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面試官：如何防止 Java 源碼被反編譯？

java作為解釋型的語(yǔ)言，其高度抽象的特性意味其很容易被反編譯，容易被反編譯，自然有防止反編譯措施存在。今天就拜讀了一篇相關(guān)的文章，受益匪淺，知彼知己嘛！！

之所以會(huì)對(duì)java的反編譯感興趣，那是因?yàn)樽约涸趯W(xué)習(xí)的過(guò)程中，常常需要借鑒一下別人的成果（你懂的...）。或許反編譯別人的代碼不怎么道德，這個(gè)嘛......

廢話不多說(shuō)，正文如下：

由于Java字節(jié)碼的抽象級(jí)別較高，因此它們較容易被反編譯。本節(jié)介紹了幾種常用的方法，用于保護(hù)Java字節(jié)碼不被反編譯。通常，這些方法不能夠絕對(duì)防止程序被反編譯，而是加大反編譯的難度而已，因?yàn)檫@些方法都有自己的使用環(huán)境和弱點(diǎn)。

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1

隔離Java程序

最簡(jiǎn)單的方法就是讓用戶不能夠訪問(wèn)到Java Class程序，這種方法是最根本的方法，具體實(shí)現(xiàn)有多種方式。例如，開(kāi)發(fā)人員可以將關(guān)鍵的Java Class放在服務(wù)器端，客戶端通過(guò)訪問(wèn)服務(wù)器的相關(guān)接口來(lái)獲得服務(wù)，而不是直接訪問(wèn)Class文件。

這樣黑客就沒(méi)有辦法反編譯Class文件。

目前，通過(guò)接口提供服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議也越來(lái)越多，例如 HTTP、Web Service、RPC等。但是有很多應(yīng)用都不適合這種保護(hù)方式，例如對(duì)于單機(jī)運(yùn)行的程序就無(wú)法隔離Java程序。這種保護(hù)方式見(jiàn)圖1所示。

圖1隔離Java程序示意圖：

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2

對(duì)Class文件進(jìn)行加密

為了防止Class文件被直接反編譯，許多開(kāi)發(fā)人員將一些關(guān)鍵的Class文件進(jìn)行加密，例如對(duì)注冊(cè)碼、序列號(hào)管理相關(guān)的類等。在使用這些被加密的類之前，程序首先需要對(duì)這些類進(jìn)行解密，而后再將這些類裝載到JVM當(dāng)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(shí)現(xiàn)時(shí)，開(kāi)發(fā)人員往往通過(guò)自定義ClassLoader類來(lái)完成加密類的裝載(注意由于安全性的原因，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(jìn)行解密，最后將解密后的類裝載到JVM當(dāng)中。

在這種保護(hù)方式中，自定義的ClassLoader是非常關(guān)鍵的類。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(biāo)。如果相關(guān)的解密密鑰和算法被攻克，那么被加密的類也很容易被解密。這種保護(hù)方式示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 對(duì)Class文件進(jìn)行加密示意圖

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3

轉(zhuǎn)換成本地代碼

將程序轉(zhuǎn)換成本地代碼也是一種防止反編譯的有效方法。因?yàn)楸镜卮a往往難以被反編譯。開(kāi)發(fā)人員可以選擇將整個(gè)應(yīng)用程序轉(zhuǎn)換成本地代碼，也可以選擇關(guān)鍵模塊轉(zhuǎn)換。如果僅僅轉(zhuǎn)換關(guān)鍵部分模塊，Java程序在使用這些模塊時(shí)，需要使用JNI技術(shù)進(jìn)行調(diào)用。

當(dāng)然，在使用這種技術(shù)保護(hù)Java程序的同時(shí)，也犧牲了Java的跨平臺(tái)特性。對(duì)于不同的平臺(tái)，我們需要維護(hù)不同版本的本地代碼，這將加重軟件支持和維護(hù)的工作。不過(guò)對(duì)于一些關(guān)鍵的模塊，有時(shí)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(duì)這些代碼進(jìn)行數(shù)字簽名。在使用這些本地代碼之前，往往需要對(duì)這些本地代碼進(jìn)行認(rèn)證，確保這些代碼沒(méi)有被黑客更改。如果簽名檢查通過(guò)，則調(diào)用相關(guān)JNI方法。這種保護(hù)方式示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 轉(zhuǎn)換成本地代碼示意圖

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4

代碼混淆

代碼混淆是對(duì)Class文件進(jìn)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(yǔ)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(yǔ)義。

從理論上來(lái)說(shuō)，黑客如果有足夠的時(shí)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(shí)際情況來(lái)看，由于混淆技術(shù)的多元化發(fā)展，混淆理論的成熟，經(jīng)過(guò)混淆的Java代碼還是能夠很好地防止反編譯。下面我們會(huì)詳細(xì)介紹混淆技術(shù)，因?yàn)榛煜且环N保護(hù)Java程序的重要技術(shù)。圖4是代碼混淆的示圖。

