对Biorren通信协议的与检测

对BitTorrent通信协议的分析与检测C2007年1月30日11:00

电信科学程磊

陈鸣

周骏

风靡一时的应用程序BitTorrent（BT）曾在短期内改变了因特网的流量构成，对IP网络的运营、维护和管理产生了巨大影响。

本文建立了分析BT协议的环境，通过俘获BT分组并对照BT协议规范，分析了BT通信协议的交互过程，并据此配合BT的特征字符串、特征端口及行为特征，提出了一种检测通信流中存在BT通信的方法。

1、概述

传统的因特网服务如Web、FTP、DNS等均使用客户机/服务器（C/S）模式进行通信。在通信过程中，提供服务的程序称为服务器，请求服务的程序称为客户机。因此，在复杂通信的过程中，一个服务器很可能在另一次通信中变为客户机，反之亦然。C/S模式的特征是：服务器是总是打开的主机，具有永久的IP地址，并可扩展为服务器池；客户机与服务器直接通信，可以间歇地与服务器连接，可以具有动态的IP地址，并且客户机彼此之间不直接通信。C/S模式的最大特点是服务和资源集中，所有对服务请求的处理通常是由服务器完成的。

对等方到对等方（peer-to-peer，P2P）是近年来流行起来的通信模式，但实际上因特网正是基于这种理念建立起来的。随着因特网用户和服务的增多，服务器面临的压力越来越大，P2P又重新回到了人们的视线中。在P2P模式中，无总是打开的应用服务器，任意的端系统之间可直接通信，对等方间歇地连接，并可改变IP地址。P2P模式的特征是：服务和资源分布化，资源不集中存储在某些设备上，而是分散存储在运行P2P程序的设备上，每一个对等方都可以为其他对等方提供服务。例如，主机A要从网上下载一个文件a，如果以P2P模式工作，那么它工作的基本过程是：定位具有文件a的对等方，向对等方提出下载请求，并获得该文件。值得注意的是，主机A在下载文件a的同时，可能也在为其他用户提供文件（包括文件a）下载。根据定位文件a的方式不同，可将P2P应用方式分为3类：集中式目录、分布式查询和结合这两者的混合方式[1]。集中式目录模式属于第一代P2P应用，使用一台大型服务器（或服务器场）来提供目录服务，其代表是Napster[2]，缺点是存在单点故障、性能瓶颈和侵犯版权等问题。分布式查询将目录服务完全分布在覆盖网络的所有对等方中，每一个对等方负责维护一部分目录内容。系统采用洪泛查询（queryflooding）算法使用户获得文件信息，收到该报文的主机向它们的所有邻居转发该报文，这些邻居又依次向它们的所有邻居转发该报文等，其代表是Gnutella[3]。第3种方式是前两种方式的结合，其中一种实现方法是将覆盖网络中的对等方划分为若干小组，每个小组选取一个具有高带宽连接和高因特网连接性的成员作为组长，组长负责管理组内成员及与其他组长通信。在小组内使用集中式目录服务，服务器就是该组的组长。各组长之间使用分布式的目录服务。混合方式目前在P2P应用中使用最为广泛，其代表是KaZaA、BitTorrent（BT）[4]。

由于BT使用广泛，其通信协议引起的流量巨大，BT对因特网的运营、维护和管理具有重要影响。为此，参考文献[5]对BT的一般工作原理进行了介绍，参考文献[6]在分析BT工作原理的基础上，比较了BT与C/S模式应用程序的特点，提出了一种BT改进建议，但这些文献都没有详细地分析BT通信协议（简称BT协议）原理和交互过程。为此本文深入分析了BT通信协议和其交互过程，研究了BT通信的特点，并由此提出了一种检测通信流中存在BT通信的方法。2、建立BT的分析环境

支持BT协议的P2P应用程序很多，如BitBuddy、FlashBT、BitComet和BitSpirit等，这里以应用程序BT为例来分析BT协议。本文中的BT，如其后没有“协议”两字，表示的是BT应用程序。

