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 序

由于Java字節碼的抽象級別較高，因此它們較容易被反編譯。本文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，開發人員可以將關鍵的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。

圖1-隔離Java程序

Part3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關鍵的Class文件進行加密，例如對注冊碼、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是非常關鍵的類。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。如果相關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。這種保護方式示意圖見圖2。

圖2-對Class文件進行加密

Part4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，也可以選擇關鍵模塊轉換。如果僅僅轉換關鍵部分模塊，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。不過對于一些關鍵的模塊，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。如果簽名檢查通過，則調用相關JNI方法。這種保護方式示意圖見圖3。

圖3-轉換成本地代碼

Part5代碼混淆

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。下面我們會詳細介紹混淆技術，因為混淆是一種保護Java程序的重要技術。

圖4-代碼混淆示意圖

1.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。

2.混淆技術介紹

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，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

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。

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，程序調用一個方法，在混淆后，可以將該方法代碼嵌入到調用程序當中。反過來，程序中的一段代碼也可以轉變為一個函數調用。另外，對于一個循環的控制流，為可以拆分多個循環的控制流，或者將循環轉化成一個遞歸過程。這種方法最為復雜，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，有些反編譯器對于 Return后面的指令不進行反編譯，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。

Part6案例分析

在實踐當中，保護一個大型Java程序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程序的保護更加有效。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應用程序，它是一個SCJP(Sun Certificate Java Programmer)的模擬考試軟件。該應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，所以關于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，其中包括本地代碼和混淆技術。因為該軟件主要發布在Windows上，因此轉換成本地代碼后，僅僅需要維護一個版本的本地代碼。另外，混淆對Java程序也是非常有效的，適用于這種獨立發布的應用系統。

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開發的其它模塊。這樣可以更高程度地保護題目管理模塊不被[反編譯。對于Java開發的模塊，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++開發題庫訪問模塊，并且提供了一定的訪問接口。為了保護題庫訪問的接口，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：

初始化接口

在使用題庫模塊之前，我們必須先調用初始化接口。在調用該接口時，客戶端需要提供一個隨機數作為參數。題庫管理模塊和客戶端通過這個隨機數，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據。通過這種方式，只有授權(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，也可以采用雙向認證技術。

數據訪問接口

認證完成之后，客戶端就可以正常的訪問題庫數據。但是，輸入和輸出的數據都是由SessionKey所加密的數據。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。

圖8-時序圖