Java源代碼保護(hù)方法,通過(guò)加密技術(shù)保護(hù)源代碼
有的項(xiàng)目非常注意保密性,對(duì)保護(hù)源碼有很高的要求,通常會(huì)要求對(duì)源碼進(jìn)行加密,以下是我之前做過(guò)一個(gè)項(xiàng)目,采用的保護(hù)方法,下面的內(nèi)容不是我自己寫(xiě)的,在網(wǎng)上查找的資料,運(yùn)用到了自己的項(xiàng)目中。
Java程序的源代碼很容易被別人偷看,只要有一個(gè)反編譯器,任何人都可以分析別人的代碼。本文討論如何在不修改原有程序的情況下,通過(guò)加密技術(shù)保護(hù)源代碼。
一、為什么要加密?
對(duì)于傳統(tǒng)的C或C++之類的語(yǔ)言來(lái)說(shuō),要在Web上保護(hù)源代碼是很容易的,只要不發(fā)布它就可以。遺憾的是,Java程序的源代碼很容易被別人偷看。只要有一個(gè)反編譯器,任何人都可以分析別人的代碼。Java的靈活性使得源代碼很容易被竊取,但與此同時(shí),它也使通過(guò)加密保護(hù)代碼變得相對(duì)容易,我們唯一需要了解的就是Java的ClassLoader對(duì)象。當(dāng)然,在加密過(guò)程中,有關(guān)Java Cryptography Extension(JCE)的知識(shí)也是必不可少的。
有幾種技術(shù)可以“模糊”Java類文件,使得反編譯器處理類文件的效果大打折扣。然而,修改反編譯器使之能夠處理這些經(jīng)過(guò)模糊處理的類文件并不是什么難事,所以不能簡(jiǎn)單地依賴模糊技術(shù)來(lái)保證源代碼的安全。
我們可以用流行的加密工具加密應(yīng)用,比如PGP(Pretty Good Privacy)或GPG(GNU Privacy Guard)。這時(shí),最終用戶在運(yùn)行應(yīng)用之前必須先進(jìn)行解密。但解密之后,最終用戶就有了一份不加密的類文件,這和事先不進(jìn)行加密沒(méi)有什么差別。
Java運(yùn)行時(shí)裝入字節(jié)碼的機(jī)制隱含地意味著可以對(duì)字節(jié)碼進(jìn)行修改。JVM每次裝入類文件時(shí)都需要一個(gè)稱為ClassLoader的對(duì)象,這個(gè)對(duì)象負(fù)責(zé)把新的類裝入正在運(yùn)行的JVM。JVM給ClassLoader一個(gè)包含了待裝入類(比如java.lang.Object)名字的字符串,然后由ClassLoader負(fù)責(zé)找到類文件,裝入原始數(shù)據(jù),并把它轉(zhuǎn)換成一個(gè)Class對(duì)象。

我們可以通過(guò)定制ClassLoader,在類文件執(zhí)行之前修改它。這種技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛——在這里,它的用途是在類文件裝入之時(shí)進(jìn)行解密,因此可以看成是一種即時(shí)解密器。由于解密后的字節(jié)碼文件永遠(yuǎn)不會(huì)保存到文件系統(tǒng),所以竊密者很難得到解密后的代碼。
由于把原始字節(jié)碼轉(zhuǎn)換成Class對(duì)象的過(guò)程完全由系統(tǒng)負(fù)責(zé),所以創(chuàng)建定制ClassLoader對(duì)象其實(shí)并不困難,只需先獲得原始數(shù)據(jù),接著就可以進(jìn)行包含解密在內(nèi)的任何轉(zhuǎn)換。
Java 2在一定程度上簡(jiǎn)化了定制ClassLoader的構(gòu)建。在Java 2中,loadClass的缺省實(shí)現(xiàn)仍舊負(fù)責(zé)處理所有必需的步驟,但為了顧及各種定制的類裝入過(guò)程,它還調(diào)用一個(gè)新的findClass方法。
這為我們編寫(xiě)定制的ClassLoader提供了一條捷徑,減少了麻煩:只需覆蓋findClass,而不是覆蓋loadClass。這種方法避免了重復(fù)所有裝入器必需執(zhí)行的公共步驟,因?yàn)檫@一切由loadClass負(fù)責(zé)。
不過(guò),本文的定制ClassLoader并不使用這種方法。原因很簡(jiǎn)單。如果由默認(rèn)的ClassLoader先尋找經(jīng)過(guò)加密的類文件,它可以找到;但由于類文件已經(jīng)加密,所以它不會(huì)認(rèn)可這個(gè)類文件,裝入過(guò)程將失敗。因此,我們必須自己實(shí)現(xiàn)loadClass,稍微增加了一些工作量。
二、定制類裝入器
每一個(gè)運(yùn)行著的JVM已經(jīng)擁有一個(gè)ClassLoader。這個(gè)默認(rèn)的ClassLoader根據(jù)CLASSPATH環(huán)境變量的值,在本地文件系統(tǒng)中尋找合適的字節(jié)碼文件。
應(yīng)用定制ClassLoader要求對(duì)這個(gè)過(guò)程有較為深入的認(rèn)識(shí)。我們首先必須創(chuàng)建一個(gè)定制ClassLoader類的實(shí)例,然后顯式地要求它裝入另外一個(gè)類。這就強(qiáng)制JVM把該類以及所有它所需要的類關(guān)聯(lián)到定制的ClassLoader。Listing 1顯示了如何用定制ClassLoader裝入類文件。
【Listing 1:利用定制的ClassLoader裝入類文件】
- // 首先創(chuàng)建一個(gè)ClassLoader對(duì)象
- ClassLoader myClassLoader = new myClassLoader();
