I2P匿名通信流量特征分析與識別*

屈云軒，王軼駿，薛 質(zhì)

（上海交通大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院，上海 200240）

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展，越來越多的信息通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。然而，最近發(fā)生的多起用戶信息泄露事件也給受害者帶來了損失，用戶在上網(wǎng)過程中不希望自己的身份被其他人獲取。匿名通信網(wǎng)絡(luò)就是為了隱藏通信雙方的身份而設(shè)計(jì)的，使用匿名通信網(wǎng)絡(luò)可以防止自己的身份被對方或監(jiān)聽者獲取，從而保護(hù)用戶的身份。Chaum在1981年最先提出基于MIX網(wǎng)絡(luò)的匿名通信技術(shù)[1]。由于MIX網(wǎng)絡(luò)可以提供強(qiáng)大的匿名性，因此目前大多數(shù)匿名通信網(wǎng)絡(luò)均使用MIX網(wǎng)絡(luò)對用戶身份提供保護(hù)。I2P就是一種使用非常廣泛的基于MIX網(wǎng)絡(luò)的匿名通信網(wǎng)絡(luò)，通過隨機(jī)選擇MIX網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)組成通信鏈路為用戶提供匿名。同時(shí)，I2P提供了Eepsite和LeaseSet，使服務(wù)器可以在隱藏身份的情況下與用戶進(jìn)行通信。正是由于I2P提供了強(qiáng)大的匿名性，使得很多違法分子通過I2P進(jìn)行違法犯罪活動(dòng)[2]。

國內(nèi)外目前已有大量針對匿名通信網(wǎng)絡(luò)及其流量識別技術(shù)的研究。在國外，Conrad等人在文獻(xiàn)[3]中對Tor和I2P網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了對比；Bernaille等[4]提出了通過觀察TCP流的前5個(gè)數(shù)據(jù)包對應(yīng)用進(jìn)行識別；Raahemi等[5]通過對IP層數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘識別P2P流量；Mayank等[6]提出了RDClass的算法，通過流量與關(guān)鍵字集合之間的距離對應(yīng)用進(jìn)行識別；Staravoitau[7]提出了通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對流量進(jìn)行識別，準(zhǔn)確率達(dá)到99.33%。在國內(nèi)，方鵬[8]使用了TCP特征和聚類的方式對惡意TCP流進(jìn)行識別，并標(biāo)記惡意流量；何高峰等[9]通過Tor流量的TLS和長度分布特征對Tor流量進(jìn)行識別；李響[10]對使用Meek網(wǎng)橋的Tor流量進(jìn)行深入分析，使用多級過濾和SVM相結(jié)合的方式，對基于Meek的Tor流量進(jìn)行識別；李金栓[11]對I2P流量特征進(jìn)行分析，使用多級過濾和遺傳算法對I2P流量進(jìn)行識別，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)原型系統(tǒng)。

目前，針對匿名通信網(wǎng)絡(luò)的研究主要集中在Tor的流量識別，很少有關(guān)于I2P流量識別的文獻(xiàn)。同時(shí)，I2P新加入的NTCP2協(xié)議也給I2P流量帶來了新的特征，因此有必要對最新版I2P的流量特征進(jìn)行研究，并設(shè)計(jì)算法識別其流量。本文對加入NTCP2協(xié)議后的I2P流量特征進(jìn)行研究，并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)用于識別I2P流量的原型系統(tǒng)。

1 I2P運(yùn)行原理

對I2P運(yùn)行原理和傳輸層協(xié)議進(jìn)行分析，包括I2P隧道建立、轉(zhuǎn)發(fā)過程以及I2P路由節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信的協(xié)議——SSU、NTCP和NTCP2。

I2P是一種廣泛使用的匿名通信網(wǎng)絡(luò)，可以用于匿名瀏覽網(wǎng)頁、匿名郵件及匿名文件共享等。I2P在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)會使用節(jié)點(diǎn)選擇算法從netDB中隨機(jī)選擇一定數(shù)目的節(jié)點(diǎn)組成單向的傳入隧道（Inbound Tunnel）和傳出隧道（Outbound Tunnel）。其中，傳入隧道用于接收數(shù)據(jù)，傳出隧道用于發(fā)送數(shù)據(jù)，隧道中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都只知道它的上一跳和下一跳節(jié)點(diǎn)。路由間數(shù)據(jù)通過I2P傳輸層協(xié)議進(jìn)行傳輸。

