运用加密技术保护Java源代码

运用加密技术保护Java源代码

内容：

一、为什么要加密？
二、定制类装入器
三、加密、解密
四、应用实例
五、注意事项
参考资源

Java程序的源代码很容易被别人 偷看。只要有一个反编译器，任何人都可以分析别人的代码。本文讨论如何在不修改原有程序的情况下，通过加密技术保护源代码。
一、为什么要加密？
对于传统的C或C++之类的语言来说，要在Web上保护源代码是很容易的，只要不发布它就可以。遗憾的是，Java程序的源代码很容易被别人偷 看。只要有一个反编译器，任何人都可以分析别人的代码。Java的灵活性使得源代码很容易被窃取，但与此同时，它也使通过加密保护代码变得相对容易，我们 唯一需要了解的就是Java的ClassLoader对象。当然，在加密过程中，有关JavaCryptographyExtension（JCE） 的知识也是必不可少的。

有几种技术可以“模糊”Java类文件，使得反编译器处理类文件的效果大打折扣。然而，修改反编译器使之能够处 理这些经过模糊处理的类文件并不是什么难事，所以不能简单地依赖模糊技术来保证源代码的安全。

我们可以用流行的加密工具加密应用，比如 PGP（PrettyGoodPrivacy）或GPG（GNUPrivacyGuard）。这时，最终用户在运行应用之前必须先进行解密。但解 密之后，最终用户就有了一份不加密的类文件，这和事先不进行加密没有什么差别。

Java运行时装入字节码的机制隐含地意味着可以对字节 码进行修改。JVM每次装入类文件时都需要一个称为ClassLoader的对象，这个对象负责把新的类装入正在运行的JVM。JVM给 ClassLoader一个包含了待装入类（比如java.lang.Object）名字的字符串，然后由ClassLoader负责找到类文件，装入原 始数据，并把它转换成一个Class对象。

我们可以通过定制ClassLoader，在类文件执行之前修改它。这种技术的应用非常广泛 ——在这里，它的用途是在类文件装入之时进行解密，因此可以看成是一种即时解密器。由于解密后的字节码文件永远不会保存到文件系统，所以窃密者很难得到解 密后的代码。

由于把原始字节码转换成Class对象的过程完全由系统负责，所以创建定制ClassLoader对象其实并不困难，只需 先获得原始数据，接着就可以进行包含解密在内的任何转换。

Java2在一定程度上简化了定制ClassLoader的构建。在 Java2中，loadClass的缺省实现仍旧负责处理所有必需的步骤，但为了顾及各种定制的类装入过程，它还调用一个新的findClass方法。

这为我们编写定制的ClassLoader提供了一条捷径，减少了麻烦：只需覆盖findClass，而不是覆盖loadClass。 这种方法避免了重复所有装入器必需执行的公共步骤，因为这一切由loadClass负责。

不过，本文的定制ClassLoader并不 使用这种方法。原因很简单。如果由默认的ClassLoader先寻找经过加密的类文件，它可以找到；但由于类文件已经加密，所以它不会认可这个类文件， 装入过程将失败。因此，我们必须自己实现loadClass，稍微增加了一些工作量。

二、定制类装入器
每一个运行着的JVM 已经拥有一个ClassLoader。这个默认的ClassLoader根据CLASSPATH环境变量的值，在本地文件系统中寻找合适的字节码文件。

应 用定制ClassLoader要求对这个过程有较为深入的认识。我们首先必须创建一个定制ClassLoader类的实例，然后显式地要求它装入另外一个 类。这就强制JVM把该类以及所有它所需要的类关联到定制的ClassLoader。Listing1显示了如何用定制ClassLoader装入类文 件。

【Listing1：利用定制的ClassLoader装入类文件】

//首先创建一个 ClassLoader对象
ClassLoadermyClassLoader=newmyClassLoader();

//利 用定制ClassLoader对象装入类文件
//并把它转换成Class对象
ClassmyClass=myClassLoader.loadClass("mypackage.MyClass");

//最后，创建该类的一个实例
ObjectnewInstance=myClass.newInstance();

