结构被保存在.idsig文件中，其中包含了用于验证签名的根哈希。

当前仅支持版本2的V4Signature结构。该结构包含一个int32类型的version字段，以及一个sized_bytes类型的hashing_info字段。 
template <class SizeT>struct sized_bytes {SizeT size;byte bytes[size];};
 
hashing_info 保存着哈希树的相关信息：哈希算法（SHA256）、数据块大小（4KB），盐值、根哈希。hashing_info的定义如下：
 
public static class HashingInfo {
    public final int hashAlgorithm;
    public final byte log2BlockSize;
    public final byte checksumType;

    public HashingInfo(int hashAlgorithm, byte log2BlockSize, byte checksumType) {
        this.hashAlgorithm = hashAlgorithm;
        this.log2BlockSize = log2BlockSize;
        this.checksumType = checksumType;
    }
} 
public static class SigningInfo {
    public final byte[] apkDigest;
    public final byte[] certificate;
    public final byte[] publicKey;

    public SigningInfo(byte[] apkDigest, byte[] certificate, byte[] publicKey) {
        this.apkDigest = apkDigest;
        this.certificate = certificate;
        this.publicKey = publicKey;
    }
} 
首先以自底向上的方式生成Merkle树，如下图所示：

 我们首先将APK的源数据划分为多个4KB的数据块，如果源文件最后部分不足4KB，则进行零填充来凑足4KB；
 
接下来，我们对这些4KB的数据块进行SHA256计算，以获取32B的哈希值。这些哈希值将构成Merkle树的第一层。
 
为了生成Merkle树的第二层，需要将第一层的哈希值进行组合。组合的方法是按顺序将第一层的128个哈希值组成4KB大小的数据块。如果不足4KB，则用零进行填充。最后，对这些4KB块进行SHA256计算，得到Merkle树的第二层。
 
从那一点开始，以此类推，直到计算出Merkle数的根哈希。生成的哈希树将以V4Signature的形式保存在.idsig文件中。
 
通过根哈希计算Hashinfo结构，然后利用Hashinfo和APK摘要生成V4签名。
 
当ADB请求进行增量安装时，PMS会从.idsig文件中提取原生签名，并将其封装在V4Signature对象中。在验证过程中，PMS会从V4Signature对象获取签名数据和公钥，并采用与上一代签名方案类似的方式进行验证。
 
五、总结
 
本文主要探讨了增量安装技术的应用框架和安卓V4签名方案的理论基础。以增量安装和V4签名方案为切入点，详细介绍了增量安装技术的应用框架以及V4签名方案的理论依据。
 
总结而言，增量安装是一种流式安装技术，可以快速启动应用程序。V4签名是为了支持增量安装而设计的一种具有Merkle树结构的签名。
 
在可预见的未来，增量安装和V4签名都将具有更广泛的应用场景。
 
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