下面介紹I2P的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫、隧道建立和傳輸層協(xié)議。

1.1 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫

I2P netDB是一個(gè)分布式數(shù)據(jù)庫，保存有路由節(jié)點(diǎn)信息（RouterInfos）和賃集（LeaseSets）兩種信息。它們都經(jīng)過簽名，任何使用這些數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)都可以通過簽名驗(yàn)證這些信息。其中，RouterInfo記錄了路由節(jié)點(diǎn)的身份（包括加密密鑰、簽名密鑰和證書）、IP地址和端口等信息。

1.2 隧 道

當(dāng)I2P需要進(jìn)行通信時(shí)，客戶端建立傳入隧道和傳出隧道。隧道建立時(shí)，I2P隨機(jī)從netDB中選擇節(jié)點(diǎn)建立單向傳輸?shù)乃淼?。由于隧道是單向的，因此為了完成通信，至少需要建立一條用于發(fā)送數(shù)據(jù)的傳出隧道和一條用于接收數(shù)據(jù)的傳入隧道。

1.3 傳輸層協(xié)議

I2P路由節(jié)點(diǎn)之間通過傳輸層協(xié)議進(jìn)行通信，高層協(xié)議經(jīng)過I2P傳輸層協(xié)議進(jìn)行封裝后通過TCP或UDP發(fā)送到目標(biāo)路由節(jié)點(diǎn)。I2P的傳輸層有安全半可靠UDP（Secure Semireliable UDP，SSU）、NTCP和NTCP2三種協(xié)議。

1.3.1 SSU

SSU在UDP協(xié)議的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)半可靠的、加密的、面向連接的和點(diǎn)到點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。SSU連接建立過程如圖1所示。

圖1 SSU會話建立

1.3.2 NTCP

NTCP使用TCP協(xié)議，是一種基于Java NIO的傳輸層協(xié)議。NTCP建立過程如圖2所示。

圖2 NTCP會話建立

1.3.3 NTCP2

NTCP2在I2P 0.9.36中被引入，NTCP2使用Noise協(xié)議框架。NTCP2可以與NTCP運(yùn)行在同一端口或者不同端口。NTCP2建立連接的過程如圖3所示。

圖3 NTCP2會話建立

2 I2P報(bào)文特征分析

通過運(yùn)行I2P并進(jìn)行抓包獲取包含I2P流量的數(shù)據(jù)包，并使用netDB中RouterInfo對數(shù)據(jù)流進(jìn)行標(biāo)記，最后分析I2P數(shù)據(jù)流特征。由于NTCP和NTCP2協(xié)議可以同時(shí)運(yùn)行，因此下文不再區(qū)分NTCP和NTCP2協(xié)議。

2.1 載荷長度特征

提取捕獲到的數(shù)據(jù)包的載荷長度，分別繪制載荷長度分布直方圖，如圖4和圖5所示?？梢钥闯?，無論是基于TCP還是UDP的協(xié)議，均存在載荷長度較小的數(shù)據(jù)包，且這樣的數(shù)據(jù)包占了很大比重，長度較大的載荷長度根據(jù)協(xié)議的不同有較大差異。根據(jù)第1節(jié)的描述，由于I2P隧道是單向的，因此隧道反向傳輸?shù)臄?shù)據(jù)只有確認(rèn)包，數(shù)據(jù)量較小。然而，通過對大量的I2P數(shù)據(jù)流進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，雖然大部分?jǐn)?shù)據(jù)流符合該特征，但仍有小部分上下行數(shù)據(jù)量大致相同。