//注意，MyClass所需要的所有其他类，都将通过
//定制的ClassLoader自动装入






如前所述，定制ClassLoader只需先获取类文件的数据，然后把字节码传递给运行时系统，由后者完成余下的任 务。

ClassLoader有几个重要的方法。创建定制的ClassLoader时，我们只需覆盖其中的一个，即loadClass， 提供获取原始类文件数据的代码。这个方法有两个参数：类的名字，以及一个表示JVM是否要求解析类名字的标记（即是否同时装入有依赖关系的类）。如果这个 标记是true，我们只需在返回JVM之前调用resolveClass。

【Listing2：ClassLoader.loadClass() 的一个简单实现】

publicClassloadClass(Stringname,booleanresolve)
throwsClassNotFoundException{
try{
//我们 要创建的Class对象
Classclasz=null;

//必需的步骤1：如果类已经 在系统缓冲之中，
//我们不必再次装入它
clasz=findLoadedClass(name);

if(clasz!=null)
returnclasz;

//下 面是定制部分
byteclassData[]=/*通过某种方法获取字节码数据*/;
if(classData!=null){
//成功读取字节码数据，现在把它转换成一个Class对象
clasz=defineClass(name,classData,0,classData.length);
}

//必需的步骤2：如果上面没有成功，
//我们尝试用默认的 ClassLoader装入它
if(clasz==null)
clasz=findSystemClass(name);

//必需的步骤3：如有必要，则装入相关的类
if(resolve&&clasz!=null)
resolveClass(clasz);

//把类返回给调用者
returnclasz;

}catch(IOExceptionie){
thrownewClassNotFoundException(ie.toString());
}catch(GeneralSecurityExceptiongse){
thrownewClassNotFoundException(gse.toString());
}
}






Listing2显示了一个简单的 loadClass实现。代码中的大部分对所有ClassLoader对象来说都一样，但有一小部分（已通过注释标记）是特有的。在处理过程 中，ClassLoader对象要用到其他几个辅助方法：

findLoadedClass：用来进行检查，以便确认被请求的类当前还不 存在。loadClass方法应该首先调用它。
defineClass：获得原始类文件字节码数据之后，调用defineClass把它转换 成一个Class对象。任何loadClass实现都必须调用这个方法。
findSystemClass：提供默认ClassLoader的 支持。如果用来寻找类的定制方法不能找到指定的类（或者有意地不用定制方法），则可以调用该方法尝试默认的装入方式。这是很有用的，特别是从普通的JAR 文件装入标准Java类时。
resolveClass：当JVM想要装入的不仅包括指定的类，而且还包括该类引用的所有其他类时，它会把 loadClass的resolve参数设置成true。这时，我们必须在返回刚刚装入的Class对象给调用者之前调用resolveClass。



三、 加密、解密
Java加密扩展即JavaCryptographyExtension，简称JCE。它是Sun的加密服务软件，包含了加密和 密匙生成功能。JCE是JCA（JavaCryptographyArchitecture）的一种扩展。

JCE没有规定具体的加 密算法，但提供了一个框架，加密算法的具体实现可以作为服务提供者加入。除了JCE框架之外，JCE软件包还包含了SunJCE服务提供者，其中包括许多 有用的加密算法，比如DES（DataEncryptionStandard）和Blowfish。

为简单计，在本文中我们将用 DES算法加密和解密字节码。下面是用JCE加密和解密数据必须遵循的基本步骤：

步骤1：生成一个安全密匙。在加密或解密任何数据之前 需要有一个密匙。密匙是随同被加密的应用一起发布的一小段数据，Listing3显示了如何生成一个密匙。【Listing3：生成一个密匙】

//DES 算法要求有一个可信任的随机数源
SecureRandomsr=newSecureRandom();

//为 我们选择的DES算法生成一个KeyGenerator对象
KeyGeneratorkg=KeyGenerator.getInstance("DES");
kg.init(sr);

//生成密匙
SecretKeykey=kg.generateKey();

//获取密匙数据
byterawKeyData[]=key.getEncoded();

/*接 下来就可以用密匙进行加密或解密，或者把它保存
为文件供以后使用*/
doSomething(rawKeyData);




步骤2：加密数据。得到密匙之后，接下来就可以用它加密数据。除了解密的ClassLoader之外，一 般还要有一个加密待发布应用的独立程序（见Listing4）。【Listing4：用密匙加密原始数据】

