Control Flow Flattening
简要来说，控制流平坦化是对程序控制流的变换，使得所有基本块都处于同一个层级，因此就无法简单推断出嵌套、顺序、条件分支的关系，从而干扰分析。经过控制流混淆后的代码，控制流图会变得比较“扁平”，因为原先的基本块的前驱和后继都被改成了派发器，原来的循环中的有层级关系的基本块经过处理后处于同一个层级了。下面是论文1的一张图：
基于OLLVM的实现已经十分成熟，网上也有很多教程。
本文尝试基于soot框架实现类似的控制流混淆。
尽管soot有一个新的sootup版本，而尝试起来确实比原来的soot的API更加友好，方便，但是其缺乏后端的支持，只能生成Jimple代码，因此本文还是选择原本的soot进行开发。
Soot Implementation
主要的思路就是创建一个大的Switch块，将随机生成的常量与基本块对应起来，最后写入派发的逻辑。如果是JGotoStmt，那么把跳转的目标设置为bigswitch，并且插入一个对x的赋值。对于JIfStmt，则需要获取到两个target对应的x值，并将跳转目标也都设置为bigswitch。
Soot IR (Jimple)
Statements
Stmt是Jimple的一个基本单元。各种操作，例如JAssignStmt是赋值操作，前面提到的bigswitch可以用下面的代码实现：
var big_switch = Jimple.v().newLookupSwitchStmt(x, keys, key_targets, assignStmt);
Basic Block
Basic Block是连续的不包含跳转的代码块。soot中可以通过BriefBlockGraph来得到。
var bbg = new BriefBlockGraph(body);
var bbs = bbg.getBlocks();绘图使用CFGToDotGraph类。
UnitGraph unitGraph = new ClassicCompleteUnitGraph(body);
unitGraph.size();
CFGToDotGraph dotGraph = new CFGToDotGraph();
var res = dotGraph.drawCFG(unitGraph, body);
String filename = body.getMethod().getName() + ".dot";
res.plot(filename);
Implementation
soot的初始化部分较为复杂，因此笔者直接参考了下面的代码：
混淆主要是用transformer来插入和修改Unit。Transformer是继承自类BodyTransformer,或者SceneTransformer，根据粒度的不同。
- 方法body (e.g.,
BodyTransformer).
public class MyBodyTransformer extends BodyTransformer {
@Override
protected void internalTransform(Body body, String phaseName, Map<String, String> options) {
// Analyze or transform the body
for (Unit unit : body.getUnits()) {
System.out.println("Statement: " + unit);
}
}
}- 全程序 (e.g.,
SceneTransformer).
public class MySceneTransformer extends SceneTransformer {
@Override
protected void internalTransform(String phaseName, Map<String, String> options) {
// Analyze or transform the program's scene
Scene scene = Scene.v();
for (SootClass clazz : scene.getClasses()) {
System.out.println("Class: " + clazz.getName());
}
}
}soot的执行是基于phases的，和llvm的pass类似，是对IR代码的分析和转换，transformer也在这里被执行。一些pack列举如下：
jtp(Java Transformation Pack): 对于方法执行BodyTransformerwjtp(Whole Java Transformation Pack): 对于整个程序执行SceneTransformerbb(Basic Block Pack): Operates at the basic block level.
例如，在本文中，使用下面的代码执行BodyTransformer
PackManager.v().getPack("jtp").add(new Transform("jtp.xorTransformer", new Flatten()));Result
https://magjac.com/graphviz-visual-editor/
测试类使用了一个RC4的加密。
public class Test {
private static void test(byte[] key, byte[] plaintext) {
// Initialize S-box
int[] S = new int[256];
for (int i = 0; i < 256; i++) {
S[i] = i;
}
// Key scheduling algorithm (KSA)
int j = 0;
for (int i = 0; i < 256; i++) {
j = (j + S[i] + (key[i % key.length] & 0xFF)) % 256;
// Swap S[i] and S
int temp = S[i];
S[i] = S[j];
S[j] = temp;
}
// Pseudo-random generation algorithm (PRGA)
int i = 0;
j = 0;
byte[] ciphertext = new byte[plaintext.length];
for (int k = 0; k < plaintext.length; k++) {
i = (i + 1) % 256;
j = (j + S[i]) % 256;
// Swap S[i] and S[j]
int temp = S[i];
S[i] = S[j];
S[j] = temp;
int t = (S[i] + S[j]) % 256;
int keyStream = S[t];
// XOR the keystream with plaintext to get ciphertext
ciphertext[k] = (byte) (plaintext[k] ^ keyStream);
}
System.out.println("Plaintext: " + new String(plaintext));
System.out.println("Ciphertext (hex): " + bytesToHex(ciphertext));
}
// Helper method to convert bytes to hexadecimal string
private static String bytesToHex(byte[] bytes) {
StringBuilder hex = new StringBuilder();
for (byte b : bytes) {
hex.append(String.format("%02X ", b & 0xFF));
}
return hex.toString();
}
public static void main(String[] strArr) {
byte[] r1 = "SecretKey123".getBytes();
byte[] r3 = "Hello World!".getBytes();
test(r1, r3);
}
}test方法原来的控制流图如下：
下图是混淆后的控制流图：
然而，目前的实现无法通过java的bytecode verifier检查，运行时需要手动指定-noverify参数。推测可能是由于asm后端无法生成正确的stackmap信息。
尽管输出了正确的结果，但只能算得上一个实现的原型，还无法应用于实际的代码保护。
Todo
- 修复字节码验证问题
- 研究已有的混淆器：
- yWorks/yGuard: The open-source Java obfuscation tool working with Ant and Gradle by yWorks - the diagramming experts
- Guardsquare/proguard: ProGuard, Java optimizer and obfuscator