加密代理服務(wù)器通信行為安全性研究

曾建瓊 胡 勇

（四川大學(xué)信息安全研究所 四川 610065）

0 引言

隨著信息時代的到來，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為全球信息發(fā)布、傳播和共享的主要基礎(chǔ)設(shè)施之一。由于某些因素使得人們在國內(nèi)上網(wǎng)，免不了要和HTTP代理服務(wù)器打交道。代理服務(wù)器作為轉(zhuǎn)發(fā)中間人，人們在網(wǎng)絡(luò)上的一切行為都可能被其嚴密監(jiān)視，因此對用戶的個人隱私和安全有著極大的威脅。影響代理服務(wù)器數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟话踩蛩刂饕獊碜杂布?、軟件、環(huán)境、數(shù)據(jù)傳輸過程等帶來的不安全因素，還包括個人信息資料保密的不安全因素以及系統(tǒng)資源訪問的不安全因素等。代理服務(wù)器種種不安全因素的存在，使網(wǎng)絡(luò)安全受到威脅，也為黑客攻擊網(wǎng)絡(luò)遠程教學(xué)系統(tǒng)提供了可能?？梢灶A(yù)見，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展及Internet的普遍應(yīng)用，代理服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩珕栴}也會更加突出。

HTTP代理服務(wù)器分加密代理服務(wù)器和普通代理服務(wù)器。如果我們在自己的電腦上運行了某些軟件之后就能訪問之前不能訪問的網(wǎng)站，那么很可能是加密代理；如果我們直接在瀏覽器中設(shè)置代理服務(wù)器，不用運行任何軟件，那么這種類型的代理服務(wù)器就是普通代理。一般來說，如果加密代理軟件沒有問題，加密代理的安全性要好于普通代理。加密代理服務(wù)器軟件廣泛采用了不公開的密碼算法、密碼協(xié)議、加密代理、動態(tài)地址搜索等技術(shù)。本文采用逆向分析技術(shù)，對一款加密代理服務(wù)器軟件（Z軟件）的工作原理進行了完整的再現(xiàn)，透徹的分析出了其通信和數(shù)據(jù)傳輸過程，并對其整個過程中的安全性進行了研究。

1 通信協(xié)議分析

為了分析Z代理軟件的通信協(xié)議，實驗僅需一臺Windows操作系統(tǒng)的PC客戶機，同時在本機上預(yù)安裝Wireshark，一款網(wǎng)絡(luò)封包分析軟件。通過捕獲客戶端與服務(wù)器的通信數(shù)據(jù)包，分析它們的通信過程，最后得出Z代理軟件的通信協(xié)議。

Wireshark是一種網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包分析工具。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包分析工具的主要作用是捕獲網(wǎng)絡(luò)包，并盡可能詳細的顯示數(shù)據(jù)包的情況。它使用WinPCAP作為接口，直接與網(wǎng)卡進行數(shù)據(jù)報文交換。使用該工具時，首先在Z代理軟件運行之前啟動Wireshark的數(shù)據(jù)包捕獲功能，然后通過對數(shù)據(jù)包的IP、協(xié)議、端口、長度和內(nèi)容進行過濾，從大量的數(shù)據(jù)包中提取出滿足如上條件的數(shù)據(jù)包，縮小檢索數(shù)據(jù)包的范圍。

可以利用Wireshark的協(xié)議分析功能從過濾得到的數(shù)據(jù)包中提取出應(yīng)用層的數(shù)據(jù)，大部分代理軟件的應(yīng)用層協(xié)議組織的數(shù)據(jù)在網(wǎng)路上加密傳輸，而且與之通信的服務(wù)器IP地址并不固定，按照常規(guī)比較應(yīng)用層數(shù)據(jù)體中固定字節(jié)或者規(guī)律性字節(jié)的含義，大致分析出Z代理軟件的通信過程?？蛻舳嗽谟脩魡雍?，與其代理服務(wù)器通信過程如下：

（1）網(wǎng)絡(luò)檢測：客戶端首先會向固定IP地址發(fā)送3個ICMP探測包，用以檢測網(wǎng)絡(luò)是否暢通。

（2）代理服務(wù)器IP地址和端口獲取：如果網(wǎng)絡(luò)暢通，客戶端會通過HTTPS加密傳輸協(xié)議向固定的合法網(wǎng)頁地址獲取代理服務(wù)器的IP地址和端口，由于是通過HTTPS加密傳輸，因此這些IP地址得到了很好的隱藏，同時訪問的這些網(wǎng)頁對應(yīng)的IP地址是在不停的更新變化，因此使國家防火墻無法對固定的IP地址進行封鎖。

