Java程序版权保护解决方案

通常C、C++等编程语言开发的程序都被编译成目标代码，这些目标代码都是本机器的二进制可执行代码。通常所有的源文件被编译、链接成一个可执行文件。在这些可执行文件中，编译器删除了程序中的变量名称、方法名称等信息，这些信息往往是由内存地址表示，例如如果需要使用一个变量，往往是通过这个变量的地址来访问的。因此，反编译这些本地的目标代码就是非常困难的。

　　Java语言的出现，使得反编译变得非常容易而有效。原因如下：1.由于跨平台的需求，Java的指令集比较简单而通用，较容易得出程序的语义信息；2.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；3.Java 的Class文件中，仍然保留所有的方法名称、变量名称，并且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。由于Java程序自身的特点，对于不经过处理的Java程序反编译的效果非常好。

　　目前，市场上有许多Java的反编译工具，有免费的，也有商业使用的，还有的是开放源代码的。这些工具的反编译速度和效果都非常不错。好的反编译软件，能够反编译出非常接近源代码的程序。因此，通过反编译器，黑客能够对这些程序进行更改，或者复用其中的程序。因此，如何保护Java程序不被反编译，是非常重要的一个问题。

　　一、常用的保护技术

　　由于Java字节码的抽象级别较高，因此它们较容易被反编译。本节介绍了几种常用的方法，用于保护Java字节码不被反编译。通常，这些方法不能够绝对防止程序被反编译，而是加大反编译的难度而已，因为这些方法都有自己的使用环境和弱点。

　　1、隔离Java程序

　　最简单的方法就是让用户不能够访问到Java Class程序，这种方法是最根本的方法，具体实现有多种方式。例如，开发人员可以将关键的Java Class放在服务器端，客户端通过访问服务器的相关接口来获得服务，而不是直接访问Class文件。这样黑客就没有办法反编译Class文件。目前，通过接口提供服务的标准和协议也越来越多，例如 HTTP、Web Service、RPC等。但是有很多应用都不适合这种保护方式，例如对于单机运行的程序就无法隔离Java程序。这种保护方式见图1所示。

　　图1隔离Java程序示意图

我们的应用程序HRMS，实际上就是这样的一种B/S结构的应用程序，最终的用户只能通过浏览器浏览JSP页面，在JSP页面中完成所有的业务功能，并且我们没有使用Applet 这种在客户断运行的程序，最终的用户更本没有机会接触到处理JSP页面请求的后台servlet的 class文件，也就保护了我们的程序不被反编译。

　　2、对Class文件进行加密

　　为了防止Class文件被直接反编译，许多开发人员将一些关键的Class文件进行加密，例如对注册码、序列号管理相关的类等。在使用这些被加密的类之前，程序首先需要对这些类进行解密，而后再将这些类装载到JVM当中。这些类的解密可以由硬件完成，也可以使用软件完成。

　　在实现时，开发人员往往通过自定义ClassLoader类来完成加密类的装载(注意由于安全性的原因，Applet不能够支持自定义的ClassLoader)。自定义的ClassLoader首先找到加密的类，而后进行解密，最后将解密后的类装载到JVM当中。在这种保护方式中，自定义的ClassLoader是非常关键的类。由于它本身不是被加密的，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。这种保护方式示意图见图2。

　　图2 对Class文件进行加密示意图

但是这种方法需要首先需要对编写代码对类文件进行加密，然后自己编写类加载器来，在往JAVA虚拟机导入class文件的同时进行class文件的解密。而且这种方适合有一个入口的简单应用程序，即Main[]函数，在这个入口的地方依次找到所有加载的类文件，以及这个类所有依赖的类，依次加载；我们的应用程序功能是由很多个servlet共同完成，可能不止一个入口，这样也会给编写类加载器带来很大的困难；