BT由如下几部分组成：.torrent文件、种子提供站点、目录服务器和内容发布者/下载者。.torrent文件是一个文本文件，包含了tracker信息和文件信息两部分。tracker信息主要是BT下载中需要用到的tracker服务器的地址和针对tracker服务器的设置；文件信息是指将目标文件计算处理后再根据BT协议的B编码规则网编码后得到的信息。BT的主要原理是把提供下载的文件虚拟分成大小相等的块，块大小必须为2Kbyte的整数次方（由于是虚拟分块，硬盘上并不产生各个块文件），并把每个块的索引信息和Hash验证码写入.torrent文件中，所以.torrent文件就是被下载文件的“索引”。种子提供站点也就是.torrent文件的提供站点，为下载者提供.torrent文件下载服务。目录服务器记录被下载的文件的索引信息及下载该文件的用户的信息（主要是IP地址及端口号）。早期的BT协议只支持tracker服务器，这种目录服务器是集中式目录与分布式查询的混合型；在BT协议的升级版本中，增加了对DHT（分布式Hash表）网络的支持，该网络中目录服务器是分布式的。本文的讨论只涉及tracker服务器。内容发布者/下载者是BT网络的主体，最终的下载由它们完成。构成BT网络的这几部分的相互关系如图1所示。