（3）通信密鑰協(xié)商：發(fā)送UDP請求，建立握手連接，交換傳輸密鑰，為正式發(fā)送數(shù)據(jù)做好準備。

（4）數(shù)據(jù)通信：客戶端通過加密傳輸向代理服務(wù)器發(fā)出Web資源訪問請求；服務(wù)器解密出客戶端請求，并向網(wǎng)絡(luò)Web資源服務(wù)器明文轉(zhuǎn)發(fā)客戶端請求；Web服務(wù)器響應(yīng)請求，并明文發(fā)送響應(yīng)信息給代理服務(wù)器；代理服務(wù)器把接收到的響應(yīng)信息加密轉(zhuǎn)發(fā)給客戶端，客戶端再解密顯示在瀏覽器中。

經(jīng)過以上四個通信過程，最終建立Z代理軟件客戶端和外部網(wǎng)絡(luò)Web資源之間的連接，實現(xiàn)客戶端對外部Web資源的合法訪問，達到數(shù)據(jù)通信的目的。

2 通信數(shù)據(jù)安全性分析

由于客戶端在獲取服務(wù)器IP地址和端口號時，是通過HTTPS加密傳輸，因此這些IP地址能被很好的隱藏，同時訪問的這些網(wǎng)頁的IP地址在不停的更新變化，所以國家防火墻（GFW）無法對固定的IP地址進行封鎖。除了對代理服務(wù)器進行很好的隱藏外，Z代理軟件對用戶數(shù)據(jù)也進行了很強的加密，從而使網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)不具備特征性。因此對其通信數(shù)據(jù)的進一步分析具有重大意義，其中最主要的任務(wù)是解析其通信密鑰協(xié)商過程，獲得其加密算法和密鑰，還原會話過程。

由于Z代理軟件客戶端與代理服務(wù)器之間的通信是經(jīng)過加密傳輸?shù)?，因此通過Wireshark對其通信數(shù)據(jù)包的抓取和分析，并不能得到很詳細的數(shù)據(jù)信息。而且Z客戶端軟件有很強的反調(diào)試技術(shù)，所以使用特定的調(diào)試器對軟件進行動態(tài)調(diào)試分析，獲取加密和解密后的數(shù)據(jù)，與此同時，結(jié)合IDA靜態(tài)反匯編分析技術(shù)，進一步解析客戶端與代理服務(wù)器協(xié)商通信密鑰的過程。

2.1 密鑰協(xié)商過程分析

經(jīng)過反匯編和逆向調(diào)試分析發(fā)現(xiàn)，為了逃避監(jiān)控手段，Z代理軟件采用了很強的加密方法來處理用戶數(shù)據(jù)，主要有RSA、AES和RC4。RSA公鑰加密算法是一種非對稱密碼算法，需要一對密鑰，其中公鑰加密，私鑰解密。RSA加密算法被用于通信前期的密鑰協(xié)商過程，然后分別用AES和RC4算法加密通信數(shù)據(jù)包頭部和數(shù)據(jù)部分。客戶端和服務(wù)器AES密鑰協(xié)商過程如下：

（1）客戶端隨機生成32個字節(jié)的AES密鑰，經(jīng)過RSA的公鑰加密后發(fā)送給服務(wù)器，告訴服務(wù)器以后發(fā)給客戶端的數(shù)據(jù)都用該密鑰加密。

（2）服務(wù)器在收到這個包后用本身的私鑰解密，得到客戶端AES密鑰。然后再更新AES密鑰，最后用客戶端的AES密鑰加密服務(wù)器更新后的AES密鑰，并發(fā)送給客戶端，告訴客戶端以后發(fā)往服務(wù)器的數(shù)據(jù)都用這個密鑰加密。

（3）客戶端在收到服務(wù)器的響應(yīng)包后，用自己本地AES密鑰解密，得到了和服務(wù)器的通信AES密鑰，以后發(fā)往服務(wù)器的數(shù)據(jù)都用這個密鑰加密。

RC4密鑰的協(xié)商過程與AES密鑰協(xié)商過程類似，只是使用的RSA公鑰不同。所有的密鑰協(xié)商完成后就開始進行數(shù)據(jù)通信了，在通信過程中，還會不定期的更新客戶端的本地密碼本。

