內容簡介
網絡監聽、網絡對抗、網絡管理、惡意代碼分析、軟件安全漏洞挖掘等應用領域常常需要分析未知協議的格式,高效、準確的自動化協議逆嚮分析技術一直是人們追求的目標。
《網絡與信息安全前沿技術叢書:網絡協議逆嚮分析及應用》是國內全麵介紹自動化網絡協議逆嚮分析及應用的學術專著,反映瞭協議逆嚮分析領域的新研究成果,可作為從事軟件及協議逆嚮分析、網絡管理、網絡安全與對抗等方嚮的教學、科研及工程技術人員的參考書。
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目錄
第1章 緒論
1.1 協議
1.1.1 定義
1.1.2 網絡體係結構
1.2 協議分析
1.2.1 應用需求
1.2.2 協議逆嚮工程
參考文獻
第2章 協議設計原理
2.1 協議模型
2.2 協議設計的基本內容
2.2.1 協議的通信環境
2.2.2 協議提供的服務
2.2.3 協議功能
2.2.4 協議元素
2.3 差錯控製技術
2.3.1 差錯類型
2.3.2 差錯檢測技術
2.3.3 報文丟失、重復、失序處理技術
2.3.4 差錯控製與層次的關係
2.4 典型協議
2.4.1 HDLC協議
2.4.2 PPP協議
2.4.3 IP協議
2.4.4 TCP協議
2.4.5 HTTP協議
2.5 總結與展望
參考文獻
第3章 協議規範描述模型
3.1 概述
3.2 協議規範描述需求分析
3.3 高階屬性方法
3.3.1 協議格式分析
3.3.2 高階屬性文法
3.4 基於高階屬性方法的協議規範描述模型
3.5 模型實現
3.6 總結與展望
參考文獻
第4章 基於網絡流量的協議格式逆嚮分析
4.1 概述
4.2 序列比對技術
4.2.1 雙序列比對
4.2.2 多序列比對
4.2.3 問題分析
4.3 典型報文序列分析方法
4.3.1 PI
4.3.2 PEXT
4.3.3 BFS
4.3.4 ScriptGen
4.3.5 Discoverel
4.3.6 Automaton
4.3.7 Netzob
4.4 基於遞歸聚類的協議格式提取方法
4.4.1 基本塊劃分
4.4.2 遞歸分析
4.4.3 報文結構信息分析
4.4.4 語義及取值約束推斷
4.4.5 算法復雜度分析
4.5 人工知識在逆嚮分析中的應用
4.5.1 人工知識
4.5.2 半自動協議逆嚮分析
4.6 RPRA實現
4.6.1 輸入模塊
4.6.2 自動分析模塊
4.6.3 輸齣模塊
4.6.4 糾正模塊
4.7 應用實例
4.7.1 樣本集的獲取
4.7.2 數據預處理
4.7.3 已知協議分析
4.8 總結與展望
參考文獻
第5章 動態二進製程序分析技術
5.1 概述
5.2 動態汙點分析技術
5.2.1 動態汙點分析的原理
5.2.2 汙點屬性的傳播特徵
5.2.3 動態汙點分析技術的應用
5.3 動態符號執行技術
5.3.1 符號執行的原理
5.3.2 符號執行技術的局限
5.3.3 動態符號執行的原理及應用
5.4 二進製分析平颱簡介
5 4 1Intel Pin
5.4.2 BltBlaze
5.4.3 其他二進製分析平颱
5.5 總結與展望
參考文獻
第6章 基於執行軌跡的協議格式逆嚮分析
6.1 概述
6.2 典型指令序列分析方法
6.2.1 Polyglot
6.2.2 AutoFormat
6.2.3 Tupni
6.2.4 Prospex
6.2.5 ReFormat
6.2.6 Dispatcher
6.3 基於混閤符號執行的協議格式提取方法
6.3.1 概述
6.3.2 基本思想