图1

BT覆盖网络的结构

根据BT的工作原理，为了分析BT协议的交互过程，本文重点关注本地BT客户机的运行过程。图2显示了BT协议的测试环境，其中BT客户机的IP地址是79，使用ActivePorts工具获取BT使用的端口号，ActivePorts的版本号为1.4。使用协议分析仪Ethereal俘获BT协议分组的交互过程，运行Ethereal协议分析仪的IP地址是79，Ethereal版本号为。它们通过路由器与因特网相连，BT服务器位于因特网，BT版本号为4.20.2。BT协议的测试环境歇下暴3脸、B简T协欺议的孩工作奸过程瞒柳录BT格协议迫主要距包括脆3个批部分赶：.摆to喜rr倦en袋t文号件的蚕格式课、t追ra瑞ck岗er竿HT殿TP证/H雾TT撞PS索协议接和P饺ee冷rw长ir睬e协叮议（继使用丘TC闪P）首。其块中t普ra呈ck纺er乐HT青TP叛/H长TT层PS网协议取是B纱T客污户机众与t承ra侍ck年er雀服务材器之辨间的哗通信排协议吼，P就ee勒r赌wi骡re着协议氧是B舌T客蜡户机槽之间太的通妥信协盗议。斥些区或使用沸Et送he士re纱al锅跟踪涝分析然下载忌一个花文件缠的过鸦程中贪BT指协议涌的具份体交率互过威程，谢结合街BT倡协议渔规范艰，绘约制了兽BT射协议展各组微件的肤工作促时序可图（专参见光图3遣）。弦珠嗓图3印泥BT绢协议忘各组大件的葱工作严时序种胖喝3.伸1.疏to模rr楼en短t文殊件的猾结构闷拒闸图4戴是下塑载中瓶使用想的.段to婚rr愧e搏nt伍文件级的一脖段主扮要内倡容，逆采用宫了B骑编码花。B酱编码犯是一宴种简瓶洁的环数据症组织戚方式霞，支冷持4把种数关据类钢型：情by诵te撒st属ri耀ng眨s、院in蒸te舱ge反rs府、l禾is解ts雨和d哥ic其ti昌on殖ar筹ie斤s。伏in营te泉ge芦rs引、l底is相ts荐和d逃ic钥ti觉on乔ar管ie淡s类俘型分辉别以认字母都i、泡l、性d作格为首需定界弊符，店以字坡母e偿作为币尾定煮界符失。b约yt冒es御tr舍in出gs杨类型员不使卧用首土/尾诞定界浅符，简其格夹式为棋<十神进制项表示船的字锈符串端长度皮>：通<字派符串尊>，特如4役:s迁pa饱m表熊示字裕符串材“s贵pa喉m”矿。这速4种没数据中类型辩嵌套嗓使用康构成掩了.秘to皆rr础en浅t文叉件的球内容粗。其奉中，概用*励号代绒替空孙格以谦便于发分析难。犬蕉胶图4季.t胖or宽re墓nt恳文件慧的内醉容缩夕鸟其中净的一岂些主灵要成妹份如邮下：格专长●a筹nn祖ou面nc奇e：要tr波ac贼ke臣r服我务器乐的U隙RL尼，本碌例中排为h仙tt冶p：慢//策tr某ac旷ke苦r.粒cn六xp巩.c棍om牵:8态08恋0/唇an码no抢un爹ce依。守恭亿●a痰nn姿ou熊nc销e-蛋li篇st贺：可浑选。斩备用而tr默ac终ke啊r服织务器今的U迹RL晃列表肺，本陷例中兆为h方tt鼻p:若//渗tr槐a坑ck完er摇.c盆nx悔p.项co与m:辣80犬80要/a丘nn托ou葱nc役e,北ht抬tp亿:/对/b抚tf峡an雕s.工33副22戒.o挨rg足:6鸽96那9/急an午no具un氧ce击等。爪少鹅●c铺re尺at厚io披nd层at劈e：驳可选妙。.友to泉rr屈en区t文币件的唤创建齐日期罪，使炒用标延准的瞎UN兴IX罩时间章，本孕例中辜为1沾15肾21本05速24弟3。感虾丧●c拿om遣me绕nt府：可晋选。延.t钉or来re拢nt禽文件木制作菠者添挥加的么任意饥格式炭的说翅明。校趁滩●c周re回at匀ed裂by并：可晃选。土制作轮.t乔or行re敬nt遭文件赶的工摧具，舌本例本中使馒用的引制作拢工具旦是B方it务Co亩me辩t/延0.旧67格。处剖然●e谅nc万od并in驱g：伸可选叙。发撒布的离资源转使用康的编寺码方垃式，狠在本柳例中杀使用苹的是牵GB线K。享羊谎●i冻nf笛o：阶发布尼的文绿件的钟信息摇。有疼两种听格式继，单捞文件乳格式戏和多巡文件纪格式颠。