圖4 代碼混淆示意圖

幾種技術(shù)的總結(jié)

以上幾種技術(shù)都有不同的應(yīng)用環(huán)境，各自都有自己的弱點(diǎn)，表1是相關(guān)特點(diǎn)的比較。　

表1 不同保護(hù)技術(shù)比較表　

到目前為止，對(duì)于Java程序的保護(hù)，混淆技術(shù)還是最基本的保護(hù)方法。Java混淆工具也非常多，包括商業(yè)的、免費(fèi)的、開(kāi)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(duì)Class文件進(jìn)行混淆處理，也有少量工具首先對(duì)源代碼進(jìn)行處理，然后再對(duì)Class進(jìn)行處理，這樣加大了混淆處理的力度。

目前，商業(yè)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(shù)按照混淆目標(biāo)可以進(jìn)行如下分類，它們分別為符號(hào)混淆(Lexical Obfuscation)、數(shù)據(jù)混淆(Data Obfuscation)、控制混淆(Control Obfuscation)、預(yù)防性混淆(Prevent Transformation)。

　

符號(hào)混淆

在Class中存在許多與程序執(zhí)行本身無(wú)關(guān)的信息，例如方法名稱、變量名稱，這些符號(hào)的名稱往往帶有一定的含義。例如某個(gè)方法名為 getKeyLength()，那么這個(gè)方法很可能就是用來(lái)返回Key的長(zhǎng)度。符號(hào)混淆就是將這些信息打亂，把這些信息變成無(wú)任何意義的表示，例如將所有的變量從vairant_001開(kāi)始編號(hào)；對(duì)于所有的方法從method_001開(kāi)始編號(hào)。這將對(duì)反編譯帶來(lái)一定的困難。

對(duì)于私有函數(shù)、局部變量，通常可以改變它們的符號(hào)，而不影響程序的運(yùn)行。但是對(duì)于一些接口名稱、公有函數(shù)、成員變量，如果有其它外部模塊需要引用這些符號(hào)，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(shù)的混淆工具對(duì)于符號(hào)混淆，都提供了豐富的選項(xiàng)，讓用戶選擇是否、如何進(jìn)行符號(hào)混淆。

數(shù)據(jù)混淆

圖5 改變數(shù)據(jù)訪問(wèn)

數(shù)據(jù)混淆是對(duì)程序使用的數(shù)據(jù)進(jìn)行混淆。混淆的方法也有多種，主要可以分為改變數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及編碼(Store and Encode Transform)、改變數(shù)據(jù)訪問(wèn)(Access Transform)。

改變數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和編碼可以打亂程序使用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式。例如將一個(gè)有10個(gè)成員的數(shù)組，拆開(kāi)為10個(gè)變量，并且打亂這些變量的名字；將一個(gè)兩維數(shù)組轉(zhuǎn)化為一個(gè)一維數(shù)組等。對(duì)于一些復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，我們將打亂它的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，例如用多個(gè)類代替一個(gè)復(fù)雜的類等。

另外一種方式是改變數(shù)據(jù)訪問(wèn)。例如訪問(wèn)數(shù)組的下標(biāo)時(shí)，我們可以進(jìn)行一定的計(jì)算，圖5就是一個(gè)例子。

在實(shí)踐混淆處理中，這兩種方法通常是綜合使用的，在打亂數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的同時(shí)，也打亂數(shù)據(jù)訪問(wèn)的方式。經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)混淆，程序的語(yǔ)義變得復(fù)雜了，這樣增大了反編譯的難度。

控制混淆

控制混淆就是對(duì)程序的控制流進(jìn)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(jì)算和控制流，因此在性能上會(huì)給程序帶來(lái)一定的負(fù)面影響。有時(shí)，需要在程序的性能和混淆程度之間進(jìn)行權(quán)衡。控制混淆的技術(shù)最為復(fù)雜，技巧也最多。這些技術(shù)可以分為如下幾類：

增加混淆控制通過(guò)增加額外的、復(fù)雜的控制流，可以將程序原來(lái)的語(yǔ)義隱藏起來(lái)。例如，對(duì)于按次序執(zhí)行的兩個(gè)語(yǔ)句A、B，我們可以增加一個(gè)控制條件，以決定B的執(zhí)行。通過(guò)這種方式加大反匯編的難度。但是所有的干擾控制都不應(yīng)該影響B(tài)的執(zhí)行。圖6就給出三種方式，為這個(gè)例子增加混淆控制。

