如何保護Java程序

2019-11-18 13:24:52

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　　java是一種跨平臺的、解釋型語言。Java 源代碼編譯中間“字節碼”存儲于class文件中。Class文件是一種字節碼形式的中間代碼，該字節碼中包括了很多源代碼的信息，例如變量名、方法名等。因此，Java中間代碼的反編譯就變得非常輕易。目前市場上有許多免費的、商用的反編譯軟件，都能夠生成高質量的反編譯后的源代碼。所以，對開發人員來說，如何保護Java程序就變成了一個非常重要的挑戰。本文首先討論了保護Java程序的基本方法，然后對代碼混淆問題進行深入研究，最后結合一個實際的應用程序，分析如何在實踐中保護Java程序。
　　
　　反編譯成為保護Java程序的最大挑戰
　　
　　通常C、C++等編程語言開發的程序都被編譯成目標代碼，這些目標代碼都是本機器的二進制可執行代碼。通常所有的源文件被編譯、鏈接成一個可執行文件。在這些可執行文件中，編譯器刪除了程序中的變量名稱、方法名稱等信息，這些信息往往是由內存地址表示，例如假如需要使用一個變量，往往是通過這個變量的地址來訪問的。因此，反編譯這些本地的目標代碼就是非常困難的。
　　
　　Java語言的出現，使得反編譯變得非常輕易而有效。原因如下：1.由于跨平臺的需求，Java的指令集比較簡單而通用，較輕易得出程序的語義信息；2.Java編譯器將每一個類編譯成一個單獨的文件，這也簡化了反編譯的工作；3.Java 的Class文件中，仍然保留所有的方法名稱、變量名稱，并且通過這些名稱來訪問變量和方法，這些符號往往帶有許多語義信息。由于Java程序自身的特點，對于不經過處理的Java程序反編譯的效果非常好。
　　
　　目前，市場上有許多Java的反編譯工具，有免費的，也有商業使用的，還有的是開放源代碼的。這些工具的反編譯速度和效果都非常不錯。好的反編譯軟件，能夠反編譯出非常接近源代碼的程序。因此，通過反編譯器，黑客能夠對這些程序進行更改，或者復用其中的程序。因此，如何保護Java程序不被反編譯，是非常重要的一個問題。
　　
　　常用的保護技術
　　
　　由于Java字節碼的抽象級別較高，因此它們較輕易被反編譯。本節介紹了幾種常用的方法，用于保護Java字節碼不被反編譯。通常，這些方法不能夠絕對防止程序被反編譯，而是加大反編譯的難度而已，因為這些方法都有自己的使用環境和弱點。
　　
　　隔離Java程序
　　
　　最簡單的方法就是讓用戶不能夠訪問到Java Class程序，這種方法是最根本的方法，具體實現有多種方式。例如，開發人員可以將要害的Java Class放在服務器端，客戶端通過訪問服務器的相關接口來獲得服務，而不是直接訪問Class文件。這樣黑客就沒有辦法反編譯Class文件。目前，通過接口提供服務的標準和協議也越來越多，例如 HTTP、Web Service、RPC等。但是有很多應用都不適合這種保護方式，例如對于單機運行的程序就無法隔離Java程序。這種保護方式見圖1所示。
　　
　　　如何保護Java程序（圖一）

　　圖1隔離Java程序示意圖
　　
　　對Class文件進行加密
　　
　　為了防止Class文件被直接反編譯，許多開發人員將一些要害的Class文件進行加密，例如對注冊碼、序列號治理相關的類等。在使用這些被加密的類之前，程序首先需要對這些類進行解密，而后再將這些類裝載到JVM當中。這些類的解密可以由硬件完成，也可以使用軟件完成。
　　
　　在實現時，開發人員往往通過自定義ClassLoader類來完成加密類的裝載(注重由于安全性的原因，Applet不能夠支持自定義的ClassLoader)。自定義的ClassLoader首先找到加密的類，而后進行解密，最后將解密后的類裝載到JVM當中。在這種保護方式中，自定義的ClassLoader是非常要害的類。由于它本身不是被加密的，因此它可能成為黑客最先攻擊的目標。假如相關的解密密鑰和算法被攻克，那么被加密的類也很輕易被解密。這種保護方式示意圖見圖2。
　　　如何保護Java程序（圖二）

　　圖2 對Class文件進行加密示意圖
　　
　　轉換成本地代碼
　　
　　將程序轉換成本地代碼也是一種防止反編譯的有效方法。因為本地代碼往往難以被反編譯。開發人員可以選擇將整個應用程序轉換成本地代碼，也可以選擇要害模塊轉換。假如僅僅轉換要害部分模塊，Java程序在使用這些模塊時，需要使用JNI技術進行調用。
　　
　　當然，在使用這種技術保護Java程序的同時，也犧牲了Java的跨平臺特性。對于不同的平臺，我們需要維護不同版本的本地代碼，這將加重軟件支持和維護的工作。不過對于一些要害的模塊，有時這種方案往往是必要的。
　　
　　為了保證這些本地代碼不被修改和替代，通常需要對這些代碼進行數字簽名。在使用這些本地代碼之前，往往需要對這些本地代碼進行認證，確保這些代碼沒有被黑客更改。假如簽名檢查通過，則調用相關JNI方法。這種保護方式示意圖見圖3。
　　
　　代碼混淆
　　
　　　如何保護Java程序（圖三）