6.3.3 基於中間語言的混閤符號執行技術
6.3.4 語義解析層次的協議格式提取技術
6.3.5 原型實現及應用
6.4 總結與展望
參考文獻
第7章 協議狀態機推斷技術
7.1 概述
7.2 基本定義
7.3 狀態機推斷技術研究現狀
7.3.1 基於指令序列的狀態機推斷研究
7.3.2 基於報文序列的狀態機推斷研究
7.3.3 兩類方法的比較
7.4 測試驅動狀態融閤的協議狀態機推斷方法-
7.4.1 狀態融閤問題分析
7.4.2 方法概述
7.4.3 初始狀態機構造
7.4.4 狀態匹配與融閤
7.4.5 狀態融閤驗證
7.4.6 實例分析
7.5 基於域知識的協議狀態機主動推斷算法
7.5.1 概述
7.5.2 L+N算法
7.5.3 基於強順序約束關係的output query過濾機製
7.5.4 基於EPTT的output query預響應機製
7.5.5 基於正例樣本變異的equivalence queor近似判定算法
7.5.6 實例分析
7.6 總結與展望
參考文獻
第8章 協議逆嚮分析的應用
8.1 概述
8.2 Fuzzing測試技術
8.3 基於模型的Fuzzing技術麵臨的問題
8.3.1 數據格式的描述
8.3.2 測試用例的生成
8.4 文法驅動的Fuzzing測試技術
8.4.1 文法分析樹的構造
8.4.2 測試節點的選擇
8.4.3 基於語義的測試用例生成
8.5 應用實例
8.6 總結與展望
參考文獻
附錄 縮略語
前言/序言
協議是計算機網絡和分布式係統中各種通信實體間相互交換信息時必須遵守的一組規則或約定,這些規則明確規定瞭所交換的數據格式及有關的同步問題,從而保證瞭通信雙方有條不紊、可靠地交換信息。自從英格蘭國傢物理實驗室(National Physical Laboratory,NPL)的R.A.Scantlebury和K.A.BaItlett在1967年將“協議”(protocol)一詞用於描述數據通信過程以來,已有大量通信協議齣現並被標準化,廣泛用於各種各樣的網絡和通信應用中。比較著名的網絡協議有TCP/IP協議棧中的一係列協議,如lP、TCP、UDP、POP3、SMTP、HTTP協議等。
除瞭大量標準化的通信協議外,網絡中還存在大量私有協議(也稱為未知協議),各軟件廠商或個人齣於經濟利益、安全、隱私等因素的考慮,並沒有公開協議細節;一些惡意軟件也采用瞭自己的私有協議防止被跟蹤和分析。
網絡協議規範對於網絡管理、網絡攻防有著重要意義。從網絡管理的角度看,識彆網絡流量使用的傳輸協議對於提高網絡服務質量、瞭解網絡運行狀態、監控惡意網絡應用具有重要意義。從網絡攻擊的角度來看,假冒攻擊、網絡監聽等主動和被動攻擊技術都需要以協議格式為前提。從網絡防護的角度看,識彆軟件使用的通信協議、分析軟件間網絡交互報文是軟件安全性分析、漏洞挖掘、流量控製和網絡安全策略製定等工作的重要內容。而對於迅速傳播的蠕蟲、僵屍程序、木馬等惡意軟件,快速分析其通信協議、掌握其命令控製方式更是對惡意軟件做齣及時反應的關鍵步驟。因此,以網絡協議為主要研究對象的協議分析技術應運而生。
協議分析技術主要分為兩大類,一類是對已知協議的識彆與分析,另一類是對未知協議的逆嚮分析。前者以協議特徵(如協議格式特徵、端口特徵、流量特徵等)為基礎,識彆應用使用的通信協議並根據協議規範對協議報文進行分析,其前提是協議規範已知。後者則是在協議特徵未知的條件下,通過協議報文或協議軟件執行過程分析得到協議規範(包括協議格式和協議狀態機),即協議逆嚮分析。
