面試官:如何防止 Java 原始碼被反編譯?我竟然答不上來。。

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面試官:如何防止 Java 原始碼被反編譯?我竟然答不上來。。

java作為解釋型的語言,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的文章,受益匪淺,知彼知己嘛!!

之所以會對java的反編譯感興趣,那是因為自己在學習的過程中,常常需要借鑑一下別人的成果(你懂的...)。或許反編譯別人的程式碼不怎麼道德,這個嘛......

廢話不多說,正文如下:

常用的保護技術

由於Java位元組碼的抽象級別較高,因此它們較容易被反編譯。本節介紹了幾種常用的方法,用於保護Java位元組碼不被反編譯。通常,這些方法不能夠絕對防止程式被反編譯,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。

1. 隔離Java程式

最簡單的方法就是讓使用者不能夠訪問到Java Class程式,這種方法是最根本的方法,具體實現有多種方式。例如,開發人員可以將關鍵的Java Class放在伺服器端,客戶端通過訪問伺服器的相關介面來獲得服務,而不是直接訪問Class檔案。

這樣黑客就沒有辦法反編譯Class檔案。

目前,通過介面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,例如對於單機執行的程式就無法隔離Java程式。這種保護方式見圖1所示。

圖1隔離Java程式示意圖

2. 對Class檔案進行加密

為了防止Class檔案被直接反編譯,許多開發人員將一些關鍵的Class檔案進行加密,例如對註冊碼、序列號管理相關的類等。在使用這些被加密的類之前,程式首先需要對這些類進行解密,而後再將這些類裝載到JVM當中。這些類的解密可以由硬體完成,也可以使用軟體完成。

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(注意由於安全性的原因,Applet不能夠支援自定義的 ClassLoader)。自定義的ClassLoader首先找到加密的類,而後進行解密,最後將解密後的類裝載到JVM當中。

在這種保護方式中,自定義的ClassLoader是非常關鍵的類。由於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。如果相關的解密金鑰和演算法被攻克,那麼被加密的類也很容易被解密。這種保護方式示意圖見圖2。

圖2 對Class檔案進行加密示意圖

 

3. 轉換成原生代碼  

將程式轉換成原生代碼也是一種防止反編譯的有效方法。因為原生代碼往往難以被反編譯。開發人員可以選擇將整個應用程式轉換成原生代碼,也可以選擇關鍵模組轉換。如果僅僅轉換關鍵部分模組,Java程式在使用這些模組時,需要使用JNI技術進行呼叫。

當然,在使用這種技術保護Java程式的同時,也犧牲了Java的跨平臺特性。對於不同的平臺,我們需要維護不同版本的原生代碼,這將加重軟體支援和維護的工作。不過對於一些關鍵的模組,有時這種方案往往是必要的。

為了保證這些原生代碼不被修改和替代,通常需要對這些程式碼進行數字簽名。在使用這些原生代碼之前,往往需要對這些原生代碼進行認證,確保這些程式碼沒有被黑客更改。如果簽名檢查通過,則呼叫相關JNI方法。這種保護方式示意圖見圖3。

圖3 轉換成原生代碼示意圖

    

4、程式碼混淆

程式碼混淆是對Class檔案進行重新組織和處理,使得處理後的程式碼與處理前程式碼完成相同的功能(語義)。但是混淆後的程式碼很難被反編譯,即反編譯後得出的程式碼是非常難懂、晦澀的,因此反編譯人員很難得出程式的真正語義。

從理論上來說,黑客如果有足夠的時間,被混淆的程式碼仍然可能被破解,甚至目前有些人正在研製反混淆的工具。但是從實際情況來看,由於混淆技術的多元化發展,混淆理論的成熟,經過混淆的Java程式碼還是能夠很好地防止反編譯。下面我們會詳細介紹混淆技術,因為混淆是一種保護Java程式的重要技術。圖4是程式碼混淆的示圖。

圖4 程式碼混淆示意圖

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。  

表1 不同保護技術比較表

到目前為止,對於Java程式的保護,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、開放原始碼的。Sun公司也提供了自己的混淆工具。它們大多都是對Class檔案進行混淆處理,也有少量工具首先對原始碼進行處理,然後再對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)、資料混淆(Data Obfuscation)、控制混淆(Control Obfuscation)、預防性混淆(Prevent Transformation)。  

符號混淆

在Class中存在許多與程式執行本身無關的資訊,例如方法名稱、變數名稱,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(),那麼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資訊打亂,把這些資訊變成無任何意義的表示,例如將所有的變數從vairant_001開始編號;對於所有的方法從method_001開始編號。這將對反編譯帶來一定的困難。

