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從頭到尾保護 JAVA

目前關于 JAVA 程序的加密方式不外乎 JAVA 模糊處理（Obfuscator）和運用 ClassLoader 方法進行加密處理這兩種方式（其他的方式亦有，但大多是這兩種的延伸和變異）。這兩種方式不管給 JAVA 反編譯器造成多少困難，畢竟還是有跡可尋，有機可乘的。本文介紹的方法是對 ClassLoader 方式加密處理的一種改進，使之達到傳統二進制程序代碼安全。

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胡憲利 (samenhu@yahoo.com.cn)中興通訊SoftSwitch產品部

2002 年 6 月 30 日

內容

第一章流行的加密方式簡介

關于 JAVA 程序的加密方式，一直以來都是以 JAVA 模糊處理（Obfuscator）為主。這方面的研究結果也頗多，既有模糊器（如現在大名鼎鼎的 JODE），也有針對反編譯器的"炸彈"（如針對反編譯工具 Mocha 的 "炸彈" Crema 和 HoseMocha）。模糊器，從其字面上，我們就可以知道它是通過模糊處理 JAVA 代碼，具體的說，就是更換變量名，函數名，甚至類名等方法使其反編譯出來的代碼變得不可理解。舉個例子來說吧。

先將將下面源代碼編譯成 class 文件。

      public class  test 
		｛
				 int sortway; 
				 void sort(Vector a) 
				 { 
					……
				 } 
				 void setSortWay(int way) 
				 { 
					……
				 } 
				 void sort(Vector a， int way) 
				 { 
					……
				 } 
｝

后通過 JODE 進行模糊處理后，反編譯過來后，可能變成下列代碼。

     public class  OoOoooOo0Oo0O 
     {
                 int OoOo0oOo0Oo0O; 
                 void OoO0ooOo0Oo0O (Vector OoOoo0Oo0OoOO) 
                 { 
                    ……
                 } 
                 void OoOo00oOoOo0O (int Oo0oooOo0Oo0O) 
                 { 
                    ……
                 } 
                 void OoO0ooOo0Oo0O (Vector OoOoo0Oo0OoOO， int Oo0oooOo0Oo0O)
                 { 
                     OoOo00oOoOo0O (Oo0oooOo0Oo0O); 
                     OoO0ooOo0Oo0O (OoOoo0Oo0OoOO); 
                 } 
     }

其實這只是做到了視覺上的處理，其業務邏輯卻依然不變，加以耐心，仍是可以攻破的，如果用在用戶身份驗證等目的上，完全可以找到身份驗證算法而加以突破限制。

而所謂的"炸彈"是針對反編譯工具本身的缺陷，這種方法對于特定的反編譯工具是非常有效的，然而到目前為止，還沒有一個全能型的，對每一種反編譯工具皆有效，其局限性是明顯的！

另一種方法是采用 ClassLoader 加密。JAVA 虛擬機通過一個稱為 ClassLoader 的對象裝來載類文件的字節碼，而 ClassLoader 是可以由 JAVA 程序自己來定制的。ClassLoader 是如何裝載類的呢？ ClassLoader 根據類名在 jar 包中找到該類的文件，讀取文件，并把它轉換成一個 Class 對象。該方法的原理就是，對需加密的類文件我們先行采用一定的方法（可以是 PGP， RSA， MD5 等方法）進行加密處理，我們可以在讀取文件之后，進行解密后，再轉換成一個 Class 對象。

關于 ClassLoader 工作方式的詳細介紹就不在此一一述說了，前面已有文章專題討論了。

有沒有發現，該方法并未解決 ClassLoader 本身的安全性 ? 顯然，只要反編譯了該 ClassLoader 類，就可以順藤摸瓜找到其它的類了。可見 ClassLoader 本身"明碼"方式仍然造成一定的不安全性，然而，如果該方法解決了 ClassLoader 本身的安全性，其不失為一個比較好安全方案。

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第二章 ClassLoader 加密方式改進

JAVA 程序是通過 java.exe/javaw.exe 來啟動的，要對 ClassLoader 進行解密處理，只能從 java.exe/javaw.exe 身上著手。

我們先來考察一下 JDK 的發布路徑，發現 JDK 的每一個版本都提供了 src.jar，用 winzip 打開看看，可以看到一個 launcher 的路徑，里面包含的就是 java.exe/javaw.exe 的程序代碼。哈哈，這下我們可以隨心所欲了。：－）打開 java.c 看看，里面有一段，如下：

	 jstring mainClassName = GetMainClassName(env, jarfile); 
	 if ((*env)->ExceptionOccurred(env)) { 
	    (*env)->ExceptionDescribe(env); 
	    goto leave; 
	 } 
	 if (mainClassName == NULL) { 
	    fprintf(stderr, "Failed to load Main-Class manifest attribute "
		    "from\n%s\n", jarfile); 
	    goto leave; 
	 } 
	 classname = (char *)(*env)->GetStringUTFChars(env, mainClassName, 0); 
	 if (classname == NULL) { 
	    (*env)->ExceptionDescribe(env); 
	    goto leave; 
	 } 
	 mainClass = LoadClass(env, classname); 
	 (*env)->ReleaseStringUTFChars(env, mainClassName, classname); 
    } else { 
	 mainClass = LoadClass(env, classname); 
    } 
    if (mainClass == NULL) { 
        (*env)->ExceptionDescribe(env); 
        status = 4; 
 goto leave; 
    }