　　3、转换成本地代码

　　将程序转换成本地代码也是一种防止反编译的有效方法。因为本地代码往往难以被反编译。开发人员可以选择将整个应用程序转换成本地代码，也可以选择关键模块转换。如果仅仅转换关键部分模块，Java程序在使用这些模块时，需要使用JNI技术进行调用。

　　当然，在使用这种技术保护Java程序的同时，也牺牲了Java的跨平台特性。对于不同的平台，我们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。不过对于一些关键的模块，有时这种方案往往是必要的。

　　为了保证这些本地代码不被修改和替代，通常需要对这些代码进行数字签名。在使用这些本地代码之前，往往需要对这些本地代码进行认证，确保这些代码没有被黑客更改。如果签名检查通过，则调用相关JNI方法。这种保护方式示意图见图3。

　　图3 转换成本地代码示意图

　　4、代码混淆

　　代码混淆是对Class文件进行重新组织和处理，使得处理后的代码与处理前代码完成相同的功能(语义)。但是混淆后的代码很难被反编译，即反编译后得出的代码是非常难懂、晦涩的，因此反编译人员很难得出程序的真正语义。从理论上来说，黑客如果有足够的时间，被混淆的代码仍然可能被破解，甚至目前有些人正在研制反混淆的工具。但是从实际情况来看，由于混淆技术的多元化发展，混淆理论的成熟，经过混淆的Java代码还是能够很好地防止反编译。下面我们会详细介绍混淆技术，因为混淆是一种保护Java程序的重要技术。图4是代码混淆的示意图。

　　图4 代码混淆示意图

　　几种技术的总结

　　以上几种技术都有不同的应用环境，各自都有自己的弱点，表1是相关特点的比较。

　　5、混淆技术介绍

到目前为止，对于Java程序的保护，混淆技术还是最基本的保护方法。Java混淆工具也非常多，包括商业的、免费的、开放源代码的。Sun公司也提供了自己的混淆工具。它们大多都是对Class文件进行混淆处理，也有少量工具首先对源代码进行处理，然后再对Class进行处理，这样加大了混淆处理的力度。目前，商业上比较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。主要的混淆技术按照混淆目标可以进行如下分类，它们分别为符号混淆(Lexical
Obfuscation)、数据混淆(Data Obfuscation)、控制混淆(Control Obfuscation)、预防性混淆(Prevent Transformation)。

　　符号混淆

　　在Class中存在许多与程序执行本身无关的信息，例如方法名称、变量名称，这些符号的名称往往带有一定的含义。例如某个方法名为getKeyLength()，那么这个方法很可能就是用来返回Key的长度。符号混淆就是将这些信息打乱，把这些信息变成无任何意义的表示，例如将所有的变量从vairant_001开始编号；对于所有的方法从method_001开始编号。这将对反编译带来一定的困难。对于私有函数、局部变量，通常可以改变它们的符号，而不影响程序的运行。但是对于一些接口名称、公有函数、成员变量，如果有其它外部模块需要引用这些符号，我们往往需要保留这些名称，否则外部模块找不到这些名称的方法和变量。因此，多数的混淆工具对于符号混淆，都提供了丰富的选项，让用户选择是否、如何进行符号混淆。

　　数据混淆

　　图5 改变数据访问

　　数据混淆是对程序使用的数据进行混淆。混淆的方法也有多种，主要可以分为改变数据存储及编码(Store and
Encode Transform)、改变数据访问(Access
Transform)。

　　改变数据存储和编码可以打乱程序使用的数据存储方式。例如将一个有10个成员的数组，拆开为10个变量，并且打乱这些变量的名字；将一个两维数组转化为一个一维数组等。对于一些复杂的数据结构，我们将打乱它的数据结构，例如用多个类代替一个复杂的类等。

