论文部分内容阅读
摘 要：Java软件在知识产权的保护上面临着很大的安全风险，Java软件保护是一个亟需解决的课题。在深入研究Java类文件加载机制的基础上，结合密码学中加密体制、密钥管理等技术提出了一种新的Java软件保护方案-加密类文件保护方案。
关键词：Java 软件保护；密钥管理
Java软件保护是目前业界，尤其是很多大公司非常关注的一个课题，因为许多大型的工业、医疗等设备的实时应用软件都是采用Java开发的，而Java类文件本身固有的特性给攻击者提供了反编译的机会，一旦这些软件被破解，将给设备商带来不可估量的损失。用加密的方法来保护Java类文件，加密可以有效地对抗反编译，加密系统的关键问题是如何安全有效地管理密钥。
一、软件保护技术的应用与不足
在对Java体制和Java类文件深入分析研究的基础上，人们从不同的角度出发，提出了多种保护技术，这些保护技术在一定程度上起到了保护Java类文件的作用，但是都存在各自的缺点和不足。将本地化技术应用在Java软件保护上，可以收到很好的效果，但是也存在明显的问题，本地化技术是以丧失Java的跨平台性为代价的，而这恰恰是Java广受欢迎的重要原因。数字水印技术目前被广泛的应用，但是数字水印技术不是一种主动的防御技术，而是一种被动的取证技术，只能在侵权行为己经发生，攻击者己经成功获得代码，为证明产权的归属提供证据时发挥作用，而不能从根本上用技术手段防止侵权行为的发生。代码混淆技术是目前应用最广泛、研究最多的一种技术手段，混淆使用的是类文件模糊技术，通过使用各种手段模糊代码的语义信息、打乱程序的执行流程，从而达到降低反编译代码可读性的目的，但是混淆的前提是不能对程序的外部功能表现有任何的影响，在重构技术日趋成熟的今天，只要有足够的耐心，这些混淆了的代码仍然是可以被反编译出来并且能够被读懂的。
二、密钥保护的可行性分析
在Java软件保护中，需要保护的内容是体现软件价值的创新之处和核心算法，这些都包含在不同的类文件中，如果能够确保核心类文件的内容不被攻击者获得就可以确保Java软件的安全性。利用密码技术，可以将敏感信息加密并通过一种并不安全的途径传递。这样，只有拥有密钥的收件人或终端才能解读原始信息。加密技术是一种数据安全的科学，要完成信息加密需要一种加密算法和一个密钥。加密的安全性取决于加密算法的强度和密钥的保密性。现代密码理论和应用实践证明，使用高级加密算法如：DES、AES等算法加密文件，在攻击者唯密文攻击的情况下，加密文件具有极高的安全性，即在加密机、解密机受到良好保护不被攻击者获得的情况下，可以确保加密文件具有相当的安全性。而对类文件进行加密的方法来保护类文件，能够实现保护Java软件的目的。
三、软件保护技术的方案与实现
在Java软件保护技术中，密钥是整个系统的关键，而攻击者对系统的攻击通常也从对密钥的攻击入手。对软件系统密钥攻击的常见方法是跟踪软件的执行流程，通过对软件解密流程的分析来探测密钥的存放位置，而密钥通常会存放在相对固定的位置上，这样跟踪者在多次跟踪后，就比较容易确定密钥的位置。
1、Java的类加载机制
Java语言编译器把源代码转换为虚拟机上的机器语言，产生的虚拟机代码存储在扩展名为class的类文件中。执行时，虚拟机解释程序解释这些类文件，把虚拟机上的指令序列翻译成目标机器的机器语言。在Java虚拟机中，各个Class Loader对象是按层次结构组织的，除了最顶层的Bootstrap Class Loader以外，每一个Class Loader对象都有一个Parent Class Loader。这种父子层次结构的组织关系是建立在调用关系的基础上，而不是建立在各个Class Loader类的继承关系上。虚拟机除了装载某个特定程序需要的类外，还必须装载系统类（System Class）。虚拟机知道如何利用引导类装载器Bootstrap Classloader装载系统类（例如从JAR文件rt.jar中读取），Bootstrap Classloader是虚拟机的一个重要组成部分，它通常是用C语言实现的。我们无法控制系统类的装载过程，但是可以用定制类装载器装载应用程序类。
2、定制启动程序
对单机应用程序而言，Decrypt ClassLoader类是在定制的启动程序中被使用并创建对象的，启动程序首先用Deerypt ClassLoader对象来载入并解密应用程序的 MainClass，应用程序中所有其他的类都是被 MainClass直接或间接的引用，因而这些被引用的类都会采用Deerypt ClassLoader来载入并解密。这里的启动程序是一个BootApplicatinn类，该类的作用就是替代己经加密过的 MainClass来启动己经加密过的Java应用程序。该类和Decrypt ClassLoader类一样，是不能被加密的，否则就没有类可以启动已经加密过的Java应用程序了。而且Boot Application类的内部实现中也没有任何与加解密有关的信息，即使被成功反编译也是没有意义的。BootApplieation类也是一个Main Class，是一个可以启动并运行的Java类。在BootApplication类中首先保存传入给真正应用程序的 MainClass的参数，以便在解密生成真正的MainClass后，可以把保存好的参数传给它。BootApplication类首先创建一个DecryptelassLoader对象，用该对象来载入真正的MainClass类，这其中使用了关键的Class.forName（ ）方法。