- // 利用定制ClassLoader對(duì)象裝入類文件
- // 并把它轉(zhuǎn)換成Class對(duì)象
- Class myClass = myClassLoader.loadClass( "mypackage.MyClass" );
- // 最后,創(chuàng)建該類的一個(gè)實(shí)例
- Object newInstance = myClass.newInstance();
- // 注意,MyClass所需要的所有其他類,都將通過(guò)
- // 定制的ClassLoader自動(dòng)裝入
如前所述,定制ClassLoader只需先獲取類文件的數(shù)據(jù),然后把字節(jié)碼傳遞給運(yùn)行時(shí)系統(tǒng),由后者完成余下的任務(wù)。
ClassLoader有幾個(gè)重要的方法。創(chuàng)建定制的ClassLoader時(shí),我們只需覆蓋其中的一個(gè),即loadClass,提供獲取原始類文件數(shù)據(jù)的代碼。這個(gè)方法有兩個(gè)參數(shù):類的名字,以及一個(gè)表示JVM是否要求解析類名字的標(biāo)記(即是否同時(shí)裝入有依賴關(guān)系的類)。如果這個(gè)標(biāo)記是true,我們只需在返回JVM之前調(diào)用resolveClass。
【Listing 2:ClassLoader.loadClass()的一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)】
- public Class loadClass( String name, boolean resolve )
- throws ClassNotFoundException {
- try {
- // 我們要?jiǎng)?chuàng)建的Class對(duì)象
- Class clasz = null;
- // 必需的步驟1:如果類已經(jīng)在系統(tǒng)緩沖之中,
- // 我們不必再次裝入它
- clasz = findLoadedClass( name );
- if (clasz != null)
- return clasz;
- // 下面是定制部分
- byte classData[] = /* 通過(guò)某種方法獲取字節(jié)碼數(shù)據(jù) */;
- if (classData != null) {
- // 成功讀取字節(jié)碼數(shù)據(jù),現(xiàn)在把它轉(zhuǎn)換成一個(gè)Class對(duì)象
- clasz = defineClass( name, classData, 0, classData.length );
- }
- // 必需的步驟2:如果上面沒(méi)有成功,
- // 我們嘗試用默認(rèn)的ClassLoader裝入它
- if (clasz == null)
- clasz = findSystemClass( name );
- // 必需的步驟3:如有必要,則裝入相關(guān)的類
- if (resolve && clasz != null)
- resolveClass( clasz );
- // 把類返回給調(diào)用者
- return clasz;
- } catch( IOException ie ) {
- throw new ClassNotFoundException( ie.toString() );
- } catch( GeneralSecurityException gse ) {
- throw new ClassNotFoundException( gse.toString() );
- }
- }
Listing 2顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的loadClass實(shí)現(xiàn)。代碼中的大部分對(duì)所有ClassLoader對(duì)象來(lái)說(shuō)都一樣,但有一小部分(已通過(guò)注釋標(biāo)記)是特有的。在處理過(guò)程中,ClassLoader對(duì)象要用到其他幾個(gè)輔助方法:
findLoadedClass:用來(lái)進(jìn)行檢查,以便確認(rèn)被請(qǐng)求的類當(dāng)前還不存在。loadClass方法應(yīng)該首先調(diào)用它。
defineClass:獲得原始類文件字節(jié)碼數(shù)據(jù)之后,調(diào)用defineClass把它轉(zhuǎn)換成一個(gè)Class對(duì)象。任何loadClass實(shí)現(xiàn)都必須調(diào)用這個(gè)方法。
findSystemClass:提供默認(rèn)ClassLoader的支持。如果用來(lái)尋找類的定制方法不能找到指定的類(或者有意地不用定制方法),則可以調(diào)用該方法嘗試默認(rèn)的裝入方式。這是很有用的,特別是從普通的JAR文件裝入標(biāo)準(zhǔn)Java類時(shí)。
resolveClass:當(dāng)JVM想要裝入的不僅包括指定的類,而且還包括該類引用的所有其他類時(shí),它會(huì)把loadClass的resolve參數(shù)設(shè)置成true。這時(shí),我們必須在返回剛剛裝入的Class對(duì)象給調(diào)用者之前調(diào)用resolveClass。
三、加密、解密
Java加密擴(kuò)展即Java Cryptography Extension,簡(jiǎn)稱JCE。它是Sun的加密服務(wù)軟件,包含了加密和密匙生成功能。JCE是JCA(Java Cryptography Architecture)的一種擴(kuò)展。