協議逆嚮工程(ProtocolReverseEngineering),是指在不依賴於協議描述的情況下,通過對協議實體的網絡輸入/輸齣、係統行為和指令執行流程進行監控和分析,提取協議語法、語義和同步信息的過程,是工程化的協議逆嚮分析方法。人工方式的協議逆嚮雖然取得瞭較為理想的效果,但其過程冗長耗時、費力,且準確率依賴於分析人員的經驗。隨著網絡規模的擴大和應用種類的增多,對協議逆嚮的準確性和時效性的要求越來越高,自動化的協議逆嚮分析技術成為人們追求的目標。
在江蘇省自然科學基金項目“協議逆嚮工程關鍵技術研究”以及軍隊有關項目資助下,解放軍理工大學協議逆嚮分析課題組經過多年研究,在自動化的協議逆嚮分析方麵取得瞭一些研究成果。這些研究成果以及國內外在協議逆嚮分析方嚮的新研究進展形成瞭本書的主體內容。
全書共8章,主要介紹協議逆嚮分析原理及應用技術。第1章緒論,主要介紹協議、協議逆嚮工程等相關概念、研究現狀。第2章主要介紹協議設計原理,內容包括協議設計模型、內容、差錯控製技術以及典型協議簡介等,以此作為協議逆嚮分析的背景知識。第3章主要介紹協議規範描述模型,內容涉及協議逆嚮分析對協議規範描述模型的要求、著者提齣的基於高階屬性文法的協議規範描述模型,這部分內容是一體化的協議逆嚮分析技術的基礎。協議格式逆嚮分析主要有兩種方法:基於網絡流量的協議格式逆嚮分析和基於執行軌跡的協議格式逆嚮分析。第4章主要介紹基於網絡流量的協議格式逆嚮分析,內容包括該方法的一般原理、研究現狀、著者提齣的基於遞歸聚類的協議格式提取方法、人工知識在逆嚮分析中的應用等。第5章主要介紹動態二進製程序分析技術,內容包括動態汙點分析、動態符號執行技術以及常見的二進製程序分析平颱,本章是基於執行軌跡的協議格式逆嚮分析技術的基礎。第6章介紹基於執行軌跡的協議格式逆嚮分析方法,包括該方法的一般原理、研究現狀以及作者在此方嚮上的研究成果。第7章介紹協議狀態機推斷技術,包括狀態機推斷原理、研究現狀以及著者提齣的兩種狀態機推斷方法。第8章以針對網絡協議的模糊測試技術為例,介紹網絡協議逆嚮分析技術的應用。
《網絡協議逆嚮分析及應用》 深入剖析網絡通信的奧秘,揭示數據流動的內在邏輯 在當今數字化浪潮洶湧澎湃的時代,網絡已成為信息傳輸、業務運作乃至社會運行的生命綫。從電子郵件的每一次傳遞,到金融交易的每一次確認,再到物聯網設備的每一次交互,無數的信息在復雜的網絡協議驅動下,如同血液般在數字世界中奔騰不息。然而,這些協議的復雜性、演進的速度以及潛在的安全風險,也給理解、保障和創新帶來瞭巨大的挑戰。 本書《網絡協議逆嚮分析及應用》正是應運而生,旨在為讀者提供一個深入理解網絡協議的視角,尤其側重於通過“逆嚮分析”這一強大而精密的工具,去洞察那些隱藏在錶象之下的協議本質、工作原理及其在現實世界中的具體應用。我們不滿足於僅僅瞭解協議的錶麵功能,而是要探究其設計哲學,理解其曆史演進,掌握其實現細節,並最終能夠靈活運用這些知識解決實際問題。 什麼是網絡協議?為何要進行逆嚮分析? 網絡協議,簡單來說,就是網絡設備之間進行通信時必須遵循的一係列規則、標準和約定的集閤。它們定義瞭數據如何被編碼、傳輸、路由、接收和解釋,確保瞭不同廠商、不同操作係統、不同應用之間的互聯互通。從低層的物理層和數據鏈路層(如以太網、Wi-Fi),到傳輸層(如TCP、UDP),再到網絡層(如IP),以及應用層(如HTTP、DNS、FTP、SSH、TLS/SSL),每一個層麵都存在著海量而精密的協議。 然而,許多協議的文檔並不總是完備的,或者隨著技術的進步,齣現瞭許多非標準、私有或遺留的協議。即便是標準協議,其內部的實現細節、安全加固機製、甚至是潛在的漏洞,也往往不為公眾所熟知。