如何防止你的 jar 被反編譯？
作者 | dartagnan
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(guān)的文章，受益匪淺，知彼知己嘛?。≈詴ava的反編譯感興趣，那是因?yàn)樽约涸趯W(xué)習(xí)的過程中，常常需要借鑒一下別人的成果（你懂的...）?；蛟S反編譯別人的代碼不怎么道德，這個嘛......
廢話不多說，正文如下：
常用的保護(hù)技術(shù)
由于Java字節(jié)碼的抽象級別較高，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)。
1. 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(shí)現(xiàn)有多種方式。例如，開發(fā)人員可以將關(guān)鍵的Java Class放在服務(wù)器端，客戶端通過訪問服務(wù)器的相關(guān)接口來獲得服務(wù)，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(wù)的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議也越來越多，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，例如對于單機(jī)運(yùn)行的程序就無法隔離Java程序。這種保護(hù)方式見圖1所示。
圖1隔離Java程序示意圖
2. 對Class文件進(jìn)行加密
為了防止Class文件被直接反編譯，許多開發(fā)人員將一些關(guān)鍵的Class文件進(jìn)行加密，例如對注冊碼、序列號管理相關(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，開發(fā)人員往往通過自定義ClassLoader類來完成加密類的裝載(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)方式示意圖見圖2。
圖2 對Class文件進(jìn)行加密示意圖
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。開發(fā)人員可以選擇將整個應(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，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，也犧牲了Java的跨平臺特性。對于不同的平臺，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。不過對于一些關(guān)鍵的模塊，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(jìn)行數(shù)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(jìn)行認(rèn)證，確保這些代碼沒有被黑客更改。如果簽名檢查通過，則調(diào)用相關(guān)JNI方法。這種保護(hù)方式示意圖見圖3。
圖3 轉(zhuǎn)換成本地代碼示意圖
4. 代碼混淆
代碼混淆是對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，黑客如果有足夠的時間，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(shí)際情況來看，由于混淆技術(shù)的多元化發(fā)展，混淆理論的成熟，經(jīng)過混淆的Java代碼還是能夠很好地防止反編譯。下面我們會詳細(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
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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?！ ?/p>
混淆技術(shù)介紹
表1 不同保護(hù)技術(shù)比較表
到目前為止，對于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(jìn)行混淆處理，也有少量工具首先對源代碼進(jìn)行處理，然后再對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)。
符號混淆
在Class中存在許多與程序執(zhí)行本身無關(guān)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(shù)、局部變量，通?？梢愿淖兯鼈兊姆?，而不影響程序的運(yùn)行。但是對于一些接口名稱、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，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)的混淆工具對于符號混淆，都提供了豐富的選項(xiàng)，讓用戶選擇是否、如何進(jìn)行符號混淆。
數(shù)據(jù)混淆
圖5 改變數(shù)據(jù)訪問
數(shù)據(jù)混淆是對程序使用的數(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)存儲及編碼(Store and Encode Transform)、改變數(shù)據(jù)訪問(Access Transform)。
改變數(shù)據(jù)存儲和編碼可以打亂程序使用的數(shù)據(jù)存儲方式。例如將一個有10個成員的數(shù)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(shù)組轉(zhuǎn)化為一個一維數(shù)組等。對于一些復(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)，例如用多個類代替一個復(fù)雜的類等。
另外一種方式是改變數(shù)據(jù)訪問。例如訪問數(shù)組的下標(biāo)時，我們可以進(jìn)行一定的計(jì)算，圖5就是一個例子。
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)存儲的同時，也打亂數(shù)據(jù)訪問的方式。經(jīng)過對數(shù)據(jù)混淆，程序的語義變得復(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，因此在性能上會給程序帶來一定的負(fù)面影響。有時，需要在程序的性能和混淆程度之間進(jìn)行權(quán)衡?？刂苹煜募夹g(shù)最為復(fù)雜，技巧也最多。這些技術(shù)可以分為如下幾類：
增加混淆控制通過增加額外的、復(fù)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(zhí)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(zhí)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(yīng)該影響B(tài)的執(zhí)行。圖6就給出三種方式，為這個例子增加混淆控制。
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。反過來，程序中的一段代碼也可以轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€函數(shù)調(diào)用。另外，對于一個循環(huán)的控制流，為可以拆分多個循環(huán)的控制流，或者將循環(huán)轉(zhuǎn)化成一個遞歸過程。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一些專用的反編譯器而設(shè)計(jì)的，一般來說，這些技術(shù)利用反編譯器的弱點(diǎn)或者Bug來設(shè)計(jì)混淆方案。例如，有些反編譯器對于 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語句后面。這種混淆的有效性對于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(shù)。
案例分析
在實(shí)踐當(dāng)中，保護(hù)一個大型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Java應(yīng)用程序，它是一個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在文件中。由于它所帶的題庫是該軟件的核心部分，所以關(guān)于題庫的存取和訪問就成為非常核心的類。一旦這些相關(guān)的類被反編譯，則所有的題庫將被破解?，F(xiàn)在，我們來考慮如何保護(hù)這些題庫及相關(guān)的類。
在這個例子中，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)一個版本的本地代碼。另外，混淆對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部分，一個是由本地代碼編寫的題庫訪問的模塊，另外一個是由Java開發(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。對于Java開發(fā)的模塊，我們?nèi)匀灰褂没煜夹g(shù)。該方案的示意圖參見圖7。
圖7 SCJP保護(hù)技術(shù)方案圖
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對于題目管理模塊，由于程序主要在Windows下使用，所以使用C++開發(fā)題庫訪問模塊，并且提供了一定的訪問接口。為了保護(hù)題庫訪問的接口，我們還增加了一個初始化接口，用于每次使用題庫訪問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，客戶端需要提供一個隨機(jī)數(shù)作為參數(shù)。題庫管理模塊和客戶端通過這個隨機(jī)數(shù)，按一定的算法同時生成相同的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，用于訪問題庫信息。非法的客戶很難生成正確的SessionKey，因此無法獲得題庫的信息。如果需要建立更高的保密級別，也可以采用雙向認(rèn)證技術(shù)。
2． 數(shù)據(jù)訪問接口
認(rèn)證完成之后，客戶端就可以正常的訪問題庫數(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，只有正確的題庫管理模塊才能夠使用題庫管理模塊。圖8時序圖表示了題庫管理模塊和其它部分的交互過程。
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