单沸文件拨格式辰包括松le缝ng宽th赠、m炼d5挖su诚m（益可选舱）、过na正me烘、p桥ie保ce棒le辟ng赛th分、p卡ie纳ce俊s；共多文隶件格疾式包宋括f拍il居es孝、n众am脾e、鸦pi病ec垮el磨en掩gt洲h、闯pi烫ec园es江，其右中f臂il激es劝包括像le慰ng愈th锁、p该at货h、尤md垮5s氏um超（可赤选）刃，每挑一个裤文件留都有搅单独恋的l看en症gt钻h、许pa题th倾、m哑d5附su羽m（冶可选慰）。钞本例地使用业多文偷件格吓式，碰共有哗两个蜘文件甩，分认别是蛇“L锈ov组eU悔nd逐er引co茫ve瞧r率Ⅲ.耍tx爹t”凑和“纹影视岁帝国唯（b亚bs膜.c和nx痰p.擦co槐m）权.新羊扎师要妹茂析涂3.伐国语博DV怎DS牌CR懂中字已.r发mv莫he袭”，鹿pi平ec扇e长糕度为彻26殖21蚀44雕by现te辉.p默ie喝ce闻个数阴为3枪47捏80悲。释征去.t多or热re糖nt巩文件垫中还植包括抖其他正一些扫可选肠项，罗只要欺它们泊遵循闸B编推码方口式就浆能够愉被客洋户机裤识别朱，这朱里不采再累何述。挑居席3.鸣2t毙ra认ck威er疲HT吊TP罗/H始TT疏PS谎协议算漫算BT检客户刚机依浙次向剪.t馅or蝴re陡nt斧中的裂tr董ac针ke惜r服系务器孤发送彩连接虽请求进，以攻获得成正在岸下载瓣该文骄件的吼对等推方列俱表（枪主要跑是I艰P地琴址和娱监听努端口环）。提如果帐连接拐成功壶获得确列表央，就甜关闭砍连接兄，尝雕试与销列表床中的形对等腰方建鉴立连漆接；常如果钓不成神功，贼尝试步下一晚个t交ra子ck猜er垮服务馋器。矿感李服务逢器t童ra盲ck冠er惨.c猪nx虹p.兽co泛m的茫IP遣地址板为6榜1.坏12刷9.世77赖.2包39互，b遣tf贿an窜s.嗓33斧22筹.o逆rg以的I叉P地篮址为新61肆.1驱29跨.7顺8.拌11盘4，壁BT围客户厅机与差BT肠服务活器的夹交互角过程哨如图鉴5所层示。饱僚词图5饲坟BT霞客户搜机与碍BT酿服务聪器的喝交互层过程掠偷萌分帝析这修些分庄组，樱易知斥分组柄70该2、值74丧8（裁分组宇70奏2的提重传晴）、掌75抹0、场75帽2是舍建立姻TC丘P连卖接的医三次瓶握手颤。B济T客迫户机梨通过访75溪3号境分组幸向t浩ra度ck炼er峡服务伙器发猴出获励取对叼等方筒列表糠的请孔求，涌75叔4号吓、7态55很号分扛组为刊应答蜓。7基57么-7例60戒号分匀组为壁关闭事连接散的交若互过室程。更下面钳重点盲分析线75恼3号获、7边54即号和聚75所5号算分组选。抓惜廊75萝3号粥分组聋中的经HT睁TP伸部分溪内容符如图该6所眼示，回使用鹅*号芝代替法空格雹以便源于分联析。净御着图6皆斤75挺3号弊分组良中的挽HT给TP迈部分死内容嘱袍股其中挖一些劫成分厅的含梢义如湾下：蓬漫厦●i涂nf豪o_暂ha功sh陆：.盲to显rr泊en亿t文弦件中侵的i粮nf域o部辰分的写Sh知al寿校验奶码，良共2杰0b席yt说e。鬼tr察ac厦ke锄r服苹务器吼通过悟它在惯发布任列表符中找躬到对虏应的咬记录灿。情主武●p真ee牛r_凝id驻：B育T客登户机廉的惟振一性岂标志偷，在盾客户豪机启董动时听产生添，共章20扯bi脖t。恳在B呀TV亦1.破0中树没有饮规定先产生傻pe鱼er同_i直d的栋算法瓦，只豪要求灰能够悲保证棉惟一兆性即在可。奉姓纤●p门or染t：陕提供府上传粉的端坛口号台，亦泊即常密说的防监控钻端口太，这旷里是校66女41楚（可白自行从设定楚）。减贱筋●k飘ey辽：可趴选。控一个讽扩展材的惟罩一性羞标志杀，即概使改蜻变了吐IP榆地址个，也隶可以社使用售该字钢段标宫志该帐BT绸客户妨机。吵绝篇●u剩pl银oa腐de灵d/智do越wn撤lo尚ad戏ed飘：上亭传/循下载际的字袄节数惨（从虹客户垄机向寻tr位ac腰ke守r服州务器馅发送养“s犯ta畏rt氧ed拨”开盖始计退算）抽，服煎务器迟可以分用它敌来做桂流量厨分析守。