//DES 算法要求有一个可信任的随机数源
SecureRandomsr=newSecureRandom();

byterawKeyData[]=/*用 某种方法获得密匙数据*/;

//从原始密匙数据创建DESKeySpec对象
DESKeySpecdks=newDESKeySpec(rawKeyData);

//创建一个密匙工厂，然后用它把DESKeySpec转换成
//一个SecretKey对象
SecretKeyFactorykeyFactory=SecretKeyFactory.getInstance("DES");
SecretKeykey=keyFactory.generateSecret(dks);

//Cipher 对象实际完成加密操作
Ciphercipher=Cipher.getInstance("DES");

//用 密匙初始化Cipher对象
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE,key,sr);

//现 在，获取数据并加密
bytedata[]=/*用某种方法获取数据*/

//正式执行加密操作
byteencryptedData[]=cipher.doFinal(data);

//进一步处理加密后的数据
doSomething(encryptedData);



步骤3：解密数据。运行经过加密的应用时，ClassLoader分析并解密类文件。操作步骤如Listing5所 示。【Listing5：用密匙解密数据】

//DES算法要求有一个可信任的随机数源
SecureRandomsr=newSecureRandom();

byterawKeyData[]=/*用某种方法获取原始密匙数据*/;

//从原始 密匙数据创建一个DESKeySpec对象
DESKeySpecdks=newDESKeySpec(rawKeyData);

//创建一个密匙工厂，然后用它把DESKeySpec对象转换成
//一个SecretKey对象
SecretKeyFactorykeyFactory=SecretKeyFactory.getInstance("DES");
SecretKeykey=keyFactory.generateSecret(dks);

//Cipher 对象实际完成解密操作
Ciphercipher=Cipher.getInstance("DES");

//用 密匙初始化Cipher对象
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE,key,sr);

//现 在，获取数据并解密
byteencryptedData[]=/*获得经过加密的数据*/

//正 式执行解密操作
bytedecryptedData[]=cipher.doFinal(encryptedData);

//进 一步处理解密后的数据
doSomething(decryptedData);



四、应用实 例
前面介绍了如何加密和解密数据。要部署一个经过加密的应用，步骤如下：

步骤1：创建应用。我们的例子包含一个App主类， 两个辅助类（分别称为Foo和Bar）。这个应用没有什么实际功用，但只要我们能够加密这个应用，加密其他应用也就不在话下。
步骤2：生成一 个安全密匙。在命令行，利用GenerateKey工具（参见GenerateKey.java）把密匙写入一个文 件：%javaGenerateKeykey.data



步骤3：加密应用。在命令行，利用 EncryptClasses工具（参见EncryptClasses.java）加密应用的 类：%javaEncryptClasseskey.dataApp.classFoo.classBar.class


该命令把每一个.class文件替换成它们各自的加密版本。
步骤4：运行经过加密的应用。用户通过一个DecryptStart程 序运行经过加密的应用。DecryptStart程序如Listing6所示。【Listing6：DecryptStart.java，启动被加 密应用的程序】

importjava.io.*;
importjava.security.*;
importjava.lang.reflect.*;
importjavax.crypto.*;
importjavax.crypto.spec.*;

publicclassDecryptStartextendsClassLoader
{
//这些对象在构造函数中设置，
//以后loadClass()方法将利用它们解密类
privateSecretKeykey;
privateCiphercipher;

//构造函数：设置解密所需要的对象
publicDecryptStart(SecretKeykey)throwsGeneralSecurityException,
IOException{
this.key=key;

Stringalgorithm="DES";
SecureRandomsr=newSecureRandom();
System.err.println("[DecryptStart:creatingcipher]");
cipher=Cipher.getInstance(algorithm);
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE,key,sr);
}

//main过程：我们要在这里读入密匙，创建DecryptStart的
//实例，它就是我 们的定制ClassLoader。
//设置好ClassLoader以后，我们用它装入应用实例，
//最后，我们通过 JavaReflectionAPI调用应用实例的main方法
staticpublicvoidmain(Stringargs[])throwsException{
StringkeyFilename=args[0];
StringappName=args[1];