對於私有函式、區域性變數,通常可以改變它們的符號,而不影響程式的執行。但是對於一些介面名稱、公有函式、成員變數,如果有其它外部模組需要引用這些符號,我們往往需要保留這些名稱,否則外部模組找不到這些名稱的方法和變數。因此,多數的混淆工具對於符號混淆,都提供了豐富的選項,讓使用者選擇是否、如何進行符號混淆。   

資料混淆

圖5 改變資料訪問

資料混淆是對程式使用的資料進行混淆。混淆的方法也有多種,主要可以分為改變資料儲存及編碼(Store and Encode Transform)、改變資料訪問(Access Transform)。

改變資料儲存和編碼可以打亂程式使用的資料儲存方式。例如將一個有10個成員的陣列,拆開為10個變數,並且打亂這些變數的名字;將一個兩維陣列轉化為一個一維陣列等。對於一些複雜的資料結構,我們將打亂它的資料結構,例如用多個類代替一個複雜的類等。

另外一種方式是改變資料訪問。例如訪問陣列的下標時,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,在打亂資料儲存的同時,也打亂資料訪問的方式。經過對資料混淆,程式的語義變得複雜了,這樣增大了反編譯的難度。

控制混淆

控制混淆就是對程式的控制流進行混淆,使得程式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,因此在效能上會給程式帶來一定的負面影響。有時,需要在程式的效能和混淆程度之間進行權衡。控制混淆的技術最為複雜,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、複雜的控制流,可以將程式原來的語義隱藏起來。例如,對於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彙編的難度。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。

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,程式呼叫一個方法,在混淆後,可以將該方法程式碼嵌入到呼叫程式當中。反過來,程式中的一段程式碼也可以轉變為一個函式呼叫。另外,對於一個迴圈的控制流,為可以拆分多個迴圈的控制流,或者將迴圈轉化成一個遞迴過程。這種方法最為複雜,研究的人員也非常多。

預防性混淆

這種混淆通常是針對一些專用的反編譯器而設計的,一般來說,這些技術利用反編譯器的弱點或者Bug來設計混淆方案。例如,有些反編譯器對於 Return後面的指令不進行反編譯,而有些混淆方案恰恰將程式碼放在Return語句後面。這種混淆的有效性對於不同反編譯器的作用也不太相同的。一個好的混淆工具,通常會綜合使用這些混淆技術。

案例分析

在實踐當中,保護一個大型Java程式經常需要綜合使用這些方法,而不是單一使用某一種方法。這是因為每種方法都有其弱點和應用環境。綜合使用這些方法使得Java程式的保護更加有效。另外,我們經常還需要使用其它的相關安全技術,例如安全認證、數字簽名、PKI等。

本文給出的例子是一個Java應用程式,它是一個SCJP(Sun Certificate Java Programmer)的模擬考試軟體。該應用程式帶有大量的模擬題目,所有的題目都被加密後儲存在檔案中。由於它所帶的題庫是該軟體的核心部分,所以關於題庫的存取和訪問就成為非常核心的類。一旦這些相關的類被反編譯,則所有的題庫將被破解。現在,我們來考慮如何保護這些題庫及相關的類。

在這個例子中,我們考慮使用綜合保護技術,其中包括原生代碼和混淆技術。因為該軟體主要釋出在Windows上,因此轉換成原生代碼後,僅僅需要維護一個版本的原生代碼。另外,混淆對Java程式也是非常有效的,適用於這種獨立釋出的應用系統。

在具體的方案中,我們將程式分為兩個部分,一個是由原生代碼編寫的題庫訪問的模組,另外一個是由Java開發的其它模組。這樣可以更高程度地保護題目管理模組不被反編譯。對於Java開發的模組,我們仍然要使用混淆技術。該方案的示意圖參見圖7。

圖7 SCJP保護技術方案圖

  

對於題目管理模組,由於程式主要在Windows下使用,所以使用C++開發題庫訪問模組,並且提供了一定的訪問介面。為了保護題庫訪問的介面,我們還增加了一個初始化介面,用於每次使用題庫訪問介面之前的初始化工作。它的介面主要分為兩類:

1. 初始化介面

在使用題庫模組之前,我們必須先呼叫初始化介面。在呼叫該介面時,客戶端需要提供一個隨機數作為引數。題庫管理模組和客戶端通過這個隨機數,按一定的演算法同時生成相同的SessionKey,用於加密以後輸入和輸出的所有資料。

通過這種方式,只有授權(有效)的客戶端才能夠連線正確的連線,生成正確的 SessionKey,用於訪問題庫資訊。非法的客戶很難生成正確的SessionKey,因此無法獲得題庫的資訊。如果需要建立更高的保密級別,也可以採用雙向認證技術。

2. 資料訪問介面

認證完成之後,客戶端就可以正常的訪問題庫資料。但是,輸入和輸出的資料都是由SessionKey所加密的資料。因此,只有正確的題庫管理模組才能夠使用題庫管理模組。圖8時序圖表示了題庫管理模組和其它部分的互動過程。

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