　　另外一种方式是改变数据访问。例如访问数组的下标时，我们可以进行一定的计算，图5就是一个例子。

　　在实践混淆处理中，这两种方法通常是综合使用的，在打乱数据存储的同时，也打乱数据访问的方式。经过对数据混淆，程序的语义变得复杂了，这样增大了反编译的难度。

　　控制混淆

　　控制混淆就是对程序的控制流进行混淆，使得程序的控制流更加难以反编译，通常控制流的改变需要增加一些额外的计算和控制流，因此在性能上会给程序带来一定的负面影响。有时，需要在程序的性能和混淆程度之间进行权衡。控制混淆的技术最为复杂，技巧也最多。这些技术可以分为如下几类：

　　增加混淆控制 通过增加额外的、复杂的控制流，可以将程序原来的语义隐藏起来。例如，对于按次序执行的两个语句A、B，我们可以增加一个控制条件，以决定B的执行。通过这种方式加大反汇编的难度。但是所有的干扰控制都不应该影响B的执行。图6就给出三种方式，为这个例子增加混淆控制。

　　图6 增加混淆控制的三种方式

　　控制流重组 重组控制流也是重要的混淆方法。例如，程序调用一个方法，在混淆后，可以将该方法代码嵌入到调用程序当中。反过来，程序中的一段代码也可以转变为一个函数调用。另外，对于一个循环的控制流，为可以拆分多个循环的控制流，或者将循环转化成一个递归过程。这种方法最为复杂，研究的人员也非常多。

　　预防性混淆

　　这种混淆通常是针对一些专用的反编译器而设计的，一般来说，这些技术利用反编译器的弱点或者Bug来设计混淆方案。例如，有些反编译器对于Return后面的指令不进行反编译，而有些混淆方案恰恰将代码放在Return语句后面。这种混淆的有效性对于不同反编译器的作用也不太相同的。一个好的混淆工具，通常会综合使用这些混淆技术。

6．我们所采用的混淆工具retroGuard

RetroGuard v1.1是集成在Jbuilder9中的一个混淆工具，在Tools\Configue Obfuscators中可以到看默认的混淆器设置；

要在工程中使用RetroGuard的步骤：

1） 设置工程属性：

Project\Project Properties下，属性页面如下；

在Build选项卡中，设置混淆，选中Obfuscate复选框；

2） 重启工程；

设置混淆之后，需要重新启动工程；

3） 编译工程

重启工程之后，执行编译，编译生成的class文件就是已经经过混淆的class 文件了。

RetreGuard采用的混淆技术主要是符号混淆，把类文件中的主要方法名和类名混淆，消除代码的语义；

下面可以对比混淆的效果：

没有经过混淆的class文件经过反编译软件反编译结果如下（截取的代码片段）：

if(request.getParameter("requestor").equals("QueryResultJsp1_1"))

            {

                if(request.getParameter("url") != null && request.getParameter("url").equals("UP"))

                    viewurl = pageUp(request, response);

                else

                if(request.getParameter("url") != null && request.getParameter("url").equals("DOWN"))

                    viewurl = pageDown(request, response);

                else

                if(request.getParameter("url") != null && request.getParameter("url").equals("FIRST"))

                    viewurl = firstPage(request, response);

                else

                if(request.getParameter("url") != null && request.getParameter("url").equals("LAST"))

                    viewurl = lastPage(request, response);

} else

可以看出，没有经过混淆的class文件，被反编译之后，是很容易理解的；

经过混淆之后，同样的一段代码片段的反编译结果如下：

if(request.getParameter("requestor").equals("QueryResultJsp1_1"))

            {

                if(request.getParameter("url") != null && request.getParameter("url").equals("UP"))

                    viewurl = _$4866(request, response);

                else

                if(request.getParameter("url") != null && request.getParameter("url").equals("DOWN"))

                    viewurl = _$4867(request, response);

                else

                if(request.getParameter("url") != null && request.getParameter("url").equals("FIRST"))

                    viewurl = _$4868(request, response);

                else

                if(request.getParameter("url") != null && request.getParameter("url").equals("LAST"))

                    viewurl = _$4869(request, response);

