I2P節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)IRAS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孟浩 蘇怡斐 閆茹

摘? 要： 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越重視個(gè)人隱私。I2P（Invisible Internet Project）是一種低時(shí)延的匿名通信系統(tǒng)，旨在保護(hù)用戶通信免受法網(wǎng)監(jiān)視和第三方（如ISP）的監(jiān)視。它內(nèi)部集成了諸多應(yīng)用可供用戶使用，比如email通信，IRC匿名聊天，網(wǎng)頁(yè)瀏覽以及文件共享P2P下載等等。本文設(shè)計(jì)和完成了一個(gè)I2P節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)IRAS（I2P RouterInfo Analyze System），通過(guò)在中國(guó)，美國(guó)，英國(guó)，德國(guó)，澳大利亞部署I2P服務(wù)器來(lái)獲取節(jié)點(diǎn)信息，來(lái)對(duì)不同特征的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，統(tǒng)計(jì)樣本特性。

關(guān)鍵詞： 匿名通信;節(jié)點(diǎn)信息;數(shù)據(jù)分析

【Abstract】： With the development of network， people are paying more attention to personal privacy. I2P is a low-latency anonymous communication system designed to protect user communications from French-language surveillance and third-party. It integrates many applications such as email communication， web browsing and file sharing P2P download. We design and implement an I2P node data analysis system IRAS （I2P RouterInfo Analyze System）. We obtain I2P node information by deploying I2P servers in China， the United States， the United Kingdom， Germany， and Australia. The node data of different characteristics are statistically analyzed.

【Key words】： I2P; Anonymous communication; Node information; Data analysis

0? 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，個(gè)人隱私成為人們?cè)絹?lái)越關(guān)注的問(wèn)題[1]。匿名技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域中非常重要的一個(gè)研究課題[2]，使用一些變換方法將通信流中用戶的身份信息、通信消息主體、通信雙方的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及信息傳播途徑等信息加以隱匿[3]，從而達(dá)到保護(hù)個(gè)人隱私的目的[4]。1981年，David Chaum首次提出了匿名通信系統(tǒng)的概念[5]，核心思想為MIX，即消息通過(guò)多個(gè)路由轉(zhuǎn)發(fā)、分層加密，中間的路由無(wú)法獲知消息的發(fā)送方和接收方的身份信息?；谶@一概念，The Onion Router （Tor） 匿名通信系統(tǒng)得以產(chǎn)生[6]，Tor是一個(gè)分布式的匿名網(wǎng)絡(luò)，由Tor節(jié)點(diǎn)和維護(hù)者運(yùn)行的中央目錄服務(wù)器組成，目錄服務(wù)器存儲(chǔ)Tor網(wǎng)絡(luò)的所有信息，Tor節(jié)點(diǎn)可以從目錄服務(wù)器下載這些網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)并加入到Tor網(wǎng)絡(luò)中。然而Tor這種相對(duì)集中的設(shè)計(jì)使它收到了一些限制，此時(shí)又一個(gè)匿名系統(tǒng)產(chǎn)生了，Invisible Internet Project（I2P）。

I2P有許多供用戶選擇的應(yīng)用程序，比如匿名瀏覽網(wǎng)頁(yè)、聊天、文件共享、網(wǎng)絡(luò)托管、電子郵件和博客等等。除了匿名web瀏覽需要一個(gè)到正常Internet的出口代理之外，其他的應(yīng)用程序都是在I2P自身的網(wǎng)絡(luò)中交互，這也是造成它的用戶量級(jí)要遠(yuǎn)小于Tor的原因[7]，而且在Tor中，網(wǎng)絡(luò)信息是集中化的，關(guān)于中繼節(jié)點(diǎn)和隱藏服務(wù)的信息由位于美國(guó)和歐洲的（目前是九個(gè)）權(quán)威目錄服務(wù)器提供，這些權(quán)威目錄服務(wù)器跟蹤網(wǎng)絡(luò)的變化和分發(fā)信息，但是在I2P中并不存在這種集中化，它使用分布式結(jié)構(gòu)，每個(gè)參與中繼的節(jié)點(diǎn)在本地維護(hù)所有已知節(jié)點(diǎn)的列表，如果想要獲取某一個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息，很可能需要查詢?cè)S多節(jié)點(diǎn)才能在其他節(jié)點(diǎn)的路由表上找到該節(jié)點(diǎn)信息[8]。所以針對(duì)I2P網(wǎng)絡(luò)的測(cè)量以及分析工作遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于Tor。