//这些是传递给应用本身的参数
StringrealArgs[]=newString[args.length-2];
System.arraycopy(args,2,realArgs,0,args.length-2);

//读 取密匙
System.err.println("[DecryptStart:readingkey]");
byterawKey[]=Util.readFile(keyFilename);
DESKeySpecdks=newDESKeySpec(rawKey);
SecretKeyFactorykeyFactory=SecretKeyFactory.getInstance("DES");
SecretKeykey=keyFactory.generateSecret(dks);

//创 建解密的ClassLoader
DecryptStartdr=newDecryptStart(key);

//创 建应用主类的一个实例
//通过ClassLoader装入它
System.err.println("[DecryptStart:loading"+appName+"]");
Classclasz=dr.loadClass(appName);

//最后，通过 ReflectionAPI调用应用实例
//的main()方法

//获取一个对main()的引用
Stringproto[]=newString[1];
ClassmainArgs[]={(newString[1]).getClass()};
Methodmain=clasz.getMethod("main",mainArgs);

//创建一个包含main()方法参数的数组
ObjectargsArray[]={realArgs};
System.err.println("[DecryptStart:running"+appName+".main()]");

//调用main()
main.invoke(null,argsArray);
}

publicClassloadClass(Stringname,booleanresolve)
throwsClassNotFoundException{
try{
//我们要创建的Class对象
Classclasz=null;

//必 需的步骤1：如果类已经在系统缓冲之中
//我们不必再次装入它
clasz=findLoadedClass(name);

if(clasz!=null)
returnclasz;

//下 面是定制部分
try{
//读取经过加密的类文件
byteclassData[]=Util.readFile(name+".class");

if(classData!=null){
//解密...
bytedecryptedClassData[]=cipher.doFinal(classData);

//...再把它转换成一个类
clasz=defineClass(name,decryptedClassData,
0,decryptedClassData.length);
System.err.println("[DecryptStart:decryptingclass"+name+"]");
}
}catch(FileNotFoundExceptionfnfe){
}

//必需的步骤2：如果上面没有成功
//我们尝试用默认的ClassLoader装入它
if(clasz==null)
clasz=findSystemClass(name);

//必需的步骤3：如有 必要，则装入相关的类
if(resolve&&clasz!=null)
resolveClass(clasz);

//把类返回给调用者
returnclasz;
}catch(IOExceptionie){
thrownewClassNotFoundException(ie.toString()
);
}catch(GeneralSecurityExceptiongse){
thrownewClassNotFoundException(gse.toString()
);
}
}
}


对于未经加密的应用，正常执行方式如 下：%javaApparg0arg1arg2


对于经过加密的应用，则相应的运行方式 为：%javaDecryptStartkey.dataApparg0arg1arg2



DecryptStart 有两个目的。一个DecryptStart的实例就是一个实施即时解密操作的定制ClassLoader；同时，DecryptStart还包含一个 main过程，它创建解密器实例并用它装入和运行应用。示例应用App的代码包含在App.java、Foo.java和Bar.java内。 Util.java是一个文件I/O工具，本文示例多处用到了它。完整的代码请从本文最后下载。

五、注意事项
我们看到，要在 不修改源代码的情况下加密一个Java应用是很容易的。不过，世上没有完全安全的系统。本文的加密方式提供了一定程度的源代码保护，但对某些攻击来说它是 脆弱的。

虽然应用本身经过了加密，但启动程序DecryptStart没有加密。攻击者可以反编译启动程序并修改它，把解密后的类文件 保存到磁盘。降低这种风险的办法之一是对启动程序进行高质量的模糊处理。或者，启动程序也可以采用直接编译成机器语言的代码，使得启动程序具有传统执行文 件格式的安全性。

另外还要记住的是，大多数JVM本身并不安全。狡猾的黑客可能会修改JVM，从ClassLoader之外获取解密后 的代码并保存到磁盘，从而绕过本文的加密技术。Java没有为此提供真正有效的补救措施。

不过应该指出的是，所有这些可能的攻击都有一 个前提，这就是攻击者可以得到密匙。如果没有密匙，应用的安全性就完全取决于加密算法的安全性。虽然这种保护代码的方法称不上十全十美，但它仍不失为一种 保护知识产权和敏感用户数据的有效方案。