软件加壳技术的研究与实现
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摘要
从软件保护角度出发，研究对可执行文件进行加密与压缩操作，仅在载入内存后才对其进行解密操作，能够很好地保护软件信息。提供多种软件保护方案，兼顾用户体验与其实用性、安全性。既对软件进行加密保护措施，又不影响其使用。
关键词
软件保护;加壳技术;软件水印
中图分类号： G633.6 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.04.83
0 引言
随着应用软件提供的服务越来越普及，各种恶意软件往往附加在正常软件上恶意传播，危害信息安全;另一方面，为了保护软件不随意被他人“借鉴”，必须对软件中的核心算法和机密数据进行保护。那么研究软件加壳技术实现反调试、反附加等功能，从而增加破解难度，阻碍逆向分析，实现软件保护是相当有必要的。
就目前的破解技术来看，单一的软件保护技术已经无法抵挡破解技术的攻击，因此我们需要进行多种技术的糅合。目前最常用的保护技术是加壳，有加密壳和压缩壳等，但最常用的还是两者结合起来。此外，还有代码虚拟技术，通过构造一个虚拟机，产生一些模拟代码来模拟被保护代码的执行，产生出与保护代码相同的结果，这样就很大程度上阻止了源代码的泄露。这种代码虚拟技术几乎是目前最好的保护技术，但其复杂程度与开发难度相当高。
1 软件加壳系统的总体设计
软件加壳系统主要包括三个部分，即Shell部分、加壳部分和水印部分。下面将具体介绍他们的结构与相关技术。
1.1 Shell部分设计
Shell需要先于源程序获取控制权，Shell可以修改源可执行文件的组织结构，从而能更早控制该程序，对加密后的原程序进行解密，且不影响源程序代码的正常运行。Shell的作用是模拟操作系统装载PE文件，在这个过程中，额外添加解密、解压缩等步骤的过程。所以在运行被保护程序时，实际是先运行了Shell部分的程序代码。
Shell部分获取了程序控制权后，需要将加密后的部分依次解密、解压缩，确保其在内存中可以被操作系统识别并执行，在Shell部分处理完毕后，再将程序控制权转给源程序，继续执行源程序部分的代码。
1.2 加壳部分设计
加壳部分主要对PE文件进行操作，对各区段结构内容进行压缩混淆，增加静态分析难度。加壳确保被保护软件在计算机上存储时是加密状态的，虽然加壳不能完全防止静态分析，但是可以对其进行混淆。静态分析加壳后的程序时，不能直接获取被保护软件的总体结构与具体函数等信息。这样就可以提高被保护程序的安全性。
但是加壳后的程序需要先进行解密与解压操作，才可正常使用。因此采用的加密与压缩算法就需要根据实际情况来选择，有的软件需求强度高一些的算法，这样就会使运行时等候时间变长;有的软件对启动速度有要求，就可以选择加密流程较为简单的算法，即起到了一定的保护作用，又不影响程序的正常启动。在本程序中，也提供了多种加密与压缩算法可供选择。
进行加壳操作时，需要先判断其是否是PE文件。若是，就使用PE解析器对其进行解析，方便后续操作。程序中的一些特殊数据，如TLS（Thread Local Storage）、数字证书信息等，在运行的时候是不会被加载进入内存的，因此在加壳时，需要隔离这部分数据，使后续加密压缩时不影响数据。接下来需要对IAT进行处理，首先需要破坏源程序的IAT和重定位表，将其换一个形式存储。由于修复IAT和重定位表是脱壳时的重要步骤，因此对于IAT和重定位表，破坏得越彻底，脱壳难度就越大。对于源程序的各个区段，对其进行加密压缩操作，可以选择不同的加密算法和壓缩算法。随后需要对资源段中的数据进行处理，将如图标版本信息等特殊数据隔离，其他资源段的数据进行压缩。待各区段处理完毕后，将所有区段进行融合，进行统一处理，这样就减少了区块间隙的个数，进一步缩小文件体积。最后，将shell引导段写入PE文件，以保shell代码在源程序之前运行。