　　圖3 轉換成本地代碼示意圖
　　
　　代碼混淆是對Class文件進行重新組織和處理，使得處理后的代碼與處理前代碼完成相同的功能(語義)。但是混淆后的代碼很難被反編譯，即反編譯后得出的代碼是非常難懂、晦澀的，因此反編譯人員很難得出程序的真正語義。從理論上來說，黑客假如有足夠的時間，被混淆的代碼仍然可能被破解，甚至目前有些人正在研制反混淆的工具。但是從實際情況來看，由于混淆技術的多元化發展，混淆理論的成熟，經過混淆的Java代碼還是能夠很好地防止反編譯。下面我們會具體介紹混淆技術，因為混淆是一種保護Java程序的重要技術。圖4是代碼混淆的示意圖。
　　　如何保護Java程序（圖四）

　　圖4 代碼混淆示意圖
　　
　　幾種技術的總結
　　
　　以上幾種技術都有不同的應用環境，各自都有自己的弱點，表1是相關特點的比較。
　　
　　混淆技術介紹
　　
　　表1 不同保護技術比較表
　　　如何保護Java程序（圖五）

　　到目前為止，對于Java程序的保護，混淆技術還是最基本的保護方法。Java混淆工具也非常多，包括商業的、免費的、開放源代碼的。Sun公司也提供了自己的混淆工具。它們大多都是對Class文件進行混淆處理，也有少量工具首先對源代碼進行處理，然后再對Class進行處理，這樣加大了混淆處理的力度。目前，商業上比較成功的混淆工具包括JPRoof公司的1stBarrier系列、Eastridge公司的JShrink和4thpass.com的SourceGuard等。主要的混淆技術按照混淆目標可以進行如下分類，它們分別為符號混淆(Lexical Obfuscation)、數據混淆(Data Obfuscation)、控制混淆(Control Obfuscation)、預防性混淆(Prevent Transformation)。
　　
　　符號混淆
　　
　　在Class中存在許多與程序執行本身無關的信息，例如方法名稱、變量名稱，這些符號的名稱往往帶有一定的含義。例如某個方法名為getKeyLength()，那么這個方法很可能就是用來返回Key的長度。符號混淆就是將這些信息打亂，把這些信息變成無任何意義的表示，例如將所有的變量從vairant_001開始編號；對于所有的方法從method_001開始編號。這將對反編譯帶來一定的困難。對于私有函數、局部變量，通常可以改變它們的符號，而不影響程序的運行。但是對于一些接口名稱、公有函數、成員變量，假如有其它外部模塊需要引用這些符號，我們往往需要保留這些名稱，否則外部模塊找不到這些名稱的方法和變量。因此，多數的混淆工具對于符號混淆，都提供了豐富的選項，讓用戶選擇是否、如何進行符號混淆。
　　
　　數據混淆
　　　如何保護Java程序（圖六）

　　圖5 改變數據訪問
　　
　　數據混淆是對程序使用的數據進行混淆。混淆的方法也有多種，主要可以分為改變數據存儲及編碼(Store and Encode Transform)、改變數據訪問(access Transform)。
　　
　　改變數據存儲和編碼可以打亂程序使用的數據存儲方式。例如將一個有10個成員的數組，拆開為10個變量，并且打亂這些變量的名字；將一個兩維數組轉化為一個一維數組等。對于一些復雜的數據結構，我們將打亂它的數據結構，例如用多個類代替一個復雜的類等。
　　
　　另外一種方式是改變數據訪問。例如訪問數組的下標時，我們可以進行一定的計算，圖5就是一個例子。
　　
　　在實踐混淆處理中，這兩種方法通常是綜合使用的，在打亂數據存儲的同時，也打亂數據訪問的方式。經過對數據混淆，程序的語義變得復雜了，這樣增大了反編譯的難度。
　　
　　控制混淆
　　
　　控制混淆就是對程序的控制流進行混淆，使得程序的控制流更加難以反編譯，通常控制流的改變需要增加一些額外的計算和控制流，因此在性能上會給程序帶來一定的負面影響。有時，需要在程序的性能和混淆程度之間進行權衡。控制混淆的技術最為復雜，技巧也最多。這些技術可以分為如下幾類：
　　
　　增加混淆控制通過增加額外的、復雜的控制流，可以將程序原來的語義隱藏起來。例如，對于按次序執行的兩個語句A、B，我們可以增加一個控制條件，以決定B的執行。通過這種方式加大反匯編的難度。但是所有的干擾控制都不應該影響B的執行。圖6就給出三種方式，為這個例子增加混淆控制。
　　　如何保護Java程序（圖七）