3、web应用程序的保护
在web应用程序中，发布的应用程序是War包，其中包括Servlet，JSP，HTML以及JavaScript等各種文件。只有把War包部署在应用服务器上，Web应用程序才能运行。在单机应用程序中，MainClass类文件被加密，应用程序的启动是由Boot Application类来完成的。在BootApplieation类中需要创建Boot ClassLoader对象并解密MainClass类文件，这样被MainClass引用的所有类都会被DecryptClassLoader对象载入。而在Web应用程序中，启动程序始终是Web服务器，这是一个无法改变的前提。当War包被加密之后，包中的所有类文件都是加密过的Java类文件。因为WebAppClassLoader只能加载正常的Java类文件，而不能加载己经被加密的Java类文件，所以Web服务器无法启动己经被加密过的应用程序。为了解决这个问题，本方案设计的方法是由Web应用程序负责创建DecryptClassLoader。这个方法的优点是无须改动Tomcat中的任何文件，缺点是需要修改Web应用程序的部分源代码。
四、结语
应用此方案实现Java软件的保护，单机应用程序不需要对应用软件的代码作任何改变，网络应用程序的改动也比较小，将servlet的接口和实现分离即可，只需要使用定制的工具加密相应的类文件，并在应用环境下使用定制的Classloader即可实现类文件的解密，因此本方案是一种通用性强、高效方便实现Java软件保护的方法。
参考文献：
[1]申茜，辛晓辉. JAVA软件面临的风险及其保护[J].电脑知识与技术（学术交流），2007，（23）.
[2]胡燕京，张健，王海义，刘轶群.软件保护研究及其在Java软件保护中的应用[J].现代电子技术，2007，（15）.
[3]甘晟科，段隆振，王凤斌. Java软件的加密方法研究与应用[J].计算机与现代化，2005，（2）.
作者简介：庄笑衍（1990，9-），男，江苏宿迁人，天津工业大学2009级软件工程专业本科生。
关键词：Java 软件保护；密钥管理
Java软件保护是目前业界，尤其是很多大公司非常关注的一个课题，因为许多大型的工业、医疗等设备的实时应用软件都是采用Java开发的，而Java类文件本身固有的特性给攻击者提供了反编译的机会，一旦这些软件被破解，将给设备商带来不可估量的损失。用加密的方法来保护Java类文件，加密可以有效地对抗反编译，加密系统的关键问题是如何安全有效地管理密钥。
一、软件保护技术的应用与不足
在对Java体制和Java类文件深入分析研究的基础上，人们从不同的角度出发，提出了多种保护技术，这些保护技术在一定程度上起到了保护Java类文件的作用，但是都存在各自的缺点和不足。将本地化技术应用在Java软件保护上，可以收到很好的效果，但是也存在明显的问题，本地化技术是以丧失Java的跨平台性为代价的，而这恰恰是Java广受欢迎的重要原因。数字水印技术目前被广泛的应用，但是数字水印技术不是一种主动的防御技术，而是一种被动的取证技术，只能在侵权行为己经发生，攻击者己经成功获得代码，为证明产权的归属提供证据时发挥作用，而不能从根本上用技术手段防止侵权行为的发生。代码混淆技术是目前应用最广泛、研究最多的一种技术手段，混淆使用的是类文件模糊技术，通过使用各种手段模糊代码的语义信息、打乱程序的执行流程，从而达到降低反编译代码可读性的目的，但是混淆的前提是不能对程序的外部功能表现有任何的影响，在重构技术日趋成熟的今天，只要有足够的耐心，这些混淆了的代码仍然是可以被反编译出来并且能够被读懂的。
二、密钥保护的可行性分析
在Java软件保护中，需要保护的内容是体现软件价值的创新之处和核心算法，这些都包含在不同的类文件中，如果能够确保核心类文件的内容不被攻击者获得就可以确保Java软件的安全性。利用密码技术，可以将敏感信息加密并通过一种并不安全的途径传递。这样，只有拥有密钥的收件人或终端才能解读原始信息。加密技术是一种数据安全的科学，要完成信息加密需要一种加密算法和一个密钥。加密的安全性取决于加密算法的强度和密钥的保密性。现代密码理论和应用实践证明，使用高级加密算法如：DES、AES等算法加密文件，在攻击者唯密文攻击的情况下，加密文件具有极高的安全性，即在加密机、解密机受到良好保护不被攻击者获得的情况下，可以确保加密文件具有相当的安全性。而对类文件进行加密的方法来保护类文件，能够实现保护Java软件的目的。