1.3 水印部分总体设计
水印部分采用动态水印技术。动态水印技术主要分为执行状态水印、数据结构水印和复活节彩蛋水印。
执行状态水印对内存地址走向进行编码生成水印，有时也会根据指令执行顺序来生成水印，通过控制地址和操作码顺序的统计特性来执行水印检测。实施起来较为困难。数据结构水印通过输入特定信息激发程序将水印信息隐藏在诸如堆、栈或者全局变量域的程序状态中当所有信息都输入完成之后，通过检测程序变量的当前值来进行水印提取。但是这种水印无法承受迷乱变换的攻击。复活节彩蛋水印不需要检测，通过可以显示版权信息的输入产生输出。但水印隐蔽性较差，可以通过调试软件轻松跟踪和删除。
综合上述三种动态水印技术，本系统选择将水印嵌入到函数中。通过想要加入的版权信息生成等长的数据，将数据与原代码中的常量结合，只有给定一定输入，水印信息才能被产生并计算出来。由于这种水印是随着程序的运行才产生的，能承受各种变形攻击。并且，在源程序函数数量较多时，很难定位到该水印函数，即使被发现了，如果试图修改，程序性能也会受到影响。
水印算法分为水印信息处理、水印分割、构造水印函数、水印嵌入和水印提取五个部分。
设计水印信息包括软件指纹、软件所有者、发行方信息、授权方信息、时间戳、备注。由于信息不等长，不便于之后对数据的处理，所以需要对水印信息进行一些提前处理，将其变为等长的数据。由此想到可以计算信息的MD5摘要值后嵌入程序。
2 软件加壳技术的应用
2.1 游戏产业的应用 在当前的计算机游戏产业中，盗版程序或一些外挂程序将在游戏发布后的几天或几周内出现。玩家希望可以尽快地体验新的游戏玩法，这使得游戏的大部分线上收入是在游戏上市后的较短时间内获得的。如果盗版游戏很快出现，就会严重影响游戏的收入。同时外挂插件程序会影响游戏的公平性，导致外挂泛滥、玩家流失。因此，游戏的开发商们为了自身收益与玩家的体验，总是在游戏中应用软件保护技术。
2.2 软件注册的应用
如果程序的价值很高，且主要销售途径是向公司销售。公司盗版的损失远大于个人盗版。如果公司购买了一份软件，却能让100人同时使用，就大大影响了软件收入。因此需要软件保护技术，来阻止对软件的恶意破解行为，使其只能按正规形式购买软件并使用。这样就有效地保护了开发者的合法权益。
2.3 电子授权技术
电子授权技术是基于软件的加密方式，分为序列号和软件许可两种。该方法的优点是不需要硬件设备，就可以实现软件的电子发行。缺点是受网络限制较大，如果没有网络，就需要手动计算相关信息，再获取序列号导入系统。
软件加密行业的发展与软件行业的发展是密不可分的。大的发展环境下，提供软件产品的方式已经从线下转为线上。因此，软件加密技术也要向着线上发展。就目前的情况而言，加密锁技术的发展空间较小，基于硬件的不便利性使其将会渐渐被电子授权方式所取代。
电子授权技术正在从序列号方式转向软件许可的方式，认证方法也从手动验证变为自动验证。提出的授权管理概念，使电子授权技术发展为授权认证、授权管理和信息统计的综合平台，软件开发商的授权信息化能力有了很大的提高。
3 结语
本系统使用C语言编写，内联汇编代码，在Windows 10操作系統下运行。提供软件加壳功能，对可执行文件进行加密与压缩操作，仅在载入内存后才对其进行解密操作，能够很好地保护软件信息。同时添加了软件水印与软件指纹技术，使被保护程序带有软件所有者身份信息与软件开发授权信息等，进一步保障软件所有者版权。
参考文献
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