圖4 基于TCP的I2P數(shù)據(jù)流載荷長度分布

圖5 基于UDP的I2P數(shù)據(jù)流載荷長度分布

為了進(jìn)一步得到I2P數(shù)據(jù)流載荷長度的特征，下面分析其載荷長度的統(tǒng)計(jì)量。由于基于TCP和UDP的I2P流量有較大差異，因此需要分別對其進(jìn)行研究。同時(shí)，I2P流量的載荷長度可以明顯分為兩種，長度較大的載荷一般用于數(shù)據(jù)的發(fā)送，長度較小的載荷用于對報(bào)文的確認(rèn)。由于載荷長度大小對流量特征也有較大影響，因此本文設(shè)定了一個(gè)len_threshold，大于該長度的載荷視為長度較大載荷，小于該長度的視為長度較小的載荷。通過計(jì)算不同基于UDP的I2P數(shù)據(jù)流的統(tǒng)計(jì)量，繪制成圖6、圖7和圖8。

圖6 基于UDP的I2P數(shù)據(jù)流載荷長度期望

圖7 基于UDP的I2P數(shù)據(jù)流載荷長度標(biāo)準(zhǔn)差

圖8 基于UDP的I2P數(shù)據(jù)流載荷長度熵

從圖6、圖7和圖8可以看出，基于UDP的I2P流量具有一定的統(tǒng)計(jì)特性，尤其是用于確認(rèn)的長度較小的載荷，期望分布于0～200，標(biāo)準(zhǔn)差分布于0～50，熵分布于0～30。

本文使用同樣的方法繪制了基于TCP的I2P數(shù)據(jù)流的統(tǒng)計(jì)特征圖，如圖9、圖10和圖11所示。

圖9 基于TCP的I2P數(shù)據(jù)流載荷長度期望

圖10 基于TCP的I2P數(shù)據(jù)流載荷長度標(biāo)準(zhǔn)差

圖11 基于TCP的I2P數(shù)據(jù)流載荷長度熵

從圖9、圖10和圖11可以看出，基于TCP的I2P數(shù)據(jù)流小長度載荷長度的統(tǒng)計(jì)特征較UDP更為明顯，TCP較小載荷長度期望分布在0～20，標(biāo)準(zhǔn)差分布在0～300，載荷長度熵分布于0～10。長度較大的載荷期望分布在1 000～2 500，大部分標(biāo)準(zhǔn)差小于1 000。

2.2 載荷長度序列特征

在第1節(jié)中介紹了I2P傳輸層連接建立的過程，從連接過程交換的信息來看，I2P傳輸層協(xié)議在連接建立過程中可能存在明顯的長度序列模式。下面截取部分基于TCP的I2P傳輸層建立會話過程的數(shù)據(jù)流，如圖12所示。

圖12 基于TCP的I2P傳輸層建立連接

圖13對比了3條基于TCP的數(shù)據(jù)流，可以看出數(shù)據(jù)流的前幾個(gè)數(shù)據(jù)包的載荷長度序列有一定的大小范圍?；赨DP的I2P數(shù)據(jù)流也有類似的模式，部分?jǐn)?shù)據(jù)流如圖13所示。

圖13 基于UDP的I2P傳輸層建立連接

從圖13可以看出，基于UDP的I2P流量有著更為明顯的特征，尤其是第3個(gè)載荷長度固定為512 Byte。

2.3 載荷特征

I2P載荷經(jīng)過加密處理，因此載荷無明顯特征。然而，這與其他加密協(xié)議如TLS有明顯區(qū)別。在TLS協(xié)議中，安全傳輸層載荷開始處會記錄數(shù)據(jù)類型、協(xié)議版本和長度等信息。

2.4 首部標(biāo)志特征

根據(jù)對大量I2P流量數(shù)據(jù)包網(wǎng)際互聯(lián)層和傳輸層的頭部分析發(fā)現(xiàn)，I2P流量的IP頭部的TOS字段均為0，TCP頭部的PSH位置位，如圖12所示。

2.5 端口號

根據(jù)I2P官方網(wǎng)站的描述，I2P在運(yùn)行時(shí)會從大于1 024的端口號中隨機(jī)選取一個(gè)端口號進(jìn)行通信。觀察大量的I2P數(shù)據(jù)包，也證實(shí)了這個(gè)描述。

2.6 確認(rèn)到達(dá)時(shí)間差

在TCP協(xié)議中，接收到數(shù)據(jù)包后要返回ACK確認(rèn)數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)間。本文通過計(jì)算ACK數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)間和相應(yīng)數(shù)據(jù)包的差值繪制成圖14。

