[Из песочницы] Об одном способе защиты исходников Python-программы

Как всё начиналось

Однажды мне пришлось участвовать в разработке одного небольшого проекта для научных расчётов, который разрабатывался на языке программирования Python. Изначально Python был выбран как удобный и гибкий язык для экспериментов, визуализации, быстрого прототипирования и разработки алгоритмов, но в дальнейшем стал основным языком разработки проекта. Надо заметить, что проект был хоть и не большим, но довольно насыщенным технически. Для обеспечения требуемой функциональности, в проекте широко применялись алгоритмы теории графов, математическая оптимизация, линейная алгебра и статистика. Также использовались декораторы, метаклассы и инструменты интроспекции. В процессе разработки пришлось использовать сторонние математические пакеты и библиотеки, например, такие как numpy и scipy, а также многие другие.

Со временем стало ясно, что переписывать проект на компилируемом языке слишком затратно по времени и ресурсам. Скорость работы и потребление памяти не являлись критичными показателями в данном случае и были вполне приемлемыми и достаточными. Поэтому было принято решение оставить всё как есть, и продолжить разработку и поддержку проекта на языке Python. К тому же, документация по большей части уже была написана с использованием Sphinx.

Проект являлся библиотекой, функции которой использовались в одном из модулей расширения в крупном программном комплексе. Программный комплекс был написан на C++, являлся коммерческим продуктом, имел защиту с аппаратным ключом и поставлялся клиентам без предоставления исходных кодов.

Здесь сразу обозначилась новая проблема: как защитить исходные коды нашей Python-библиотеки? Может быть, в ином случае никто бы не стал этим заниматься, я бы уж точно, но в библиотеке были реализованы некоторые ноу-хау, и руководители проекта не хотели, чтобы данные наработки попали к конкурентам. Так как я был одним из исполнителей, мне пришлось озаботиться данной проблемой. Далее я постараюсь рассказать об основной идее, что из этого вышло, и как нам удалось скрыть Python-исходники от лишних глаз.

Что предлагают люди

Как известно, наверное, большинству разработчиков, Python — язык интерпретируемый, динамический с богатыми возможностями интроспекции. Бинарные файлы модулей *.pyc и *.pyo (байт-код) легко декомпилируются, поэтому распространять их в чистом виде нельзя (если уж мы решили не показывать исходники по-настоящему).

Как, я думаю, любой на моём месте, сначала я решил поискать, а что вообще делают люди в таких случаях? Первые же поисковые запросы показали, что люди не знают, что делать и спрашивают об этом на stackoverflow и в других местах, например, вот вопрос на stackoverflow. Поискав, я пришёл к выводу, что везде предлагают несколько спорных способов:

• Забить и не париться, всё равно, кому надо — расковыряет;


• Переписать на компилируемом языке;


• Сделать обфускацию исходников, например с помощью раз и два;


• Транслировать все Python-модули в модули расширения (*.pyd) с помощью Cython или Nuitka (как сделал warsoul — автор данной статьи);


• Заменить опкоды в исходниках Python-интерпретатора и распространять свою сборку, как предлагал hodik.

По многим причинам я отбросил все эти способы как неподходящие. Например, обфускация Python-кода. Ну какая может быть обфускация, когда синтаксис языка построен на отступах, а сам язык пронизан «хитрой интроспекцией»? Транслировать все Python-модули в бинарные модули расширения тоже не представлялось возможным, т. к. проект, напомню, был достаточно сложным технически с использованием множества сторонних пакетов, да и сам состоял из большого числа модулей в многоуровневой иерархии пакетов, которые было утомительно перегонять в *.pyd, а потом ловить баги, вылезающие на ровном месте. Возиться с заменой опкодов не хотелось, так как пришлось бы распространять и поддерживать собственную сборку интерпретатора Python, да ещё и компилировать им Python-модули всех используемых сторонних библиотек.

В какой-то момент мне показалось, что эта идея с защитой Python-исходников бесполезная, надо всё это бросить и убедить руководство, что ничего не выйдет и заняться чем-нибудь полезным. Отдаём *.pyc файлы и ладно, кто там будет разбираться? Убедить не получилось, переписывать библиотеку на C++ никому не хотелось, а проект нужно было сдавать. В итоге всё же кое-что получилось сделать. Об этом, если всё ещё интересно, можно прочитать далее.