三、软件保护技术的方案与实现
在Java软件保护技术中，密钥是整个系统的关键，而攻击者对系统的攻击通常也从对密钥的攻击入手。对软件系统密钥攻击的常见方法是跟踪软件的执行流程，通过对软件解密流程的分析来探测密钥的存放位置，而密钥通常会存放在相对固定的位置上，这样跟踪者在多次跟踪后，就比较容易确定密钥的位置。
1、Java的类加载机制
Java语言编译器把源代码转换为虚拟机上的机器语言，产生的虚拟机代码存储在扩展名为class的类文件中。执行时，虚拟机解释程序解释这些类文件，把虚拟机上的指令序列翻译成目标机器的机器语言。在Java虚拟机中，各个Class Loader对象是按层次结构组织的，除了最顶层的Bootstrap Class Loader以外，每一个Class Loader对象都有一个Parent Class Loader。这种父子层次结构的组织关系是建立在调用关系的基础上，而不是建立在各个Class Loader类的继承关系上。虚拟机除了装载某个特定程序需要的类外，还必须装载系统类（System Class）。虚拟机知道如何利用引导类装载器Bootstrap Classloader装载系统类（例如从JAR文件rt.jar中读取），Bootstrap Classloader是虚拟机的一个重要组成部分，它通常是用C语言实现的。我们无法控制系统类的装载过程，但是可以用定制类装载器装载应用程序类。
2、定制启动程序
对单机应用程序而言，Decrypt ClassLoader类是在定制的启动程序中被使用并创建对象的，启动程序首先用Deerypt ClassLoader对象来载入并解密应用程序的 MainClass，应用程序中所有其他的类都是被 MainClass直接或间接的引用，因而这些被引用的类都会采用Deerypt ClassLoader来载入并解密。这里的启动程序是一个BootApplicatinn类，该类的作用就是替代己经加密过的 MainClass来启动己经加密过的Java应用程序。该类和Decrypt ClassLoader类一样，是不能被加密的，否则就没有类可以启动已经加密过的Java应用程序了。而且Boot Application类的内部实现中也没有任何与加解密有关的信息，即使被成功反编译也是没有意义的。BootApplieation类也是一个Main Class，是一个可以启动并运行的Java类。在BootApplication类中首先保存传入给真正应用程序的 MainClass的参数，以便在解密生成真正的MainClass后，可以把保存好的参数传给它。BootApplication类首先创建一个DecryptelassLoader对象，用该对象来载入真正的MainClass类，这其中使用了关键的Class.forName（ ）方法。
3、web应用程序的保护
在web应用程序中，发布的应用程序是War包，其中包括Servlet，JSP，HTML以及JavaScript等各種文件。只有把War包部署在应用服务器上，Web应用程序才能运行。在单机应用程序中，MainClass类文件被加密，应用程序的启动是由Boot Application类来完成的。在BootApplieation类中需要创建Boot ClassLoader对象并解密MainClass类文件，这样被MainClass引用的所有类都会被DecryptClassLoader对象载入。而在Web应用程序中，启动程序始终是Web服务器，这是一个无法改变的前提。当War包被加密之后，包中的所有类文件都是加密过的Java类文件。因为WebAppClassLoader只能加载正常的Java类文件，而不能加载己经被加密的Java类文件，所以Web服务器无法启动己经被加密过的应用程序。为了解决这个问题，本方案设计的方法是由Web应用程序负责创建DecryptClassLoader。这个方法的优点是无须改动Tomcat中的任何文件，缺点是需要修改Web应用程序的部分源代码。
四、结语
应用此方案实现Java软件的保护，单机应用程序不需要对应用软件的代码作任何改变，网络应用程序的改动也比较小，将servlet的接口和实现分离即可，只需要使用定制的工具加密相应的类文件，并在应用环境下使用定制的Classloader即可实现类文件的解密，因此本方案是一种通用性强、高效方便实现Java软件保护的方法。
参考文献：
[1]申茜，辛晓辉. JAVA软件面临的风险及其保护[J].电脑知识与技术（学术交流），2007，（23）.
[2]胡燕京，张健，王海义，刘轶群.软件保护研究及其在Java软件保护中的应用[J].现代电子技术，2007，（15）.
[3]甘晟科，段隆振，王凤斌. Java软件的加密方法研究与应用[J].计算机与现代化，2005，（2）.
作者简介：庄笑衍（1990，9-），男，江苏宿迁人，天津工业大学2009级软件工程专业本科生。