JCE沒(méi)有規(guī)定具體的加密算法,但提供了一個(gè)框架,加密算法的具體實(shí)現(xiàn)可以作為服務(wù)提供者加入。除了JCE框架之外,JCE軟件包還包含了SunJCE服務(wù)提供者,其中包括許多有用的加密算法,比如DES(Data Encryption Standard)和Blowfish。
為簡(jiǎn)單計(jì),在本文中我們將用DES算法加密和解密字節(jié)碼。下面是用JCE加密和解密數(shù)據(jù)必須遵循的基本步驟:
步驟1:生成一個(gè)安全密匙。在加密或解密任何數(shù)據(jù)之前需要有一個(gè)密匙。密匙是隨同被加密的應(yīng)用一起發(fā)布的一小段數(shù)據(jù),Listing 3顯示了如何生成一個(gè)密匙。
【Listing 3:生成一個(gè)密匙】
- // DES算法要求有一個(gè)可信任的隨機(jī)數(shù)源
- SecureRandom sr = new SecureRandom();
- // 為我們選擇的DES算法生成一個(gè)KeyGenerator對(duì)象
- KeyGenerator kg = KeyGenerator.getInstance( "DES" );
- kg.init( sr );
- // 生成密匙
- SecretKey key = kg.generateKey();
- // 獲取密匙數(shù)據(jù)
- byte rawKeyData[] = key.getEncoded();
- /* 接下來(lái)就可以用密匙進(jìn)行加密或解密,或者把它保存
- 為文件供以后使用 */
- doSomething( rawKeyData );
步驟2:加密數(shù)據(jù)。得到密匙之后,接下來(lái)就可以用它加密數(shù)據(jù)。除了解密的ClassLoader之外,一般還要有一個(gè)加密待發(fā)布應(yīng)用的獨(dú)立程序(見(jiàn)Listing 4)。
【Listing 4:用密匙加密原始數(shù)據(jù)】
- // DES算法要求有一個(gè)可信任的隨機(jī)數(shù)源
- SecureRandom sr = new SecureRandom();
- byte rawKeyData[] = /* 用某種方法獲得密匙數(shù)據(jù) */;
- // 從原始密匙數(shù)據(jù)創(chuàng)建DESKeySpec對(duì)象
- DESKeySpec dks = new DESKeySpec( rawKeyData );
- // 創(chuàng)建一個(gè)密匙工廠,然后用它把DESKeySpec轉(zhuǎn)換成
- // 一個(gè)SecretKey對(duì)象
- SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance( "DES" );
- SecretKey key = keyFactory.generateSecret( dks );
- // Cipher對(duì)象實(shí)際完成加密操作
- Cipher cipher = Cipher.getInstance( "DES" );
- // 用密匙初始化Cipher對(duì)象
- cipher.init( Cipher.ENCRYPT_MODE, key, sr );
- // 現(xiàn)在,獲取數(shù)據(jù)并加密
- byte data[] = /* 用某種方法獲取數(shù)據(jù) */
- // 正式執(zhí)行加密操作
- byte encryptedData[] = cipher.doFinal( data );
- // 進(jìn)一步處理加密后的數(shù)據(jù)
- doSomething( encryptedData );
步驟3:解密數(shù)據(jù)。運(yùn)行經(jīng)過(guò)加密的應(yīng)用時(shí),ClassLoader分析并解密類文件。操作步驟如Listing 5所示。
【Listing 5:用密匙解密數(shù)據(jù)】
- // DES算法要求有一個(gè)可信任的隨機(jī)數(shù)源
- SecureRandom sr = new SecureRandom();
- byte rawKeyData[] = /* 用某種方法獲取原始密匙數(shù)據(jù) */;
- // 從原始密匙數(shù)據(jù)創(chuàng)建一個(gè)DESKeySpec對(duì)象
- DESKeySpec dks = new DESKeySpec( rawKeyData );
- // 創(chuàng)建一個(gè)密匙工廠,然后用它把DESKeySpec對(duì)象轉(zhuǎn)換成
- // 一個(gè)SecretKey對(duì)象
- SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance( "DES" );
- SecretKey key = keyFactory.generateSecret( dks );
- // Cipher對(duì)象實(shí)際完成解密操作
- Cipher cipher = Cipher.getInstance( "DES" );
- // 用密匙初始化Cipher對(duì)象
- cipher.init( Cipher.DECRYPT_MODE, key, sr );
- // 現(xiàn)在,獲取數(shù)據(jù)并解密
- byte encryptedData[] = /* 獲得經(jīng)過(guò)加密的數(shù)據(jù) */