Что сделали мы

Что может лучше всего защитить какую-либо информацию на цифровом носителе от посторонних? Я думаю, что это шифрование. Вооружившись этой фундаментальной идеей, я решил, что исходники надо шифровать, а иначе и быть не должно. Для стороннего наблюдателя, который начал проявлять излишний интерес, всё это должно выглядеть как куча непонятных файлов с непонятным содержимым. Вполне себе обфускация, но более продвинутая чем заменять имена переменных и вставлять пустые строчки.

Ход моих мыслей был следующим:

• Шифруем каким-либо способом все исходники нашей Python-библиотеки, можно их даже перемешать и изменить имена файлов модулей и пакетов;


• Пишем обвязку для того, чтобы Python-интерпретатор умел загружать и импортировать модули из зашифрованных текстовых файлов (расшифровка, восстановление структуры пакетов и имён файлов, импорт и т. д.);


• «Прячем» всё это в бинарный модуль расширения (*.pyd), чтобы никто не догадался.

Основная идея, думаю, ясна — это более продвинутая обфускация. Как это сделать? Погуглив, я пришёл к выводу, что сделать это вполне реально и даже достаточно просто. С шифрованием исходников всё понятно, зашифровать и/или обфусцировать файлы можно множеством способов, главное, чтобы там была «каша» и «ничего не понятно», а также всё это должно возвращаться к первоначальному виду неизвестным способом (в случае обфускации). Для приведённого здесь примера я буду использовать Python-модуль base64 для «шифрования». В некритичных случаях можно применять замечательный пакет obfuscate.

Python the Importer Protocol

Как же нам реализовать возможность импортировать модули из зашифрованных файлов? К счастью, в Python реализована система хуков при импорте, которая работает на основе Importer Protocol (PEP 302). Значит эту возможность и будем использовать. Для перехвата импортов используется словарь sys.meta_path, в котором должны храниться объекты finder/loader, реализующие Importer Protocol. Опрос этого словаря всегда происходит до того момента, как будут проверены пути в sys.path.

Для минимальной реализации протокола импорта нужно реализовать два метода: find_module и load_module. Метод find_module отвечает за поиск конкретного модуля/пакета (ведь нам нужно перехватывать импорт только своих модулей, а остальные отдавать на откуп стандартному механизму), а метод load_module, соответственно, загружает конкретный модуль только если он был «найден» в методе find_module.

Итак, вроде бы добрались до сути. Можно привести простой пример. Минимальный пример класса, реализующего Importer Protocol, подходящего для наших целей. Он будет заниматься импортом модулей «зашифрованных» base64 из обычной структуры пакетов (в данном случае для простоты мы просто «зашифровали содержимое» файлов, но никак не меняли их имена и структуру пакетов). Считаем, что расширения файлов для наших модулей будут гордо называться ".b64".

Класс импортёра

#coding=utf-8

import os
import sys
import imp
import base64

EXT = '.b64'


#===============================================================================
class Base64Importer(object):
    """Служит для поиска и импорта python-модулей, кодированных в base64

    Класс реализует Import Protocol (PEP 302) для возможности импортирования
    модулей, зашифрованных в base64 из указанного пакета.
    """

    #---------------------------------------------------------------------------
    def __init__(self, root_package_path):

        self.__modules_info = self.__collect_modules_info(root_package_path)

    #---------------------------------------------------------------------------
    def find_module(self, fullname, path=None):
        """Метод будет вызван при импорте модулей

        Если модуль с именем fullname является base64 и находится в заданной
        папке, данный метод вернёт экземпляр импортёра (finder), либо None, если
        модуль не является base64.
        """
        if fullname in self.__modules_info:
            return self
        return None

    #---------------------------------------------------------------------------
    def load_module(self, fullname):
        """Метод загружает base64 модуль

        Если модуль с именем fullname является base64, то метод попытается его
        загрузить. Возбуждает исключение ImportError в случае любой ошибки.
        """
        if not fullname in self.__modules_info:
            raise ImportError(fullname)

        # Для потокобезопасности
        imp.acquire_lock()

        try:
            mod = sys.modules.setdefault(fullname, imp.new_module(fullname))

            mod.__file__ = "<{}>".format(self.__class__.__name__)
            mod.__loader__ = self

            if self.is_package(fullname):
                mod.__path__ = []
                mod.__package__ = fullname
            else:
                mod.__package__ = fullname.rpartition('.')[0]

            src = self.get_source(fullname)

            try:
                exec src in mod.__dict__
            except:
                del sys.modules[fullname]
                raise ImportError(fullname)

        finally:
            imp.release_lock()

        return mod

    #---------------------------------------------------------------------------
    def is_package(self, fullname):
        """Возвращает True если fullname является пакетом
        """
        return self.__modules_info[fullname]['ispackage']