這時,“逆嚮分析”(Reverse Engineering)就成為瞭解鎖這些“黑箱”的鑰匙。 網絡協議逆嚮分析,是指通過觀察、捕獲、分析網絡流量,以及對相關的軟件、硬件進行反編譯、反匯編等技術手段,來推斷、理解和重構其通信機製、數據格式、指令集和工作邏輯的過程。它不是簡單的“偷窺”,而是一種嚴謹的科學研究和技術探索,其核心在於“知其然,更知其所以然”。 本書將帶您走過的知識之旅: 本書將以一種循序漸進、由淺入深的方式,引領讀者踏上一段充滿挑戰與發現的網絡協議逆嚮分析之旅。我們將從基礎概念入手,逐步深入到高級技術和實際應用。 第一部分:網絡協議基礎與逆嚮分析的基石 深入理解網絡分層模型: 我們將迴顧OSI七層模型和TCP/IP四層模型,並詳細解讀每一層的關鍵協議,理解它們在整個網絡通信流程中的定位和作用。例如,IP協議如何實現全球範圍的尋址和路由,TCP協議如何保證可靠的、有序的數據傳輸,HTTP協議如何支撐Web應用的豐富交互。 掌握核心網絡協議棧: 深入剖析TCP/IP協議族中的關鍵協議,包括但不限於: 傳輸層: TCP的連接建立(三次握手)、數據傳輸(滑動窗口、擁塞控製)、連接終止(四次揮手)的每一個細節;UDP的無連接、不可靠但高效的特性。 網絡層: IP協議的報文結構、地址分配、路由選擇的基本原理。 應用層: HTTP/1.x、HTTP/2、HTTPS的請求/響應機製、報文格式、狀態碼、頭部字段,以及TLS/SSL的握手過程、加密解密機製。DNS的查詢流程、記錄類型。DHCP的地址分配過程。 網絡抓包與分析工具的精通: 學習使用業界主流的網絡抓包工具(如Wireshark、tcpdump),理解其工作原理,掌握如何有效地捕獲、過濾和保存網絡流量。我們將詳細講解如何從抓包數據中提取關鍵信息,識彆協議類型,分析數據包結構。 數據包的結構與解析: 學習網絡數據包的二進製結構,理解各個字段的含義,掌握如何使用工具(如Wireshark的Dissector)解析不同協議的數據包,識彆數據負載中的重要信息。 基本的數據編碼與解碼: 瞭解常見的網絡數據編碼方式,如ASCII、UTF-8、Base64、Hex等,以及如何在分析中進行正確的編碼和解碼。 第二部分:網絡協議逆嚮分析的實戰技巧 流量捕獲與分析的藝術: 選擇閤適的捕獲點: 在網絡拓撲的不同位置(客戶端、服務器、中間設備)進行流量捕獲,以獲取最相關的信息。 精細化過濾: 掌握Wireshark等工具的高級過濾技巧,快速定位目標流量,排除無關乾擾。 識彆未知協議: 當遇到Wireshark無法自動識彆的協議時,如何通過分析報文特徵、字節模式、字符串信息來推斷其協議類型和結構。 協議狀態跟蹤與會話重構: TCP流跟蹤: 如何將亂序、分片的數據包按照TCP流的順序進行重組,還原完整的通信會話。 應用層會話分析: 如何跟蹤特定應用層協議(如HTTP)的請求和響應序列,理解客戶端與服務器之間的交互邏輯。 數據負載的深入挖掘: 提取關鍵數據: 如何從捕獲的數據包中提取重要的用戶信息、命令、文件內容、配置參數等。 數據加密與解密: 瞭解對稱加密、非對稱加密、哈希函數在網絡通信中的應用。學習如何捕獲TLS/SSL握手過程中的密鑰信息(在閤法授權下),並解密HTTPS流量,以分析加密通信內容。 協議特徵提取與模式識彆: 字節序列分析: 識彆協議特有的字節序列(Magic Bytes)、固定的字段順序、特定的數值範圍等,作為識彆協議的依據。 字符串分析: 從數據負載中提取可讀的字符串,如命令、URL、用戶名、錯誤信息等,為理解協議功能提供綫索。 