客戶端發(fā)往服務(wù)器的第一個數(shù)據(jù)包頭部信息中：（1）每次發(fā)送第一個包時，頭四個字節(jié)固定為0x00表示是發(fā)往服務(wù)器的包，而如果是0x01的話則表示是從服務(wù)器回來的包。（2）第二個四字節(jié)代表的是用來進行校驗用的四字節(jié)。（3）第三個四字節(jié)包含數(shù)據(jù)包長度信息，如果是第一個字節(jié)為0命令號的數(shù)據(jù)包，則當前四字節(jié)內(nèi)容和0x7FF進行按位相與操作后則是數(shù)據(jù)的有效長度，如果是03或者04命令號的包，則該四字節(jié)右移0x15位后則是包的有長度。（4）第四個四字節(jié)中高四個比特位表示的是命令，如果是0或者2則表示該包攜帶密鑰，如果是為3的話則表示服務(wù)器發(fā)送過來的應(yīng)答請求，如果是4則表示是確認信息，不包含有效的信息，而剩下的則表示的是序號。（5）緊接著是內(nèi)容固定為0x1500的兩個字節(jié)數(shù)據(jù)。（6）接著的32個字節(jié)為本地客戶端的原始密鑰種子。經(jīng)過擴展后變成了256字節(jié)的輪密鑰，以后從服務(wù)器發(fā)過來的數(shù)據(jù)均用該密鑰解密。（7）最后是一些隨機產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

從服務(wù)器發(fā)送回來的數(shù)據(jù)包格式與客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)包格式類似，在數(shù)據(jù)包類型前面增加了0x10字節(jié)隨機數(shù)，在固定值0x1500前面增加了八個字節(jié)的未知信息。

2.2 通信數(shù)據(jù)包格式分析

密鑰協(xié)商完成之后，代理客戶端和服務(wù)器就使用協(xié)商好的密鑰進行加密傳輸，其中AES密鑰用于加密通信數(shù)據(jù)包的頭部信息，RC4密鑰用于加密通信數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)部分?？蛻舳嗽谑盏椒?wù)器的響應(yīng)包后，會利用序號發(fā)送一個表示收到應(yīng)答包的數(shù)據(jù)給服務(wù)器，然后分別把數(shù)據(jù)包的頭部信息和數(shù)據(jù)信息發(fā)送到本地進程的兩個不同端口解密。

通信數(shù)據(jù)包格式的頭部信息比密鑰協(xié)商數(shù)據(jù)包的頭部信息短，經(jīng)過解密后的從服務(wù)器發(fā)送回來的數(shù)據(jù)包頭部信息中：（1）第一個十六字節(jié)是隨機參數(shù)的數(shù)據(jù)；（2）第二個十六字節(jié)中頭四個字節(jié)為0x01表示是服務(wù)器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，第二個四個字節(jié)右移0x15位后則表示的是數(shù)據(jù)包的大小，接著四個字節(jié)用來進行校驗，最后四個字節(jié)中，最高四個比特表示命令號，剩下的字節(jié)表示序號暫時沒有發(fā)現(xiàn)什么用，不過如果是回來的同一個應(yīng)答的話，則該四字節(jié)相同。

本地進程的另外一個端口受到數(shù)據(jù)后，利用一個256字節(jié)的密碼本進行解密，該解密算法為反饋解密，每解一包會把256個字節(jié)的更新一次。密碼本過一段時間后會利用服務(wù)器發(fā)送過來的包更新一次。

3 結(jié)論

本文就目前代理服務(wù)器的安全問題，對某款代理軟件的通信數(shù)據(jù)安全性進行了研究。首先通過網(wǎng)絡(luò)抓包大致分析了Z代理軟件的通信協(xié)議，然后采用反匯編逆向分析技術(shù)詳細分析了其通信密鑰協(xié)商過程和通信數(shù)據(jù)包格式。得出以下結(jié)論：本文所分析研究的Z代理軟件在密鑰協(xié)商過程中存在一定的脆弱性，黑客可以利用它來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的截取以及還原，從而獲得用戶的個人信息以及通信內(nèi)容信息，給用戶的安全帶來威脅。同時本文為代理軟件的深入分析，如加解密算法研究和通信數(shù)據(jù)還原，打下了基礎(chǔ)，還可以作為分析這一類軟件的參考。

[1]陳帆，谷大武等.FreeGate軟件的逆向分析.全國計算機安全學(xué)術(shù)交流會論文集（第二十三卷）.2008.

[2]韓紀宏.一類互聯(lián)網(wǎng)軟件的分析與控制.上海交通大學(xué).2007.

[3]Chris Eagle.IDA Pro權(quán)威指南（第2版）.石華耀，段桂菊譯.人民郵電出版社.2014.

[4]段鋼.加密與解密（第三版）.電子工業(yè)出版社.2008.