箩混仰●l用ef逮t：肠还需抹要下姓载的责字节哨数。零号均●c渐om锣pa舰ct枯：压肠缩标冠志。元如果夏值为饭1表麦示接具受压彩缩格祝式的迎对等经方列欠表，巨即用础6b尸yt拨e表劫示一凭个对飞等方夏（前跌4b袍yt裕e表彼示I肺P地顷址，牧后2爬by虽te淹表示巧端口曾号）纱；值裕为0恢表示护不接锻受。绵卖夜译●e昌ve最nt厉：表任明客艺户机密的状阵态，辈只能底是s何ta稀rt撑ed形、c柴om洲pl眉et脚ed捎、s社to仗pp姓ed熔等3仍种中遵的一杨种。椅艰相除了疏上面顺这些巾例子幻中包畅含的虫参数围外，巾可选胳的参灰数还摩有：粮布谣●i择p：夫可选震。I峡P地购址，畜没有势的话板服务降器会为自己船找到品。软捧呈●n势um着wa缩nt源：可别选。惜客户翅机希双望从肯tr炸ac裳ke唇r服峰务器震得到营的对臣等方荷的数男目。校加意●t廊ra岛ck轧er美id喘：可遥选。庆如果趴在之绿前的笛an榜no婚un全ce间中包改含了榨tr鞠ac预ke涝ri晌d，票将其丙值设稼置在膀该处粗。凡茫吉服务轨器中糖有个帅tr涌ac超k程塘序来打管理省这些黎请求倦，得汪到这任一串谜代码夜后就傻会用砖in碰fo卸_h碧as旬h来拒查找更列表糠，若愉找到遥就可途以下渴载。描接着笨它会坚反连稿（N房at予Ch亲ec窗k）挽客户鄙机的奖IP茫地址灶和端哗口来喷判断宏它是霸内网唤用户恢还是乒公网忍用户朝（像恩10候.1玩0.姑10蚀.x站这样糖的地勇址。槽是无负法连坑通的贞）。诱接下余来服别务器俯返回微现在爽正在境下载雀这个谁文件巧的所钢有公幅网用枪户的控IP鼓地址坝和端误口（雄包含示在分隙组7默54芳、7激55秒中，恶因为努返回绩的数驼据比冠较多园，所滴以被下分片乱返回健）。兆HT递TP盆之上祝的部变分数哨据如丈图7忘所示川。户亿替图7烦剃HT眨TP鸟之上催的部彼分数肾据方课遭其中兵“1礼99碑8：啦”及衬其之滑前的顶部分踪使用涝的是焦AS突CI狭I字精符集抱，“宏19众98争：”睡之后童的部石分是喷用1貌6进东制表角示的退二进深制数唐。从朋分组抬内容峰可以滩看出腐in姐te绣rv拳al读的值慌为1惧80寸0。需也就杨是B拉T客伸户机凭最多卡每隔缸18黄00稿个时细间单圣位就乎与t究ra蹈ck印er致服务慎器重援新联睁系一柄次：建pe祸er贺s部闲分共摧有1设99倘8露by航te汪。对船75弟3号邻分组自的分筝析可企知，狗BT港客户嫂机支篮持对上对等杀方列庙表的骡压缩秤，因哀此在乐75险4、姑75陈5号敲分组服返回巩的对叉等方会列表盗是用炕压缩敏方式他存储志的，方即6竿b鹊yt明e表货示一脸个对牺等方肥，例恨如d阁a4滥0渡91任e就8畏41逗a牲f表稻示的三对等大方是定21屑8.复64哪.1部45鸟.2亡32置:1除68昆15菊,d牢d谁ea亿3铸b咱9f屠7a催2f塞表示秤的对亲等方狠是2报21蜡.2确34哲.5钢9.灰14漠9:您31白27乐9。亿对等绩方列材表的勤长度邀为1透9园98冷b丧yt西e，滥也就款是说挤返回职的对泳等方烦个数躺为3凭33纱个。档灵赌寨3.翠3P拐ee反rw惑ir钩e协周议辅康求BT麦客户崇机会币尝试玉与返塞回的凳对等留方列珠表中涉的部顷分对惜等方抹建立耳连接灶，下催面以烘对等拢方列祸表中涉的2害21苦.2郊34册.5秩9.饺14磨9:学31洽27阻9为容例，悼分析冲一下精对等痒方之防间的西交互汽过程清。如伤图8姑所示拐，只疮分析率TC载P之镰上的大部分邮。约受定对控等方哈A指揉的是法22跟1.恳23潜4.泄59裤.1其49销:3击12侍79震，对兄等方狐B指歌的是剪19者2.侄16课8.哲0.协17仔9:任15炮04茂。往拜谷图8潜则对等亦方间奶通信润过程率久卷建立姑TC倒P连钻接之聚后，县对等病方之孟间的泄交互期过程家包括宇以下刺几步眨：合薄的（1纷）握暗手，和通过就Ha勤nd表sh鹿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