本文提出的I2P節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)IRAS以自己部署的普通I2P節(jié)點(diǎn)以及floodfill節(jié)點(diǎn)獲取到的匿名通信系統(tǒng)I2P的真實(shí)數(shù)據(jù)作為輸入，在不同的屬性指標(biāo)下，分別統(tǒng)計(jì)分析這些節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)特征，幫助匿名網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究人員可以更為有效的獲取到I2P網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)特性，進(jìn)一步了解I2P系統(tǒng)。

1? 需求分析

1.1? 設(shè)計(jì)目標(biāo)

可行性：通過(guò)調(diào)研分析I2P系統(tǒng)的往年研究成果、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者的技術(shù)文檔以及系統(tǒng)IRAS的實(shí)際功能性需求，該系統(tǒng)在實(shí)踐上具有良好的可行性，相關(guān)的學(xué)習(xí)代碼較為容易，對(duì)于系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)以及使用都很容易上手。

無(wú)侵害性：即使有的研究人員通過(guò)爬蟲(chóng)或者向其他floodfill節(jié)點(diǎn)偽造請(qǐng)求的方式獲得了大量的網(wǎng)絡(luò)元數(shù)據(jù)，但是I2P的設(shè)計(jì)者在官網(wǎng)上有規(guī)定[9]，不得作出影響I2P網(wǎng)絡(luò)的行為，并且只能收集自己的數(shù)據(jù)，所以I2P數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)必須對(duì)I2P網(wǎng)絡(luò)的侵害降至最低，最好具有無(wú)侵害性。

準(zhǔn)確性：雖然系統(tǒng)收集到的數(shù)據(jù)不可能涵蓋整個(gè)I2P網(wǎng)絡(luò)，但是在對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取實(shí)驗(yàn)時(shí)，必須做到分析的全面與準(zhǔn)確，盡最大的可能保證系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的客觀準(zhǔn)確性。

可伸縮性：對(duì)于實(shí)際的I2P網(wǎng)絡(luò)，時(shí)刻存在著路由節(jié)點(diǎn)加入或者離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)象，并且I2P網(wǎng)絡(luò)是分布式的，本系統(tǒng)提供應(yīng)該是能夠?qū)崟r(shí)獲取網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并且系統(tǒng)的架構(gòu)是可以伸縮的，以應(yīng)對(duì)更大數(shù)據(jù)量的需求。

1.2? 系統(tǒng)用例圖

IRAS在不同角色下使用是不完全相同的，系統(tǒng)的管理員擁有對(duì)最初數(shù)據(jù)的處理的權(quán)限，而一般的用戶沒(méi)有這部分工作的權(quán)限，只能在數(shù)據(jù)處理成功之后才能參與到數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)工作中來(lái)，對(duì)于涉及到最后結(jié)果展示的制定統(tǒng)計(jì)規(guī)則規(guī)劃圖表的工作，管理員和用戶的權(quán)限是相同的，兩者都可以參與。圖1是IRAS使用角色用例圖。

2? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

I2P節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)IRAS的功能主要可以從數(shù)據(jù)獲取，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等方面闡述，數(shù)據(jù)獲取模塊主要實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)的讀取，遠(yuǎn)程服務(wù)器數(shù)據(jù)讀取以及數(shù)據(jù)庫(kù)讀取，數(shù)據(jù)處理模塊主要實(shí)現(xiàn)獲取數(shù)據(jù)之后的轉(zhuǎn)換工作，包括輸入流的字節(jié)流轉(zhuǎn)換，RouterInfo實(shí)例封裝以及有效信息的抽取，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)將處理好的數(shù)據(jù)寫(xiě)入硬盤(pán)，包括有效信息入庫(kù)以及存量數(shù)據(jù)更新，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能模塊則是將轉(zhuǎn)換成功的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)出來(lái)顯示在前端頁(yè)面上，包括統(tǒng)計(jì)規(guī)則的制定，圖表繪制以及多數(shù)據(jù)對(duì)比。圖2展示了IRAS功能設(shè)計(jì)圖。

3? 模塊設(shè)計(jì)

3.1? 數(shù)據(jù)獲取

從RouterInfo文件可以得到節(jié)點(diǎn)的很多特征信息，比如節(jié)點(diǎn)的IP地址（國(guó)家地區(qū)），版本號(hào)，在線時(shí)間等信息。有些信息可以在I2P啟動(dòng)之后的控制面板上看到，但這些數(shù)據(jù)只有本機(jī)實(shí)時(shí)獲取的RouterInfo，并沒(méi)有其他時(shí)間的歷史信息。我們可以通過(guò)對(duì)多方獲取到的RouterInfo進(jìn)行分析，得到I2P網(wǎng)絡(luò)的一般化特征。根據(jù)I2P官網(wǎng)上對(duì)研究者的規(guī)定，為了在測(cè)試真實(shí)環(huán)境時(shí)不為I2P系統(tǒng)增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，我們并不采取向別的路由節(jié)點(diǎn)發(fā)消息后獲取節(jié)點(diǎn)信息的方法，而是通過(guò)在不同國(guó)家設(shè)置I2P服務(wù)器，來(lái)對(duì)不同特征的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，統(tǒng)計(jì)樣本特性。

根據(jù)Hoang等人的研究，設(shè)置10個(gè)floodfill節(jié)點(diǎn)floodfill節(jié)點(diǎn)，10個(gè)非floodfill節(jié)點(diǎn)就足夠獲得I2P的網(wǎng)絡(luò)特性，為了得到網(wǎng)絡(luò)特性是否和地域有關(guān)聯(lián)關(guān)系，我們通過(guò)每天定時(shí)19：00在中國(guó)，美國(guó)，英國(guó)，德國(guó)，澳大利亞部署I2P服務(wù)器來(lái)下載RouterInfo信息，每個(gè)國(guó)家各有四臺(tái)服務(wù)器，其中兩臺(tái)為floodfill節(jié)點(diǎn)，另外兩臺(tái)為普通節(jié)點(diǎn)，共計(jì)20個(gè)服務(wù)器，實(shí)驗(yàn)周期為10天服務(wù)器開(kāi)啟之后，我們?cè)谶@些機(jī)器上都配置好Java運(yùn)行環(huán)境以及I2P的軟件包，這樣每一臺(tái)機(jī)器上的/root/.i2p/netDb（如果不對(duì)I2P啟動(dòng)文件i2prouter.sh做出修改的話，/root/.i2p/netDb是默認(rèn)的netDb存儲(chǔ)文件）路徑下就會(huì)存在該機(jī)器獲取到的routerinfo文件。數(shù)據(jù)采集的流程圖如4所示。

3.2? 數(shù)據(jù)處理

我們可以通過(guò)net.i2p.data.router.RouterInfo類中的相關(guān)方法解析這些RouterInfo文件，獲取到節(jié)點(diǎn)信息。其中可以為我們所用的是addresses以及options屬性，我們可以通過(guò)對(duì)ip，caps，router.version等變量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到I2P網(wǎng)絡(luò)的樣本特征。

處理數(shù)據(jù)的第一步是將這些RouterInfo文件轉(zhuǎn)換成輸入流讀入Java程序，之后通過(guò)I2P解析函數(shù)將每個(gè)RouterInfo文件導(dǎo)出成RouterInfo類實(shí)例，便于在下一步提取一些有用的信息。

