JAVA 类文件保护分析论文

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【摘要】：由于Java语言面向对象和编译成中间代码执行的特点，其在抗反编译和反盗版方面显得尤其脆弱。本文针对Java软件的特点，运用多种方法，综合设计出一个保护Java类文件的方法。

关键词：Class；加密；密钥；代码混淆

1.引言

目前，Java编程语言的应用在全世界范围正流行，它广泛的应用在Internet的数据库、多媒体、CGI及动态网页的制作方面。1999年在美国对Java程序员的需求量首次超过C++。经调查统计，Java语言应用在软件领域占领着举足轻重的地位，为人类科技文明进步奠定了重要基础。然而，Java语言却存在着巨大的安全隐患。Java是一种跨平台的、解释型语言。第一，Java源代码编译中间“字节码”存储于Class文件中。Class文件是一种字节码形式的中间代码，该字节码中包括了很多源代码的信息，例如变量名、方法名等；第二，由于跨平台的需求，Java的指令集比较简单通用，较容易得出程序的语义信息；第三，Java编译器将每一个类编译成一个单独的文件，这也简化了反编译的工作；第四，Java的Class文件中，仍然保留所有的方法和变量的名称，可以通过这些名称来访问变量和方法，这些符号往往带有许多语义信息。因此，Java程序的这些特点，很容易对不经过处理的Java程序进行反编译。目前，市场上有许多优秀的Java反编译工具，能够反编译出非常接近源代码的程序。所以，对开发人员来说，如何保护Java程序就变成一个非常重要的任务。

2.Java类文件的安全威胁

2.1Java的编译

开发Java应用程序首先是使用编辑工具编写Java的源代码，然后使用编译器编译成虚拟机可执行的Class类文件。编译后生成的类文件是一种有格式的中间代码——字节码文件，不能在本地机器上独立运行，只能在Java虚拟机里解释执行。Java编译器不对变量和方法等符号的引用转换为数值引用，也不确定程序执行过程中的内存布局，而是将这些符号的引用信息保留在类文件中，由解释器在运行过程中创建内存布局，然后再通过查找表来确定一个变量或方法所在的地址[1]。

从Java类文件的结构及其实际数据可知Java类文件保留了源代码文件的大部分信息，如所有的变量和方法等信息。正是由于这个特点，只要在各个平台上实现了各自的Java虚拟机，不用修改Java应用程序的源代码就可以在各个平台上运行，真正做到跨平台的特性，这也是Java能够迅速流行起来的重要原因。

2.2Java的反编译

反编译是一个将目标代码转换成源代码的过程[2]。而目标代码是一种用语言表示的代码，这种语言能通过实机或虚拟机直接执行。从本质上说，他需要根据小规模、低层次的行为来推断大规模、高层次的行为。因此，反编译目标代码并不容易。

在JDK中，有一个反编译器javap[3]，利用该工具可以对Java类文件进行反编译。经过

该工具反汇编后得到的结果并不是源代码，但是使用javap进行反编译的Java类文件可以得到成员变量、方法、行号以及局部变量名等信息[4]。在javap工具的基础上，一些反编译工具如Mocha，WinDis，DjDecompiler等工具可反编译出和源代码几乎一摸一样的代码。

3.常用Java类文件保护方法

由于Java字节码的抽象级别较高，容易被反编译，所以就有了多种防止Java字节码被反编译的方法。

隔离Java程序：最简单的方法就是让用户不能够访问到JavaClass程序，这种方法是最根本的方法，具体实现有多种方式。

代码混淆：这种方法对Class文件进行重新组织和处理，使得处理前后的代码具有相同的语义，被混淆后的代码很难被反编译。

转换成本地代码：本地代码难以被反编译，开发人员可以选择将整个应用程序或关键模块转换成本地代码。如果仅仅转换关键模块，在使用这些模块时，需调用JNI技术，这将牺

牲Java的跨平台特性

加密Class文件：为了防止Class文件被直接反编译，可以将一些关键的Class文件加密

[5]，例如对密钥、加密算法、注册码、序列号管理相关的类等。在使用这些被加密的类之前先解密，然后再将其装载到JVM中。

对比上述几种方法，都存在其自身的优缺点。隔离Java程序只能适合网络环境的客户机/服务器结构或者分布式的环境，对单机运行的程序就无法隔离，而且Java程序需要使用安全机制保护服务器开放接口的使用，服务器的安全成了整个系统安全的焦点。代码本地化，对于不同的平台，需要维护不同版本的本地代码，这将加重软件支持和维护的工作。对Class文件进行加密，在使用时再进行解密，同时将关键加密代码部分进行代码混淆，这样经过双重处理后，代码的安全性[6]提高了很多，该方法也是本文研究的重点。

4.Class文件加密技术

Java生成的Class文件大量暴露在客户端，利用现在的反编译工具可轻易的获取源代码，下面将讲叙如何有效的保护Class文件。

第一，读取本工程的所有待加密Class文件，并保存到byte型数组中；

publicstaticbyte[]symmetricEncrypt(byte[]key,byte[]classData){…}；方法对读取到的所

有Class文件进行加密，key为用来加密的密钥，classData为所读到的待加密Class文件，返回结果为加密后的Class文件，然后将其写回原来的Class中，保证结构的完整性。