- // 正式執(zhí)行解密操作
- byte decryptedData[] = cipher.doFinal( encryptedData );
- // 進(jìn)一步處理解密后的數(shù)據(jù)
- doSomething( decryptedData );
四、應(yīng)用實(shí)例
前面介紹了如何加密和解密數(shù)據(jù)。要部署一個(gè)經(jīng)過(guò)加密的應(yīng)用,步驟如下:
步驟1:創(chuàng)建應(yīng)用。我們的例子包含一個(gè)App主類,兩個(gè)輔助類(分別稱為Foo和Bar)。這個(gè)應(yīng)用沒(méi)有什么實(shí)際功用,但只要我們能夠加密這個(gè)應(yīng)用,加密其他應(yīng)用也就不在話下。
步驟2:生成一個(gè)安全密匙。在命令行,利用GenerateKey工具(參見(jiàn)GenerateKey.java)把密匙寫(xiě)入一個(gè)文件: % java GenerateKey key.data
步驟3:加密應(yīng)用。在命令行,利用EncryptClasses工具(參見(jiàn)EncryptClasses.java)加密應(yīng)用的類: % java EncryptClasses key.data App.class Foo.class Bar.class
該命令把每一個(gè).class文件替換成它們各自的加密版本。
步驟4:運(yùn)行經(jīng)過(guò)加密的應(yīng)用。用戶通過(guò)一個(gè)DecryptStart程序運(yùn)行經(jīng)過(guò)加密的應(yīng)用。DecryptStart程序如Listing 6所示。
【Listing 6:DecryptStart.java,啟動(dòng)被加密應(yīng)用的程序】
- import java.io.*;
- import java.security.*;
- import java.lang.reflect.*;
- import javax.crypto.*;
- import javax.crypto.spec.*;
- public class DecryptStart extends ClassLoader
- {
- // 這些對(duì)象在構(gòu)造函數(shù)中設(shè)置,
- // 以后loadClass()方法將利用它們解密類
- private SecretKey key;
- private Cipher cipher;
- // 構(gòu)造函數(shù):設(shè)置解密所需要的對(duì)象
- public DecryptStart( SecretKey key ) throws GeneralSecurityException,
- IOException {
- this.key = key;
- String algorithm = "DES";
- SecureRandom sr = new SecureRandom();
- System.err.println( "[DecryptStart: creating cipher]" );
- cipher = Cipher.getInstance( algorithm );
- cipher.init( Cipher.DECRYPT_MODE, key, sr );
- }
- // main過(guò)程:我們要在這里讀入密匙,創(chuàng)建DecryptStart的
- // 實(shí)例,它就是我們的定制ClassLoader。
- // 設(shè)置好ClassLoader以后,我們用它裝入應(yīng)用實(shí)例,
- // 最后,我們通過(guò)Java Reflection API調(diào)用應(yīng)用實(shí)例的main方法
- static public void main( String args[] ) throws Exception {
- String keyFilename = args[0];
- String appName = args[1];
- // 這些是傳遞給應(yīng)用本身的參數(shù)
- String realArgs[] = new String[args.length-2];
- System.arraycopy( args, 2, realArgs, 0, args.length-2 );
- // 讀取密匙
- System.err.println( "[DecryptStart: reading key]" );
- byte rawKey[] = Util.readFile( keyFilename );
- DESKeySpec dks = new DESKeySpec( rawKey );
- SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance( "DES" );
- SecretKey key = keyFactory.generateSecret( dks );
- // 創(chuàng)建解密的ClassLoader
- DecryptStart dr = new DecryptStart( key );
- // 創(chuàng)建應(yīng)用主類的一個(gè)實(shí)例
- // 通過(guò)ClassLoader裝入它
- System.err.println( "[DecryptStart: loading "+appName+"]" );
- Class clasz = dr.loadClass( appName );
- // 最后,通過(guò)Reflection API調(diào)用應(yīng)用實(shí)例