第二步則是提取有用的信息，比如ip，caps等，將這些屬性集合成新的TransData類實(shí)例，也就是之后直接用于統(tǒng)計(jì)分析的類。

此模塊的流程圖如圖5所示。

3.3? 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

I2P的控制面板上也能夠看到一些本地I2P路由抓取節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息，如這些節(jié)點(diǎn)的版本信息，使用協(xié)議傳輸情況以及節(jié)點(diǎn)所處國(guó)家信息。但是這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

是軟件運(yùn)行時(shí)需要的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如果用戶想要了解過(guò)去一小時(shí)或者一天的數(shù)據(jù)的話，該網(wǎng)頁(yè)是無(wú)法提供這些數(shù)據(jù)的。為了處理這一矛盾，IRAS引入了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，在加載完實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并完成數(shù)據(jù)處理流程之后，直接存儲(chǔ)進(jìn)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從內(nèi)存到磁盤(pán)的轉(zhuǎn)換，以備查詢歷史數(shù)據(jù)的需求。下圖6為此模塊流程圖。

3.4? 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

我們將從各個(gè)服務(wù)器每天定點(diǎn)下載的Router Info文件中解析到的數(shù)據(jù)存放到MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，用戶如果想獲得某項(xiàng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)信息，可以利用IRAS的統(tǒng)計(jì)規(guī)則從數(shù)據(jù)庫(kù)提取數(shù)據(jù)。IRAS的管理員以及用戶都可以建立數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)規(guī)則，比如，所有節(jié)點(diǎn)的國(guó)家分布中位于前十的國(guó)家，I2P版本信息分布等等。建立規(guī)則時(shí)采用的方式是利用數(shù)據(jù)庫(kù)的sql語(yǔ)句查詢數(shù)據(jù)庫(kù)，返回符合條件的數(shù)據(jù)集合，之后根據(jù)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的值繪制統(tǒng)計(jì)二維圖表，如柱狀圖、餅狀圖和折線圖等等。下圖7展示了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊的流程圖。

4? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

我們將展示收集到的RouterInfo的統(tǒng)計(jì)信息，這些信息是通過(guò)分散在世界各地的I2P路由器收集到，路由器分別位于美國(guó)、英國(guó)、澳大利亞、德國(guó)、中國(guó)，實(shí)驗(yàn)周期共計(jì)10天。

I2P開(kāi)發(fā)者根據(jù)節(jié)點(diǎn)的操作模式，可達(dá)性以及共享帶寬將每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都分了類，并將分類之后的標(biāo)識(shí)符寫(xiě)入了RouterInfo文件中，具體位于Rou terInfo.options.caps屬性。我們可以通過(guò)對(duì)這些標(biāo)志符的分布情況進(jìn)行分析進(jìn)而得到I2P網(wǎng)絡(luò)的概要情況。對(duì)于caps中的每一個(gè)字符都代表著不同的含義：

caps中會(huì)有該節(jié)點(diǎn)共享帶寬的估算值，比如K代表共享帶寬低于12 KBps，L代表共享帶寬位于12到48KBps之間，M代表共享帶寬位于48到64KBps之間，N代表共享帶寬位于64到128 KBps之間，O代表共享帶寬位于128到256 KBps之間，P代表共享帶寬位于256到2000 KBps之間，X代表共享帶寬大于2000 KBps;

圖8展示了不同數(shù)量級(jí)的RouterInfo信息中共享帶寬的分布情況?？梢钥闯?，不管是什么樣的數(shù)量級(jí)，占比最大的種類為N，其次為O。

5? 結(jié)論

I2P是一個(gè)低延遲、面向消息的匿名網(wǎng)絡(luò)，本文提出的I2P節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)IRAS，通過(guò)收集、處理、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)分析真實(shí)的I2P網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)得出I2P系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的用戶數(shù)據(jù)的整體特性。IRAS為I2P研究人員提供一個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析和網(wǎng)絡(luò)性能研究的工具，促進(jìn)I2P匿名網(wǎng)絡(luò)研究與發(fā)展。

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