軟件保護(hù)機(jī)制研究

蘭勇 龔捷 劉亦歆

摘要：計(jì)算機(jī)安全領(lǐng)域中，軟件保護(hù)一直是很熱門(mén)的研究課題，針對(duì)軟件開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)希望自己的軟件在采用軟件和硬件加密的技術(shù)后不能夠被修改或破解。但是任何的軟件破解者只要花費(fèi)足夠的資源和精力，幾乎所有的軟件都能夠被破解和修改。如何提高軟件的保護(hù)能力，提高軟件的安全性是一個(gè)迫在眉睫的問(wèn)題。該文主要分析常見(jiàn)的軟件保護(hù)方法，以及介紹PE文件格式，同時(shí)提出了基于混合的軟件殼保護(hù)模型。

關(guān)鍵詞：加密；加殼；脫殼；MAC；PE文件

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）05-1081-05

常見(jiàn)的軟件保護(hù)方式包括硬加密和軟加密兩種方式。硬件加密主要是采用加密狗、盤(pán)保護(hù)兩種方式。軟加密保護(hù)主要是充分利用計(jì)算機(jī)硬盤(pán)序列號(hào)、CPU序列號(hào)、MAC等唯一性，利用軟件將硬件的唯一性綁定到一起，有效的形成軟件保護(hù)。常見(jiàn)的軟件保護(hù)包括：軟件水印、注冊(cè)驗(yàn)證、反跟蹤、軟件加殼保護(hù)；隨著目前軟件技術(shù)的發(fā)展，以及惡意軟件感染能力的增強(qiáng)，采用傳統(tǒng)的軟件保護(hù)方式針對(duì)安全性要求高的軟件來(lái)說(shuō)保護(hù)效果不夠明顯，所以需要提出新的軟件保護(hù)方式。軟件開(kāi)發(fā)者通常會(huì)自主開(kāi)發(fā)軟件加密算法和用戶賬號(hào)統(tǒng)一管理工具來(lái)提高軟件的安全性。

1 硬加密方式

常用的硬加密通常采用的方式是將被保護(hù)的軟件與硬件加密鎖有效的綁定到一起，比如一些重要的敏感數(shù)據(jù)、key file授權(quán)文件、加密算法等都存儲(chǔ)到硬件加密鎖中。一般根據(jù)使用CPU的不同分為普通加密鎖和智能加密鎖。

硬加密雖然從安全性上來(lái)說(shuō)比較高，但是缺點(diǎn)還是比較明顯：

1）對(duì)于升級(jí)、維護(hù)比較難以管理；

2）由于需要硬件設(shè)備，所以成本偏高，主要包括生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝等成本；

3）影響用戶體驗(yàn)，因?yàn)樾枰惭b相應(yīng)硬件的設(shè)備驅(qū)動(dòng)和硬件設(shè)備。

2 軟加密方式

軟加密是指使用軟件方法來(lái)進(jìn)行各種加密保護(hù)，隨著軟件保護(hù)技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越多的軟加密技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)，比如常見(jiàn)的：注冊(cè)碼保護(hù)方式、功能菜單限制保護(hù)、使用時(shí)間限制保護(hù)、采用網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證機(jī)制、驗(yàn)證文件保護(hù)、反跟蹤技術(shù)保護(hù)、軟件加殼保護(hù)機(jī)制等。

2.1基于注冊(cè)碼保護(hù)機(jī)制

注冊(cè)碼其實(shí)就是序列號(hào)保護(hù)機(jī)制，本質(zhì)為防止軟件被盜版而采取的保護(hù)措施。用戶通常從網(wǎng)絡(luò)上下載一個(gè)試用版本的軟件，在使用時(shí)間上有限制，如果時(shí)間過(guò)期后，就必須注冊(cè)才能夠繼續(xù)使用，使用者必須將自己的身份證號(hào)碼或手機(jī)號(hào)提供給軟件公司，然后軟件開(kāi)發(fā)公司利用用戶的信息通過(guò)注冊(cè)機(jī)計(jì)算出一個(gè)有效的、唯一的序列號(hào)。用戶再利用計(jì)算出的序列號(hào)和用戶信息輸入軟件中，如果信息合法那么相應(yīng)的限制被取消。整個(gè)過(guò)程從數(shù)學(xué)的角度看其實(shí)就是映射關(guān)系。常見(jiàn)的映射關(guān)系有四種，如表1：

表1 序列號(hào)映射函數(shù)

2.2基于菜單功能限制保護(hù)機(jī)制

基于菜單功能限制保護(hù)的軟件保護(hù)機(jī)制，主要用于軟件的demo版本，部分菜單功能被限制不能夠使用，通常有兩種方式方法一：使用版本的軟件和正式版本的軟件本身完全不同，使用版本的軟件在菜單中對(duì)于的功能實(shí)現(xiàn)函數(shù)根本就沒(méi)有，也就是只有正式版本中才有相應(yīng)的功能處理函數(shù)。方法二：使用版本和正式版本實(shí)質(zhì)上是一樣的，只是將功能菜單設(shè)置為非激活狀態(tài)或隱藏，只有用戶成功升級(jí)為正式用戶后，被限制的功能才會(huì)解除。對(duì)于破解者來(lái)說(shuō)，只需要想辦法如何打開(kāi)這些受限的菜單功能模塊代碼上。