其中，函數 LoadClass 見下：

 static jclass 
 LoadClass(JNIEnv *env, char *name) 
 { 
    char *buf = MemAlloc(strlen(name) + 1); 
    char *s = buf, *t = name, c; 
    jclass cls; 
    jlong start, end; 
    if (debug) 
	 start = CounterGet(); 
    do { 
        c = *t++; 
	 *s++ = (c == '.') ? '/' : c; 
    } while (c != '\0'); 
    cls = (*env)->FindClass(env, buf); 
    free(buf); 
    if (debug) { 
	 end   = CounterGet(); 
	 printf("%ld micro seconds to load main class\n", 
	       (jint)Counter2Micros(end-start)); 
	 printf("----_JAVA_LAUNCHER_DEBUG----\n"); 
    } 
    return cls; 
 }

分析上面的程序，我們可以看到 env 中的函數 FindClass 根據類名直接得到 mainClass 對象的。如果我們要裝載已加密過的 JAVA 程序，顯然直接調用 FindClass 函數是不行的，那么，我們有沒有辦法自己讀取文件，然后將之轉換成一個 mainClass 對象呢？

我們來看看 JNIEnv 里面還有什么？打開 JDK 路徑 \include\jni.h, 在里面我們查到下列定義：

 #ifdef __cplusplus 
 typedef JNIEnv_ JNIEnv; 
 #else 
 typedef const struct JNINativeInterface_ *JNIEnv; 
 #endif

而在 JNINativeInterface_ 的定義中：

 struct JNINativeInterface_ { 
    ……
    jclass (JNICALL *DefineClass) 
      (JNIEnv *env, const char *name, jobject loader, const jbyte *buf, 
       jsize len); 
	……
｝

對了，DefineClass 就是我們要找的，它可以將一個緩沖區（class 字節碼）轉換成一個類實例！下面就是一個實現如何裝載加密 Class：

	 static jclass 
 LoadClass(JNIEnv *env, char *name) 
 { 
		 FILE *in; 
    long length, i; 
		 char *cc; 
	 int  x; 
    	 char javaloader [MAXPATHLEN], javapath[MAXPATHLEN]; 
    char *buf = MemAlloc(strlen(name) + 1); 
    	 char *s = buf, *t = name, c; 
    jclass cls; 
    	 jlong start, end; 
    if (debug) 
		 start = CounterGet(); 
    do { 
    	    c = *t++; 
	 *s++ = (c == '.') ? '/' : c; 
    	 } while (c != '\0'); 
		 /* 如果裝載的類是 MyLoader*/ 
	 if(strcmp(buf,"MyLoader")==0) { 
		 if (GetApplicationHome(javapath, sizeof(javapath))) 
		 { 
			 sprintf(javaloader, "%s\\MyLoader.class", javapath); 
		 } 
		 if ((in = fopen(javaloader, "rb")) == NULL) 
		 { 
			 fprintf(stderr, "Cannot open input file.\n"); 
			 return (jclass)0x0f; 
		 } 
		 /* 讀出加密的 class 文件 */ 
		 fseek(in, 0L, SEEK_END); 
		 length = ftell(in); 
		 fseek(in, 0, SEEK_SET); 
		
		 cc = MemAlloc(length); 
		 fread((void*)cc,length,1,in); 
		 fclose(in); 
		 /* 解密算法 */ 
		……
		 /* 將解密后的 class 字節碼轉換成 class*/ 
		 cls = (*env)->DefineClass(env, buf, 0, cc, length-1); 
	    free(cc); 
	 } 
		 else 
			 cls = (*env)->FindClass(env, buf); 
    
	 free(buf); 
    	 if (debug) { 
	 end   = CounterGet(); 
		 printf("%ld micro seconds to load main class\n", 
		       (jint)Counter2Micros(end-start)); 
	 printf("----_JAVA_LAUNCHER_DEBUG----\n"); 
    } 
 	   return cls; 
 }

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第三章應用范例

在實際應用中，建議新的啟動程序繼續采用 java.exe 的參數調用格式，即 java [-options] class [args...]，這樣的話，一方面程序在開發版本（非加密）和發布版本（加密）時的調用方式就保持一致了，便于別人的理解，另一方面啟動程序的制作也簡單多了，只需改動 java.c 中的 LoadClass 方法了。

下面是一般應用的示意圖：

如果調用的方式是這樣的：class1 調用 class2，而由 class2 調用 class3，其中 class2 有自己定制的 ClassLoader（非 class3 所用的 ClassLoader），則這時應該在 class2 和 class3 之間加一層 interface，由 interface 調用 class3 相應的 ClassLoader 來裝載 class3，而 interface 本身則不能加密。這種形式的典型應用是 Tomcat 上的 web 應用，Tomcat 裝載 servlet 類時，是采用自己的 ClassLoader 來裝載的，如果對 servlet 加密，Tomcat 則在裝載 servlet 時不會裝載成功，必須采用 interface 的方式！下面則是其應用示意圖：

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第四章應用范圍

由于解密需要一定的時間，如果不加區分的全部進行加密處理，勢必會影響到程序的速度和響應。所以應該在需要加密的地方才加密，比方說，用戶密碼驗證，專利算法，或者是數據庫密碼等等，這樣的才不會導致系統的性能下降。

要達到以上目的， ClassLoader 必須對 class 加以判斷，非加密的 class 調用 JVM 系統 ClassLoader 的 LoadClass 函數，而對加密的才加以解密處理。建議：ClassLoader 最好可配置！

原文：http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/l-protectjava/

如何利用DES加密的算法保護Java源代碼

http://security.ctocio.com.cn/tips/42/7728542.shtml

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