圖6 增加混淆控制的三種方式

控制流重組重組控制流也是重要的混淆方法。例如，程序調(diào)用一個(gè)方法，在混淆后，可以將該方法代碼嵌入到調(diào)用程序當(dāng)中。反過(guò)來(lái)，程序中的一段代碼也可以轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)函數(shù)調(diào)用。另外，對(duì)于一個(gè)循環(huán)的控制流，為可以拆分多個(gè)循環(huán)的控制流，或者將循環(huán)轉(zhuǎn)化成一個(gè)遞歸過(guò)程。這種方法最為復(fù)雜，研究的人員也非常多。

預(yù)防性混淆

這種混淆通常是針對(duì)一些專用的反編譯器而設(shè)計(jì)的，一般來(lái)說(shuō)，這些技術(shù)利用反編譯器的弱點(diǎn)或者Bug來(lái)設(shè)計(jì)混淆方案。例如，有些反編譯器對(duì)于 Return后面的指令不進(jìn)行反編譯，而有些混淆方案恰恰將代碼放在Return語(yǔ)句后面。這種混淆的有效性對(duì)于不同反編譯器的作用也不太相同的。一個(gè)好的混淆工具，通常會(huì)綜合使用這些混淆技術(shù)。

案例分析

在實(shí)踐當(dāng)中，保護(hù)一個(gè)大型Java程序經(jīng)常需要綜合使用這些方法，而不是單一使用某一種方法。這是因?yàn)槊糠N方法都有其弱點(diǎn)和應(yīng)用環(huán)境。綜合使用這些方法使得Java程序的保護(hù)更加有效。另外，我們經(jīng)常還需要使用其它的相關(guān)安全技術(shù)，例如安全認(rèn)證、數(shù)字簽名、PKI等。

本文給出的例子是一個(gè)Java應(yīng)用程序，它是一個(gè)SCJP(Sun Certificate Java Programmer)的模擬考試軟件。該應(yīng)用程序帶有大量的模擬題目，所有的題目都被加密后存儲(chǔ)在文件中。由于它所帶的題庫(kù)是該軟件的核心部分，所以關(guān)于題庫(kù)的存取和訪問(wèn)就成為非常核心的類。一旦這些相關(guān)的類被反編譯，則所有的題庫(kù)將被破解。現(xiàn)在，我們來(lái)考慮如何保護(hù)這些題庫(kù)及相關(guān)的類。

在這個(gè)例子中，我們考慮使用綜合保護(hù)技術(shù)，其中包括本地代碼和混淆技術(shù)。因?yàn)樵撥浖饕l(fā)布在Windows上，因此轉(zhuǎn)換成本地代碼后，僅僅需要維護(hù)一個(gè)版本的本地代碼。另外，混淆對(duì)Java程序也是非常有效的，適用于這種獨(dú)立發(fā)布的應(yīng)用系統(tǒng)。

在具體的方案中，我們將程序分為兩個(gè)部分，一個(gè)是由本地代碼編寫的題庫(kù)訪問(wèn)的模塊，另外一個(gè)是由Java開(kāi)發(fā)的其它模塊。這樣可以更高程度地保護(hù)題目管理模塊不被反編譯。對(duì)于Java開(kāi)發(fā)的模塊，我們?nèi)匀灰褂没煜夹g(shù)。該方案的示意圖參見(jiàn)圖7。

圖7 SCJP保護(hù)技術(shù)方案圖

對(duì)于題目管理模塊，由于程序主要在Windows下使用，所以使用C++開(kāi)發(fā)題庫(kù)訪問(wèn)模塊，并且提供了一定的訪問(wèn)接口。為了保護(hù)題庫(kù)訪問(wèn)的接口，我們還增加了一個(gè)初始化接口，用于每次使用題庫(kù)訪問(wèn)接口之前的初始化工作。它的接口主要分為兩類：

1． 初始化接口

在使用題庫(kù)模塊之前，我們必須先調(diào)用初始化接口。在調(diào)用該接口時(shí)，客戶端需要提供一個(gè)隨機(jī)數(shù)作為參數(shù)。題庫(kù)管理模塊和客戶端通過(guò)這個(gè)隨機(jī)數(shù)，按一定的算法同時(shí)生成相同的SessionKey，用于加密以后輸入和輸出的所有數(shù)據(jù)。

通過(guò)這種方式，只有授權(quán)(有效)的客戶端才能夠連接正確的連接，生成正確的 SessionKey，用于訪問(wèn)題庫(kù)信息。非法的客戶很難生成正確的SessionKey，因此無(wú)法獲得題庫(kù)的信息。如果需要建立更高的保密級(jí)別，也可以采用雙向認(rèn)證技術(shù)。

2． 數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口

認(rèn)證完成之后，客戶端就可以正常的訪問(wèn)題庫(kù)數(shù)據(jù)。但是，輸入和輸出的數(shù)據(jù)都是由SessionKey所加密的數(shù)據(jù)。因此，只有正確的題庫(kù)管理模塊才能夠使用題庫(kù)管理模塊。圖8時(shí)序圖表示了題庫(kù)管理模塊和其它部分的交互過(guò)程。

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