2.3基于時(shí)間限制保護(hù)策略

基于時(shí)間限制的軟件保護(hù)機(jī)制主要包括兩種方式：1、總使用時(shí)間限制；2單次使用時(shí)間限制。

總使用時(shí)間限制主要是針對(duì)試用版本的軟件在試用時(shí)間上的限制，比如某個(gè)軟件試用期限為30天，如果用戶超過(guò)軟件試用期的時(shí)間，此軟件用戶就不能夠再使用了。

第二種方式，主要是指用戶單次使用試用版過(guò)程中的使用時(shí)間的限制，比如使用版本的軟件單次使用的時(shí)間為20分鐘，20分鐘后就不停的彈出提示用戶購(gòu)買(mǎi)升級(jí)為正式用戶。

2.4基于key-file文件保護(hù)機(jī)制

Key-file（注冊(cè)文件保護(hù)）文件保護(hù)機(jī)制，用戶不需要輸入序列號(hào)或注冊(cè)碼等信息，充分利用文件來(lái)保存驗(yàn)證信息實(shí)現(xiàn)軟件安全性保護(hù)。這種方式其實(shí)是序列號(hào)保護(hù)機(jī)制的變形，只是驗(yàn)證信息保存在文件中，通常key-file文件中的文件格式都是軟件開(kāi)發(fā)者自行定義的，從原理上來(lái)說(shuō)通常與軟件的配置文件（通常xml格式）有點(diǎn)類(lèi)似。用戶升級(jí)為正式用戶后，軟件開(kāi)發(fā)者會(huì)提供一個(gè)key-file文件，你只需要把這個(gè)文件放到特定的目錄安裝目錄下面，下次啟動(dòng)軟件的時(shí)候會(huì)自動(dòng)尋找驗(yàn)證用戶的合法性。

2.5基于軟件保護(hù)殼的保護(hù)機(jī)制

基于加殼技術(shù)的軟件保護(hù)主要是對(duì)可執(zhí)行文件進(jìn)行加密、壓縮。對(duì)要保護(hù)的軟件加上一個(gè)外殼，同時(shí)PE文件任然能夠正常運(yùn)行。外殼程序主要負(fù)責(zé)把受保護(hù)的軟件解壓解密到內(nèi)存中，并且控制權(quán)交還給原程序。整個(gè)過(guò)程用戶不清楚也不并清楚該執(zhí)行過(guò)程，并且程序的運(yùn)行速度也沒(méi)有明顯的影響。整過(guò)過(guò)程針對(duì)用戶來(lái)說(shuō)是透明的。

3 PE文件結(jié)構(gòu)

PE文件對(duì)于研究軟件保護(hù)，分析、掌握可執(zhí)行文件的組織結(jié)構(gòu)及其執(zhí)行原理是很有必要的。Windows系統(tǒng)中的“WINNT.H”文件中包含PE文件的詳細(xì)格式，常見(jiàn)的PE文件包括：.EXE、.DLL、.OCX、.SYS、.COM 等類(lèi)型的文件。這種類(lèi)型的文件在磁盤(pán)上的存儲(chǔ)格式是有一定的規(guī)律的。

從總體上看PE文件分為五大部分：1、Dos Header；2、PE Header；3、Section Table；4、Section；5 調(diào)試信息。如圖1所示：

圖1 IPE文件結(jié)構(gòu)圖

可執(zhí)行文件加載器加載文件的時(shí)候，并不是一次把可執(zhí)行文件一次性裝入內(nèi)存中，而是通過(guò)循環(huán)遍歷文件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)判斷那一部分的內(nèi)容被映射到內(nèi)存中。當(dāng)文件被加載到內(nèi)存中，內(nèi)存和外存中的文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了變化。通?？蓤?zhí)行文件在內(nèi)存映射文件中各數(shù)據(jù)塊之間的相對(duì)偏移地址已經(jīng)發(fā)生了改變，同時(shí)科技將內(nèi)存映射文件偏移與外存文件偏移進(jìn)行轉(zhuǎn)換（如圖2）：

圖2 外存與內(nèi)存映像結(jié)構(gòu)圖

4 加殼軟件保護(hù)模型

軟件殼其實(shí)就是一段可執(zhí)行代碼用于防止軟件被非法的使用、修改、拷貝等的程序，當(dāng)可執(zhí)行文件加載到內(nèi)存后，外殼程序首選獲得程序的控制權(quán)，然后解壓加密還原PE文件，最后把控制權(quán)交還給原PE文件。此模型除了采用代碼亂序，還有加密算法和防破解的分析技術(shù)，增強(qiáng)了防止破解者修改程序的能力。