圖14 確認(rèn)到達(dá)時(shí)間差

從圖14中可以看出，I2P數(shù)據(jù)流確認(rèn)到達(dá)數(shù)據(jù)包的發(fā)出時(shí)間差集中在0.2～0.5 s，初始的幾個(gè)報(bào)文時(shí)間差較小。同時(shí)，受到網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)和計(jì)算量的影響，少部分?jǐn)?shù)據(jù)包的時(shí)間差可能超出范圍。

3 算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

將根據(jù)第2節(jié)對I2P流量特征的分析結(jié)果，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一套算法實(shí)現(xiàn)對I2P流量進(jìn)行過濾，并對算法進(jìn)行測試。

本文首先通過端口號過濾掉端口小于等于1 024的數(shù)據(jù)流，然后對數(shù)據(jù)流的其他特征進(jìn)行檢查，如果通過所有檢查，則認(rèn)為是I2P數(shù)據(jù)流。

算法如下：

（1）讀入捕獲的數(shù)據(jù)包并重新建立數(shù)據(jù)流，去除數(shù)據(jù)流中重傳幀；

（2）提取數(shù)據(jù)流的首部標(biāo)志位特征、載荷長度特征、TCP數(shù)據(jù)流確認(rèn)時(shí)間和載荷前十個(gè)字節(jié)；

（3）檢查數(shù)據(jù)流端口號，如果小于等于1 024，則認(rèn)為不是I2P數(shù)據(jù)流；

（4）檢查首部特征，如果不符合I2P數(shù)據(jù)流的首部特征，則認(rèn)為不是I2P數(shù)據(jù)流；

（5）檢查載荷前10字節(jié)是否包含載荷長度信息以及同一數(shù)據(jù)流相同位置字節(jié)的相關(guān)性，如果包含或相關(guān)性過大，則認(rèn)為不是I2P數(shù)據(jù)流；

（6）如果是TCP流，則檢查確認(rèn)報(bào)文發(fā)出時(shí)間差，如果有一定比例的數(shù)據(jù)包超出范圍，則認(rèn)為不是I2P數(shù)據(jù)流；

（7）設(shè)定長度len_threshold，根據(jù)len_threshold將載荷長度分成兩部分，小于len_threshold的記為Y，大于len_threshold的記為Z；

（8） 計(jì) 算 E(Y)、D(Y)和 H(Y)，如 果 E(Y)、D(Y)或H(Y)不在I2P較小載荷的期望、標(biāo)準(zhǔn)差和長度熵區(qū)間內(nèi)，則認(rèn)為不是I2P流量；

（9）計(jì)算 E(Z)和 H(Z)，如果 E(Z)或 H(Z)不在I2P較大載荷的期望和長度熵區(qū)間內(nèi)，則認(rèn)為不是I2P流量；

（10）如果通過以上所有檢查，則認(rèn)為是I2P流量。

根據(jù)以上算法，本文使用python開發(fā)了一套用于檢測I2P流量的原型系統(tǒng)。為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確，本文在不同環(huán)境重新抓取了包含I2P流量的數(shù)據(jù)包，共獲取到34 926條數(shù)據(jù)流，其中包含5 583條I2P數(shù)據(jù)流。運(yùn)行流量識別原型系統(tǒng)對流量進(jìn)行識別，結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表1可以計(jì)算出，該原型系統(tǒng)對I2P流量識別的精確度（Accuracy）達(dá)到93%，召回率達(dá)到94%，證明該系統(tǒng)可以有效識別I2P流量。

4 結(jié) 語

本文首先對I2P原理和傳輸層協(xié)議進(jìn)行介紹，其次重點(diǎn)分析I2P數(shù)據(jù)流存在的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征，最后根據(jù)I2P數(shù)據(jù)流的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征設(shè)計(jì)了一套算法對I2P流量進(jìn)行識別。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法具有較高的精確度和召回率。

在本文的基礎(chǔ)上未來可以從以下幾個(gè)方向?qū)2P流量識別算法進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化：

（1）進(jìn)一步豐富數(shù)據(jù)流的種類，對流量識別算法進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化；

（2）可以通過抓取I2P路由節(jié)點(diǎn)信息，直接使用路由節(jié)點(diǎn)信息識別數(shù)據(jù)流；

（3）可以利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行進(jìn)一步識別，提高精確度。