            } else

可以看出，代码中所调用的方法名称都经过了混淆处理，反编译之后，依然看不出代码的语义。

但是，如果有人专门进行反编译工作，只要有足够的时间，经过如此混淆处理的class文件，还是可以被完全解读的。

7.另外一种混淆工具joc

joc是网络上流行的一种JAVA代码混淆工具，该工具主要是一个jar包。

这个工具不能集成到JBUILDER中，使用比较麻烦；

使用这个工具的步骤：

1）下载joc.jar包；

2）配置系统的环境变量：

在控制面板\系统\高级\环境变量下,设置变量classPath,增加所有所编译代码所需要的类文件的路径;

D:\IBM\WebSphere MQ\Java\lib\providerutil.jar;D:\IBM\WebSphere MQ\Java\lib\com.ibm.mqjms.jar;D:\IBM\WebSphere MQ\Java\lib\ldap.jar;D:\IBM\WebSphere MQ\Java\lib\jta.jar;D:\IBM\WebSphere MQ\Java\lib\jndi.jar;D:\IBM\WebSphere MQ\Java\lib\jms.jar;D:\IBM\WebSphere MQ\Java\lib\connector.jar;D:\IBM\WebSphere MQ\Java\lib\fscontext.jar;D:\IBM\WebSphere MQ\Java\lib\com.ibm.mq.jar;d:\jbuilder9\jdk1.4\lib\tools.jar;d:\jbuilder9\jdk1.4\lib\dt.jar;D:\work2004\lib\dbaccess.jar;D:\work2004\lib\hrexception.jar;D:\work2004\lib\jspmart.jar;D:\work2004\lib\jxl.jar;D:\work2004\lib\log4j-1.2.8.jar;D:\work2004\lib\orgtree.jar;D:\work2004\lib\pagetailor.jar;D:\work2004\lib\salary.jar;D:\work2004\lib\taglib.jar;D:\work2004\lib\util.jar;D:\WebSphere\AppServer\lib\ecutils.jar;D:\WebSphere\AppServer\lib\j2ee.jar;D:\WebSphere\AppServer\lib\naming.jar;D:\WebSphere\AppServer\lib\namingclient.jar;D:\WebSphere\AppServer\lib\properties;D:\JBuilder9\lib\mail.jar;

3）使用命令行方式，编译所要编译的类；

运行java -jar joc.jar就可以启动Java混淆编译器，joc的命令行参数和javac完全相同，但增加了一个新的参数-Xobfuscate，它的用法如下：

-Xobfuscate:<level>

其中<level>指定混淆级别，可以是以下几种级别：

-Xobfuscate:none        不进行混淆

-Xobfuscate:private     对所有private访问级别的元素进行混淆

-Xobfuscate:package     对所有private或package private元素进行混淆

-Xobfuscate:protected   对所有private, package private, protected元素进行混淆

-Xobfuscate:public      对所有的元素都进行混淆

-Xobfuscate:all         相当于-Xobfuscate:public

如果使用-Xobfuscate不带级别参数，则相当于-Xobfuscate:package;

除了在命令行用-Xobfuscate参数控制符号混淆级别外，还可以在源代码中使用符号保留指令来控制那些符号需要保留，符号保留指令是一个Java文档注释指令，可以插入在类和类成员的文档注释中，例如：

        /**
        * This class should preserve.
        * @preserve
        */
       public class Foo {
           /**
            * You can specify which field should be preserved.
            * @preserve
            */
           private int x;
       }

如果没有@preserve指令，则根据混淆级别及成员的访问级别来确定符号是否保留。

对于类的符号保留指令可以附带一个保留级别参数，来控制类成员的符号保留，包括：

@preserve            仅对类名进行保留，类成员的保留根据-Xobfuscate命令行参数决定

@preserve public     保留所有public成员

@preserve protected  保留所有public和protected成员

@preserve package    保留所有public, protected, package private成员

@preserve private    保留所有成员

@preserve all        相当于@preserve private

经过这个混淆器混淆之后的类文件的混淆效果和RetroGuard的混淆效果差不多。