    #---------------------------------------------------------------------------
    def get_source(self, fullname):
        """Возвращает исходный код модуля fullname в виде строки

        Метод декодирует исходные коды из base64
        """
        filename = self.__modules_info[fullname]['filename']

        try:
            with file(filename, 'r') as ifile:
                src = base64.decodestring(ifile.read())
        except IOError:
            src = ''

        return src

    #---------------------------------------------------------------------------
    def __collect_modules_info(self, root_package_path):
        """Собирает информацию о модулях из указанного пакета
        """
        modules = {}

        p = os.path.abspath(root_package_path)
        dir_name = os.path.dirname(p) + os.sep

        for root, _, files in os.walk(p):
            # Информация о текущем пакете
            filename = os.path.join(root, '__init__' + EXT)
            fullname = root.rpartition(dir_name)[2].replace(os.sep, '.')

            modules[fullname] = {
                'filename': filename,
                'ispackage': True
            }

            # Информация о модулях в текущем пакете
            for f in files:
                if not f.endswith(EXT):
                    continue

                filename = os.path.join(root, f)
                fullname = '.'.join([fullname, os.path.splitext(f)[0]])

                modules[fullname] = {
                    'filename': filename,
                    'ispackage': False
                }

        return modules

Как это работает? Первым делом при создании экземпляра класса собирается информация о модулях нашей библиотеки, которую мы «шифруем». Затем при загрузке конкретного модуля, читается нужный «зашифрованный» файл, «расшифровывается» и импортируется с помощью средств модуля imp уже из «расшифрованной» текстовой строки. Как использовать данный класс? Очень легко. Буквально, одной строчкой включается возможность импортировать «зашифрованные» исходники нашей библиотеки, а по сути ставится хук на импорт:

sys.meta_path.append(Base64Importer(root_pkg_path))

где root_pkg_path абсолютный или относительный путь к корневому пакету нашей библиотеки. При этом, убирая данную строчку, мы можем использовать обычные исходники, если они доступны. Всё происходит абсолютно прозрачно, а все изменения происходят в одном месте.

Вот и всё, с этого момента импорт модулей из нашей библиотеки осуществляется с перехватом и «расшифровкой». Наш хук будет дёргаться при любом вызове инструкции import, и если импортируется модули нашей библиотеки, хук будет их обрабатывать и загружать, остальные импорты будут обрабатываться стандартно. Что нам и требовалось для более продвинутой обфускации. Представленный код импортёра и установки хука можно положить уже в *.pyd файл и надеяться на то, что никто не будет его дизассемблировать в надежде понять, что мы тут наворотили. В реальном проекте можно использовать настоящее шифрование, в том числе с использованием аппаратного ключа, что должно повысить надёжность данного метода. Также изменение имён файлов и структуры пакетов может быть полезным для большего запутывания.

Заключение

В качестве заключения хочу сказать, что я противник скрывать исходники, которые нельзя просто так взять и скрыть. В данном случае я не осмелюсь обсуждать этическую сторону вопроса и нужность/полезность сокрытия Python-исходников. Тут я просто представил метод, как это можно сделать и получить какой-то результат. Естественно, это не панацея. Python-код, действительно, невозможно скрыть полностью и от всех. Код модулей всегда можно получить с помощью интроспекции встроенными возможностями языка после их загрузки, например, из переменной sys.modules. Но это уже не так очевидно, как если бы исходники были открыты изначально.

Возможно, что всё, что тут написано и яйца выеденного не стоит — давно известные истины, либо бред сумасшедшего. Но если вышеописанное кому-то может оказаться полезным, я буду рад. Лично для меня данный опыт был полезен, хотя бы потому, что позволил лучше разобраться в мощной и гибкой системе загрузки и импортирования модулей и Importer Protocol. О тех самых штуках, которые чаще всего не требуются разработчикам для написания программ на Python. Всегда интересно узнать что-то новое.

Спасибо за внимание.

This entry passed through the Full-Text RSS service — if this is your content and you're reading it on someone else's site, please read the FAQ at fivefilters.org/content-only/faq.php#publishers. Five Filters recommends: 'You Say What You Like, Because They Like What You Say' - http://www.medialens.org/index.php/alerts/alert-archive/alerts-2013/731-you-say-what-you-like-because-they-like-what-you-say.html