匿名通信 Windows 客戶端的設計與實現
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本課題基于 U-TRI 匿名通信系統，設計一個 Windows 匿名通信客戶端。該客戶端在匿名通信系統中扮演了重要角色，實現了兩個重要功能：第一，實現匿名通信協議，攔截/修改主機流量，與匿名通信網絡設備共同防止網絡中的流量嗅探；第二，采用 WFP 標記驅動作為攔截/修改流量的內核，防止本地流量嗅探。
摘要
目前許多企業(yè)網絡面臨著流量嗅探的安全威脅。不法分子通過技術手段，攔截、分析網絡中的流量。為了防止惡意流量嗅探，可以使用匿名通信技術，將流量中的 MAC 地址、IP 地址、TCP/UDP 端口號進行偽造。匿名通信系統要求在主機上部署匿名通信客戶端，用于實現匿名通信協議，同時防止本地惡意軟件進行原始流量嗅探。
本課題基于 U-TRI 匿名通信系統，設計一個 Windows 匿名通信客戶端。該客戶端在匿名通信系統中扮演了重要角色，實現了兩個重要功能：第一，實現匿名通信協議，攔截/修改主機流量，與匿名通信網絡設備共同防止網絡中的流量嗅探；第二，采用 WFP 標記驅動作為攔截/修改流量的內核，防止本地流量嗅探。該客戶端包括三個部分：用于處理核心攔截/修改業(yè)務邏輯的匿名通信驅動程序、用于配合驅動程序工作的打開網卡混雜模式工具和為簡化軟件部署/移除流程而設計的客戶端安裝/卸載工具。經系統測試，該客戶端通過了功能測試，并達到性能基本要求。
本文首先介紹了選題的背景、意義和相關技術；其次分析了系統需求，并根據需求對 Windows 匿名通信客戶端進行設計與實現；再次對客戶端進行功能測試和性能測試；最后總結了本課題的工作，并提出了存在的問題和對進一步完善的展望。
關鍵詞?匿名通信 反嗅探 網絡驅動
1 引言
1.1 選題背景和意義
1.1.1 選題背景
流量嗅探問題是企業(yè)網絡面臨的重要安全威脅之一。不法分子利用流量嗅探技術，劫持網絡中的流量，再通過流量分析的方法，從被劫持流量中提取敏感數據，從而達到竊取敏感數據的目的。
從技術上來說，目前企業(yè)面臨的網絡嗅探問題，主要有兩個方面：在網絡設備上的流量嗅探和在主機本地的流量嗅探。網絡設備上的流量嗅探指的是：不法分子利用漏洞等途徑，入侵在企業(yè)網絡中運行的網絡設備（例如交換機、路由器等），對網絡設備進行流量劫持，從而達到竊取敏感信息、注入惡意數據等目的。由于網絡環(huán)境復雜、網絡設備數量繁多，在網絡設備上完全避免流量劫持是一個非常困難的事情。主機本地的流量嗅探指的是：不法分子利用植入木馬、惡意軟件等途徑，入侵接入企業(yè)網絡的終端設備，對終端設備進行本地流量劫持，從而實現流量嗅探的目的。相對于復雜繁多的網絡設備，接入網絡的終端更加難以集中管理、保護；所以，避免主機遭受本地流量嗅探勢在必行。
1.1.2 選題意義
為了減少流量嗅探給企業(yè)帶來的損失，Yulong Wang 等人設計了 U-TRI 匿名通信系統，防范不法分子進行惡意嗅探，從而提升企業(yè)網絡的安全性。[1]?該系統利用 SDN 技術，為交換機重新設計一套特殊的數據包轉發(fā)規(guī)則。終端設備根據這套特殊的規(guī)則，偽造發(fā)包的 MAC 地址、IP 地址、TCP/UDP 端口號，并將收包的 MAC 地址、IP 地址、TCP/UDP 端口號還原成真實的地址、端口號；網絡設備也基于同樣的規(guī)則，根據數據幀的 MAC 地址進行轉發(fā)，確保能把數據幀正確發(fā)送到目的主機上。這套轉發(fā)規(guī)則，通過主機的 MAC 地址、IP 地址、TCP/UDP 端口號的轉換，隱藏了通信端點的信息，防止不法分子直接從流量中提取；通過定時更新轉換規(guī)則，增加不法分子利用流量統計方法還原通信端點信息的難度?；谶@套轉發(fā)規(guī)則，U-TRI 匿名通信系統隱藏了網絡中通信的主機信息，避免不法分子從網絡流量中竊取敏感數據。