第二，加密过的Class文件在使用之前需先对其进行解密。

Java虚拟机有默认的类加载器，但是若要它根据用户提供的密码解密代码就难以做到，此时需要通过自定义ClassLoader类来完成加密类的装载。自定义的ClassLoader首先找到被加密过的类，然后进行解密，最后将解密后的类装载到JVM中。这里我的自定义ClassLoader如下：

ClassLoaderappLoader=newEncryptedClassLoader(EncryptedClassLoader.class.getClassLoader(),newFile(args[1]));

Thread.currentThread().setContextClassLoader(appLoader);

finalClassapp=appLoader.loadClass(args[2]);

其中参数args[1]传入的是方法所在的工程名，args[2]为主函数所在的类名。

在加载类后，系统的默认findClass()并未对加载的类作任何处理，由于Class文件已被

加密过，此时若运用系统方法findClass()则会抛出ClassNotFoundException（）的异常，所以这里需要重构我自己的findClass()方法：

protectedClassfindClass(finalStringname)throwsClassNotFoundException{

finalStringclassResource=name.replace(''''.'''',''''/'''')+".class";finalURLclassURL=getResource(classResource);InputStreamin=null;

Filefile=newFile(classURL.getPath());

byte[]classBytes=newbyte[(int)file.length()];FileInputStreamfin=newFileInputStream(file);fin.read(classBytes);

……

classBytes=decrypt(classBytes);//解密

……

returndefineClass(name,classBytes,0,classBytes.length);

在这个函数中，我运用decrypt(classBytes);方法对所有的加密Class文件进行解密，并在其中调用方法publicstaticbyte[]symmetricEncrypto(byte[]key,byte[]byteSource){}将解密后的Class文件保存直原文件处，保持文件目录级别不变,key为解密密钥，byteSource为待

解密的byte型文件。至此，已完成对类文件的加密和解密，经过测试，功能已实现，Class

文件无法被反编译。但为进一步加强程序的安全性，我做了如下的处理。

第三，对包含有关键信息的方法进行代码混淆处理[7]。在上述内容中，方法symmetricEncrypt(byte[]key,byte[]classData)包含有加密所用到的算法，自定义的ClassLoader包含有关键信息，findClass(finalStringname)以及decrypt(classBytes);中包含有解密信息，由于它们本身不是被加密的，因此它可能成为黑客最先攻击的目标。如果相关的解密密钥和算法被攻克，那么被加密的类也很容易被解密。所以这里我对这些关键代码进行代码混淆。代码混淆是对代码进行重新组织和处理，使得处理后的代码与处理前的代码完成相同的功能，但是混淆后的代码很难被反编译。代码混淆有符号混淆、数据混淆、控制混淆和预防性混淆。这里我采用数据混淆对关键代码进行处理。

publicstaticbyte[]symmetricEncrypt(byte[]key,byte[]classData){…}；处理如下：

//rawKey，byteSource为symmetricEncrypt(byte[],byte[])的待传入参数

byte[]tempkey=null;

tempkey[0]=0x00;

for(inti=0;i<key.length;i++)

tempkey[i+1]=key[i];

tempkey[key.length+1]=0x11;

byte[]source=null;

source[0]=0x00;

for(inti=0;i<classData.length;i++)source[i+1]=classData[i];source[classData.length+1]=0x11;

publicstaticbyte[]symmetricEncrypt(byte[]tempkey,byte[]source){

//取tempkey和source的除第一个和最后一个byte的值

......

}

对publicClassloadClass(finalStringtempname,finalbooleanresolve){}方法进行处理：

Stringtempname="abcdefg"+name;//name:loadClass的第一个待传入参数

publicClassloadClass(finalStringtempname,finalbooleanresolve){Stringname=tempname.substring(11,tempname.length());

......

}

对findClass(Stringname){}方法进行处理：

//name为findClass(Stringname)待传入参数，先做如下处理

addname=name+"01357924680";

protectedClassfindClass(finalStringaddname){

name=addname.substring(0,addname.length()-11);

......//fingClass其他工作

}

intlen;//len=待传文件file的长度:file.length()

byte[]classBytes=newbyte[(int)len];classBytes[len+1]=0x00;classBytes[len+2]=0x11;

//classBytes作为decrypt(byte[]classBytes)的传入参数

privatestaticbyte[]decrypt(finalbyte[]classBytes){

byte[]data=newbyte[(int)classByte.lengt-2];

for(inti=0;i<data.length;i++)

data[i]=classBytes[i];

......//解密工作

}

5.结论

本文介绍了我针对Java类文件设计的保护方法，在众多方法中，我选择了对Class文件进行加密这一思想，加密之后又对包含重要信息的方法进行代码混淆处理，这样就对文件起到了双重保护的作用。经过在Windows平台上测试，效果良好，难以反编译，起到了很好的保护作用。