- // 的main()方法
- // 獲取一個(gè)對(duì)main()的引用
- String proto[] = new String[1];
- Class mainArgs[] = { (new String[1]).getClass() };
- Method main = clasz.getMethod( "main", mainArgs );
- // 創(chuàng)建一個(gè)包含main()方法參數(shù)的數(shù)組
- Object argsArray[] = { realArgs };
- System.err.println( "[DecryptStart: running "+appName+".main()]" );
- // 調(diào)用main()
- main.invoke( null, argsArray );
- }
- public Class loadClass( String name, boolean resolve )
- throws ClassNotFoundException {
- try {
- // 我們要?jiǎng)?chuàng)建的Class對(duì)象
- Class clasz = null;
- // 必需的步驟1:如果類已經(jīng)在系統(tǒng)緩沖之中
- // 我們不必再次裝入它
- clasz = findLoadedClass( name );
- if (clasz != null)
- return clasz;
- // 下面是定制部分
- try {
- // 讀取經(jīng)過(guò)加密的類文件
- byte classData[] = Util.readFile( name+".class" );
- if (classData != null) {
- // 解密...
- byte decryptedClassData[] = cipher.doFinal( classData );
- // ... 再把它轉(zhuǎn)換成一個(gè)類
- clasz = defineClass( name, decryptedClassData,
- 0, decryptedClassData.length );
- System.err.println( "[DecryptStart: decrypting class "+name+"]" );
- }
- } catch( FileNotFoundException fnfe ) {
- }
- // 必需的步驟2:如果上面沒(méi)有成功
- // 我們嘗試用默認(rèn)的ClassLoader裝入它
- if (clasz == null)
- clasz = findSystemClass( name );
- // 必需的步驟3:如有必要,則裝入相關(guān)的類
- if (resolve && clasz != null)
- resolveClass( clasz );
- // 把類返回給調(diào)用者
- return clasz;
- } catch( IOException ie ) {
- throw new ClassNotFoundException( ie.toString()
- );
- } catch( GeneralSecurityException gse ) {
- throw new ClassNotFoundException( gse.toString()
- );
- }
- }
- }
DecryptStart有兩個(gè)目的。一個(gè)DecryptStart的實(shí)例就是一個(gè)實(shí)施即時(shí)解密操作的定制ClassLoader;同時(shí),DecryptStart還包含一個(gè)main過(guò)程,它創(chuàng)建解密器實(shí)例并用它裝入和運(yùn)行應(yīng)用。示例應(yīng)用App的代碼包含在App.java、Foo.java和Bar.java內(nèi)。Util.java是一個(gè)文件I/O工具,本文示例多處用到了它。
五、注意事項(xiàng)
我們看到,要在不修改源代碼的情況下加密一個(gè)Java應(yīng)用是很容易的。不過(guò),世上沒(méi)有完全安全的系統(tǒng)。本文的加密方式提供了一定程度的源代碼保護(hù),但對(duì)某些攻擊來(lái)說(shuō)它是脆弱的。
雖然應(yīng)用本身經(jīng)過(guò)了加密,但啟動(dòng)程序DecryptStart沒(méi)有加密。攻擊者可以反編譯啟動(dòng)程序并修改它,把解密后的類文件保存到磁盤(pán)。降低這種風(fēng)險(xiǎn)的辦法之一是對(duì)啟動(dòng)程序進(jìn)行高質(zhì)量的模糊處理?;蛘?,啟動(dòng)程序也可以采用直接編譯成機(jī)器語(yǔ)言的代碼,使得啟動(dòng)程序具有傳統(tǒng)執(zhí)行文件格式的安全性。
另外還要記住的是,大多數(shù)JVM本身并不安全。狡猾的黑客可能會(huì)修改JVM,從ClassLoader之外獲取解密后的代碼并保存到磁盤(pán),從而繞過(guò)本文的加密技術(shù)。Java沒(méi)有為此提供真正有效的補(bǔ)救措施。
不過(guò)應(yīng)該指出的是,所有這些可能的攻擊都有一個(gè)前提,這就是攻擊者可以得到密匙。如果沒(méi)有密匙,應(yīng)用的安全性就完全取決于加密算法的安全性。雖然這種保護(hù)代碼的方法稱不上十全十美,但它仍不失為一種保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)和敏感用戶數(shù)據(jù)的有效方案。