U-TRI 匿名通信系統包含兩個部分：網絡設備程序和主機客戶端。網絡設備程序安裝在企業(yè)網絡中的交換機上，根據 U-TRI 系統定時隨機生成的規(guī)則進行數據包轉發(fā)。而主機客戶端則扮演了更重要的角色：一方面，通過攔截/修改主機上的原始流量，根據轉發(fā)規(guī)則，對原始流量的 MAC 地址、IP 地址、TCP/UDP 端口號進行轉換；另一方面，利用網絡安全技術，阻止惡意軟件進行本地流量劫持。所以，在整個匿名通信過程中，主機客戶端的設計與實現至關重要。
Windows 操作系統是微軟公司最早在 1985 年推出的圖形界面 PC 操作系統，最新版本為 Windows 10。目前，Windows 操作系統有著大量的企業(yè)、個人用戶，已成為了主流的 PC 操作系統。（截至 2018 年 4 月，Windows 的市場占有率已達到了 88%）[2]?所以，在安裝了 Windows 操作系統的主機上設計與實現匿名通信客戶端，具有較大的商業(yè)價值。
1.2 課題任務
針對企業(yè)面臨的流量嗅探問題，本課題基于 U-TRI 匿名通信系統，設計匿名通信 Windows 客戶端。匿名通信 Windows 客戶端主要從兩方面防范流量嗅探：一方面，在部署了匿名通信系統的企業(yè)網絡中，接入網絡的主機上部署匿名通信客戶端，實現原始流量的 MAC 地址、IP 地址、TCP/UDP 端口號轉換，防止網絡上的惡意流量嗅探，從而提高企業(yè)網絡的安全性；另一方面，針對 Windows 操作系統平臺下的本地流量嗅探工具，以及 Windows 操作系統網絡架構，設計匿名通信客戶端，防止主機上惡意軟件對網卡流量的嗅探，進一步確保網絡的安全性。
本課題設計的客戶端將實現以下功能：
攔截/修改網絡通信流量，實現匿名通信協議：修改原始流量中發(fā)送數據包的 MAC 地址、IP 地址、TCP/UDP 端口號，偽造為用于網絡設備轉發(fā)的 MAC 地址、IP 地址、TCP/UDP 端口號；修改接收數據包的 MAC 地址、IP 地址、TCP/UDP 端口號，還原為對端主機發(fā)送修改前的 MAC 地址、IP 地址、TCP/UDP 端口號，并傳給上層應用程序。并使得上述過程對上層應用程序透明，即兩個通信端點主機上的上層應用程序利用原始的 MAC 地址、IP 地址、TCP/UDP 端口號通信。當安裝了客戶端的 Windows 主機接入匿名通信網絡時，可以正常通信；沒有安裝客戶端的主機接入匿名通信網絡后，由于沒有進行 MAC 地址、IP 地址、TCP/UDP 端口號轉換，發(fā)出的數據包不能被網絡設備識別，無法與網絡中的其他主機通信。
防止流量嗅探工具監(jiān)聽原始流量：針對 Windows 平臺下主流的流量嗅探工具，調研他們的工作原理，設計一個能防止流量嗅探工具對網卡原始流量嗅探的技術方案。
在企業(yè)網絡中，部署了匿名通信軟件的網絡設備和部署了匿名通信客戶端的主機，協同工作，構成完整的匿名通信系統。
1.3 論文章節(jié)安排
本文分為七章：第一章是引言，主要介紹了本課題的選題背景、選題意義，并詳細描述了課題的任務和要求。第二章是相關技術介紹，首先介紹了 Windows 網絡驅動架構和 Windows TCP/IP 協議棧實現，其次分別重點介紹了 WFP 和 NDIS 技術，最后分析了 Windows 主流的流量嗅探工具的實現原理。第三章是系統需求分析，主要分析了 Windows 匿名通信客戶端的四大需求，包括匿名通信需求、反流量嗅探需求、非功能性需求和性能需求。第四章是系統總體設計，首先結合了相關技術和需求分析進行技術選型，然后針對初步選擇的技術方向設計系統架構。第五章是系統詳細設計，主要針對系統總體設計中提到的三個核心部分進行詳細設計與實現，包括匿名通信驅動程序設計與實現、打開網卡混雜模式工具設計與實現和客戶端安裝/卸載工具設計與實現。第六章是系統測試，首先描述了系統測試的方法和測試環(huán)境，再分別描述系統的功能測試和性能測試。第七章是結束語，首先總結了針對本課題開展的相關工作，其次提出現階段仍然存在的問題，最后針對這些問題提出進一步完善的方案。
