Java代码加密与反编译（二）：用加密算法DES修改classLoader实现对.class文件加密

二、利用加密算法DES实现java代码加密

        传统的C/C++自动带有保护机制，但java不同，只要使用反编译工具，代码很容易被暴露，这里需要了解的就是Java的ClassLoader对象。

       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。可以通过定制ClassLoader，在类文件执行之前修改它。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。

    创建定制ClassLoader对象：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。这里我们可以自己实现loadClass。

 

制定类装入器：

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。

首先创建一个定制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。

 

step1：生成一个安全秘钥。

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。生成过后的秘钥为key.data。

Util.java:

import java.io.*;

public class Util
{
  // 把文件读入byte数组
  static public byte[] readFile(String filename) throws IOException {
    File file = new File(filename);
    long len = file.length();
    byte data[] = new byte[(int)len];
    FileInputStream fin = new FileInputStream(file);
    int r = fin.read(data);
    if (r != len)
      throw new IOException("Only read "+r+" of "+len+" for "+file);
    fin.close();
    return data;
  }

  // 把byte数组写出到文件
  static public void writeFile(String filename, byte data[]) throws IOException {
    FileOutputStream fout = new FileOutputStream(filename);
    fout.write(data);
    fout.close();
  }
}

GenerateKey.java:

import java.security.SecureRandom;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.SecretKey;

public class GenerateKey
{
  static public void main(String args[]) throws Exception {
    String keyFilename = args[0];
    String algorithm = "DES";

    // 生成密匙
    SecureRandom sr = new SecureRandom();
    KeyGenerator kg = KeyGenerator.getInstance(algorithm);
    kg.init(sr);
    SecretKey key = kg.generateKey();

    // 把密匙数据保存到文件
    Util.writeFile(keyFilename, key.getEncoded());
  }
}

step2：加密待加密的.class文件。

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：

EncryptClasses.java:

import java.security.*;
import javax.crypto.*;
import javax.crypto.spec.*;

public class EncryptClasses
{
  static public void main(String args[]) throws Exception {
    String keyFilename = args[0];
    String algorithm = "DES";

    // 生成密匙
    SecureRandom sr = new SecureRandom();
    byte rawKey[] = Util.readFile(keyFilename);
    DESKeySpec dks = new DESKeySpec(rawKey);
    SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance( algorithm );
    SecretKey key = keyFactory.generateSecret(dks);

    // 创建用于实际加密操作的Cipher对象
    Cipher ecipher = Cipher.getInstance(algorithm);
    ecipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key, sr);

    // 加密命令行中指定的每一个类
    for (int i=1; i<args.length; ++i) {
      String filename = args[i];
      byte classData[] = Util.readFile(filename);  //读入类文件
      byte encryptedClassData[] = ecipher.doFinal(classData);  //加密
      Util.writeFile(filename, encryptedClassData);  // 保存加密后的内容
      System.out.println("Encrypted "+filename);
    }
  }
}

step3：加密待加密的.class文件。

编译之后用命令行启动程序，下面是源码：

DecryptStart.java:

import java.io.*;
import java.security.*;
import java.lang.reflect.*;
import javax.crypto.*;
import javax.crypto.spec.*;

public class DecryptStart extends ClassLoader
{
  // 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
  private SecretKey key;
  private Cipher cipher;

  // 构造函数：设置解密所需要的对象
  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过程：在这里读入密匙，创建DecryptStart的实例，它就是定制ClassLoader。
  // 设置好ClassLoader以后，用它装入应用实例，
  // 最后，通过Java Reflection API调用应用实例的main方法
  public static void main(String args[]) throws Exception {
    String keyFilename = args[0];
    String appName = args[1];

    // 传递给应用本身的参数
    String realArgs[] = new String[args.length-2];
    System.arraycopy( args, 2, realArgs, 0, args.length-2 );

    // 读取密匙
    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);

    // 创建解密的ClassLoader
    DecryptStart dr = new DecryptStart(key);

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

    // 最后通过Reflection API调用应用实例
    // 的main()方法

    // 获取一个对main()的引用
    String proto[] = new String[1];
    Class mainArgs[] = { (new String[1]).getClass() };
    Method main = clasz.getMethod("main", mainArgs);

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

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

  public Class loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
    try {
      // 要创建的Class对象
      Class clasz = null;

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

      if (clasz != null)
          return clasz;

      // 下面是定制部分
      try{
          //读取经过加密的类文件
          byte classData[] = Util.readFile(name+".class");
          if(classData != null){
            byte decryptedClassData[] = cipher.doFinal(classData);  //解密
              clasz = defineClass( name, decryptedClassData, 0, decryptedClassData.length); // 再把它转换成一个类
              System.err.println( "[DecryptStart: decrypting class "+name+"]");
         }
      }catch(FileNotFoundException fnfe){

      }

      // 必需的步骤2：如果上面没有成功
      // 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);

      return clasz;//把类返回给调用者

    } catch(IOException ie) {
          throw new ClassNotFoundException(ie.toString());
    } catch(GeneralSecurityException gse) {
          throw new ClassNotFoundException( gse.toString());
    }
  }
}

step4:运行加密程序。

1.新建java项目，把上面三个.java程序和需要加密的程序.java都放在同一个src目录下，然后在eclipse里构建项目，把所有的.java文件在bin目录下生成.class文件。这里我需要加密jar包里有三个程序：SplitAddress.java、IPSeeker.java、IPEntity.java。

 

2.然后在命令行里，cd到bin目录下启动程序：

java com.javacode.GenerateKeykey.data

这样就在bin下生成了key.data文件。

 

3.把bincomjavacode下的待加密的SplitAddress.class、IPSeeker.class、IPEntity.class拷贝到bin目录下。然后bin目录下命令行启动：

java com.javacode.EncryptClasseskey.data SplitAddress.class IPSeeker.class IPEntity.class

该命令把每个.class文件替换成其各自的加密版本。

（注意：加密版本为bin目录下的.class文件，未加密版本为bincomjavacode下的.class文件）

 

4.运行经过加密的应用。

 

对于未经加密的应用（cd到bincomjavacode），正常执行方式如下：

java IPSeeker arg0 arg1 arg2

对于经过加密的应用（cd到bin），则相应的运行方式为：

java DecryptStart key.data IPSeeker arg0 arg1 arg2

step5:验证

(1) 未加密的可以直接用反编译工具jd-gui查看到源码：

(2) 经过加密的用反编译工具无法查看：

step6:一些说明

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。解决方法是对启动程序进行高质量模糊处理。或者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。

另外大多数JVM本身并不安全，还可以修改JVM，从ClassLoader之外获取解密后的代码并保存到磁盘，从而绕过上述加密所做的一切工作。

不过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。