從技術(shù)層面上分析目前殼軟件的發(fā)展現(xiàn)狀：

1）多次加殼。從語(yǔ)義上來(lái)說(shuō)就是對(duì)PE文件進(jìn)行多次加殼，達(dá)到增強(qiáng)軟件的保護(hù)強(qiáng)度。就軟件保護(hù)而言，并不是加殼的次數(shù)與保護(hù)強(qiáng)度成正比的。

2）偽裝加殼。通常通過(guò)改變文件自身的特征屬性來(lái)偽裝自己，從而干擾軟件破解者的分析能力，如果用戶沒(méi)有正確的分辨出外殼的類(lèi)型，破解的時(shí)候?qū)⒒ㄙM(fèi)巨大的資源和時(shí)間，TrickySigner是目前比較流行的偽裝加殼工具。

3）代碼混淆加殼?，F(xiàn)在JAVA中間代碼的保護(hù)就采用的這種方法，目前.net Obfuscator程序上也采用這種保護(hù)方式。

4）代碼變化加殼。這種方式主要是采取合適的算法對(duì)代碼進(jìn)行代碼變化，原程序運(yùn)行的時(shí)候外殼程序就需要把亂序的原程序恢復(fù)為正常的。從靜態(tài)反匯編后看到的代碼全是亂序的。

4.1 加殼原理

加殼的原理：1）對(duì)PE文件各section區(qū)塊壓縮和加密；2）添加解密和解壓程序到新的section區(qū)塊中，以及添加區(qū)塊頭到區(qū)塊表中；3）最后修改原程序的入口地址；加殼結(jié)構(gòu)如圖3：

圖3 加殼結(jié)構(gòu)

4.2外殼加載

外殼的加載過(guò)程如圖4：

1）保存程序的入口參數(shù)

2）獲取殼要用的API地址

3）解密原程序中的所有區(qū)塊的數(shù)據(jù)

4）初始化IAT

5） 重定位

6）HOOK-API

7） 跳轉(zhuǎn)到源程序的入口地址

圖4 加殼可執(zhí)行文件的執(zhí)行過(guò)程

4.3基于混合的軟件保護(hù)模型

常見(jiàn)的脫殼步驟為：首先找到可執(zhí)行原程序的入口地址，再dump可執(zhí)行文件的映像，從加殼后的可執(zhí)行文件自身來(lái)看不管什么時(shí)候最終都要轉(zhuǎn)入原程序的入口地址。由于殼技術(shù)本身的要求我們不可能隱藏入口點(diǎn)的地址。那么我們可以采取的方式是讓脫殼者即使dump了可執(zhí)行文件也沒(méi)法還原程序?；谶@個(gè)特性本文采用了基于混合的軟件加殼保護(hù)模型，將原程序和外殼有效的混合到一起。

圖5 基于混合的軟件保護(hù)模型

從圖5中可以看出即使脫殼者查找到程序的入口地址，同時(shí)dump可執(zhí)行文件的內(nèi)存映像，也很難還原原程序文件。因?yàn)橐坏┌褮っ摿嗽绦虿糠执a也脫掉了。這樣就很難還原原代碼從而達(dá)到保護(hù)軟件的目的。

此模型主要是采用代碼亂序的技術(shù)。此技術(shù)就是把原程序打亂，讓脫殼者很難分析和破解。達(dá)到外殼和原程序相互混合的目的，增加軟件的安全性。此模型除了采用代碼亂序技術(shù)以外，也結(jié)合花指令技術(shù)、反-反匯編技術(shù)、以及結(jié)構(gòu)化異常處理技術(shù)等來(lái)增強(qiáng)被分析、破解的軟件保護(hù)技術(shù)。

4.3.1模型系統(tǒng)架構(gòu)圖

原可執(zhí)行文件處理包括添加殼程序和可執(zhí)行文件重組工程：將需要加殼的文件從磁盤(pán)加載到內(nèi)存中去，接著對(duì)可執(zhí)行文件內(nèi)存映射每個(gè)相關(guān)頭、區(qū)塊進(jìn)行處理。

外殼程序： 加殼后的PE文件首先運(yùn)行殼程序時(shí)候，會(huì)對(duì)原來(lái)的可執(zhí)行文件進(jìn)行循環(huán)校驗(yàn)，同時(shí)對(duì)原加密的區(qū)塊數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，以及重建輸入表，原程序亂序處理，最后還是跳轉(zhuǎn)到原程序的入口地址。如上頁(yè)圖6。

此保護(hù)模型主要由加密部分、外殼部分、外殼添加部分、可執(zhí)行文件處理部分構(gòu)成，詳細(xì)的加殼程序流程如圖7所示：

圖7 系統(tǒng)加殼流程圖

5 結(jié)論

該文首先分析了軟件加密的兩種方式：硬加密和軟加密，同時(shí)詳細(xì)的介紹了當(dāng)前比較流行的軟件加密的幾種方式。然后采用軟件殼的軟件保護(hù)方式，分析PE文件的結(jié)構(gòu)，提出基于混合的代碼保護(hù)模型。假如外殼程序與原程序融合的越緊密，那么起到保護(hù)軟件的作用就越顯著。

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