利用自動化工具與腳本: 開發自定義Dissector: 學習如何為Wireshark開發自定義的Dissector,以支持私有或不常見的協議。 腳本化分析: 使用Python等腳本語言,結閤Scapy等庫,實現對網絡流量的自動化解析、分析和數據提取。 動態分析與靜態分析的結閤: 動態分析: 在網絡流量中觀察協議的行為,捕捉其實時交互。 靜態分析: 對相關的應用程序(客戶端、服務器端)進行反匯編、反編譯,分析其代碼邏輯,以理解協議的實現細節和內部數據結構。 第三部分:網絡協議逆嚮分析的應用領域與前沿探索 網絡安全攻防中的逆嚮分析: 漏洞挖掘與分析: 如何通過逆嚮分析發現網絡協議實現中的漏洞,如緩衝區溢齣、格式化字符串漏洞、邏輯錯誤等。 惡意軟件分析: 分析惡意軟件的網絡通信模式,識彆其C2(Command and Control)通信協議,追蹤其行為。 入侵檢測與防禦: 基於對協議的深入理解,設計更精準的入侵檢測規則,開發更有效的防禦機製。 取證分析: 在網絡安全事件發生後,通過分析捕獲的流量,還原攻擊過程,收集證據。 網絡性能優化與故障排查: 瓶頸定位: 分析協議交互中的延遲、丟包、重傳等現象,找齣網絡性能瓶頸。 協議缺陷診斷: 識彆協議實現中的非最優設計或錯誤配置,提齣優化建議。 物聯網(IoT)協議分析: 理解IoT通信: 剖析CoAP、MQTT、Zigbee、LoRa等IoT領域特有的協議,分析其通信模式和數據格式。 IoT設備安全: 針對IoT設備的逆嚮分析,識彆潛在的安全風險,評估其通信的安全性。 新興協議與技術探索: WebAssembly(Wasm)的網絡應用: 分析Wasm在瀏覽器中的網絡交互方式。 IPv6協議族的深入理解與分析: 探索IPv6的報文結構、擴展頭部、地址解析等。 軟件定義網絡(SDN)與網絡功能虛擬化(NFV)中的協議: 理解OpenFlow、Netconf等協議在SDN/NFV架構中的作用。 閤規性與互操作性驗證: 驗證協議實現: 確保網絡設備或軟件的協議實現符閤標準規範。 第三方設備集成: 分析第三方設備使用的私有協議,以便於集成和互操作。 數據包捕獲與分析的道德與法律考量: 閤法授權的重要性: 強調在進行網絡協議分析時,必須遵守相關的法律法規,獲得明確的授權,尊重用戶隱私。 本書的特色: 理論與實踐並重: 我們不僅會講解協議的理論知識,更會提供大量的實戰案例和操作指南,讓讀者能夠親自動手,掌握分析技能。 案例驅動: 通過分析實際的網絡流量和常見協議,讓抽象的概念變得具體可感。 前沿視野: 緊跟網絡技術發展的步伐,介紹最新的協議和逆嚮分析技術。 全麵性: 覆蓋從基礎到高級,從工具使用到實際應用的各個方麵。 誰適閤閱讀本書? 本書適閤所有對網絡通信底層原理感興趣的技術人員,包括但不限於: 網絡工程師: 深入理解協議,優化網絡性能,解決復雜網絡問題。 安全研究員與工程師: 挖掘網絡安全漏洞,分析惡意軟件,進行入侵檢測與防禦。 軟件開發工程師: 開發網絡應用,理解其通信機製,保障數據傳輸安全。 係統管理員: 排查網絡故障,監控網絡運行狀態。 滲透測試工程師: 深入瞭解目標係統的通信模式,發現潛在攻擊麵。 計算機科學與網絡安全專業的學生: 構建紮實的網絡協議基礎,掌握實用的逆嚮分析技能。 通過閱讀《網絡協議逆嚮分析及應用》,您將不僅能夠“看懂”網絡中的數據流動,更能“讀懂”協議背後的邏輯,掌握揭示網絡通信奧秘的強大武器,從而在不斷變化的網絡世界中,成為一名更加自信、高效和專業的技術實踐者。我們期待與您一起,在這趟深入探索網絡協議世界的旅程中,共同發現、學習與成長。