基於tcp有效載荷的雙向可靠隱蔽信道的製作方法
2023-05-17 21:26:46
基於tcp有效載荷的雙向可靠隱蔽信道的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於TCP有效載荷的隱秘信息編碼發送方法和相應的隱秘信息接收解碼方法，在發送方，所述編碼器根據預先協商的編碼表，對隱秘信息進行編碼；然後發送至接收方；在接受方，接收方監聽捕獲到既定埠的數據包後，所述解碼器對既定埠監聽捕獲的數據包，進行TCP有效載荷提取，根據編碼表解碼得到隱秘信息。該方法基於TCP設計的，TCP的可靠性保證了隱蔽信道通信的質量和安全；實用性強，可以很好應用到實際的通信過程中，可以均衡調節有效長度的編碼與非編碼比例，實現本發明隱信道抗檢測性能的可控性。
【專利說明】基於TCP有效載荷的雙向可靠隱蔽信道
【技術領域】
[0001]本發明屬於信息安全【技術領域】，具體涉及一種基於TCP有效載荷構建可靠雙向隱蔽信道的方法。
【背景技術】
[0002]信息隱藏技術是利用載體信息的冗餘性，將隱蔽信息嵌入到普通信息之中，通過普通信息的發送將秘密信息發送出去。作為一種新的信息安全技術，信息隱藏近年來得到了迅速的發展，並廣泛應用於數字信息的版權保護、認證、機密信息的隱蔽傳輸等領域。
[0003]傳統的信息隱藏大多以文本、音頻、圖像作為載體，近年來，基於網絡協議的信息隱藏逐漸成為熱點。與傳統載體相比，以協議為載體的信息隱藏技術具有以下優勢:1.海量的網絡協議數據包在遍及人們生活的網絡中傳輸，豐富的載體既為保密通信提供了寬闊的帶寬，也為保密通信提供了良好的掩護。2.使用網絡協議傳輸秘密信息可有動態、雙向特性。3.TCP/IP協議的各種報文結構通常具有固定格式，這種固定格式在給網際互連帶來方便的同時，也不可避免地引入了冗餘。這為構建隱蔽信道，進行隱藏通信提供了可能。
[0004]基於TCP/IP協議的網絡隱信道根據構建方式不同，主要分為存儲型隱信道和時序型隱信道兩大類。可作簡要概述:1.存儲型隱信道，該類型隱信道主要是利用協議頭部的冗餘欄位隱藏信息，如以Rowland為代表提出了基於TCP/IP頭部域的多種隱信道算法(Covert channels in the TCP/IP protocol suite, 1996)。2.時序型隱信道，該類型隱信道主要是利用數據包的時序特徵或順序(調製數據包的時間間隔、數據包在網絡中的發送時間或數據包的順序等)，嵌入隱藏信息。還有一種特殊隱信道，基於長度的隱信道，該類隱信道是通過對數據包的長度進行編碼，不同的數據長度代表不同的編碼來傳遞隱藏信息。基於TCP/IP的隱信道設計取得了相當的成果。
[0005]然而，由於隱信道對傳輸秘密信息的質量要求變得越來越高，隱信道傳輸的高可靠性和Qos逐漸成為隱信道研究設計的熱門話題。TCP協議作為面向連接的、可靠的傳輸層協議，可以通過確認和超時重傳，流量控制等手段保證傳輸的可靠性，使其具有先天的優勢。附圖1為TCP數據報首部格式，圖2所示為TCP數據包的封裝及有效載荷、序列號Seq和確認序列號Ack的位置。
[0006]序列號Seq:32bit,在每條TCP通信連接上傳送的每個數據字節都有一個與之相對應的序列號，這是TCP協議實體的重要概念之一。以字節為單位遞增的TCP序號主要用於數據排序、重複檢測、差錯處理及流量控制窗口等TCP協議機制上，保證了傳輸任何數據字節都是可靠的。根據RFC793規定和通常使用，Seq具有以下特點:在單條通信鏈路上的數據包序列號是逐漸增加的，但是增加幅度不等，沒有一個固定的函數可以描述其變化幅度，但是在單次通信中是遞增的。
[0007]有效載荷:通過前後兩個數據包的Seq和Ack序列號來計算獲取。MSS(MaximumSegment Size)，最大分段大小。在實際通信中，為儘量避免IP分片，TCP首先基於MSS對過長的TCP報文進行分段。一般乙太網的MTU=1500位元組，則MSS=1500-20 (IP首部)-20 (TCP首部)=1460位元組。這是MSS的最大取值，也是TCP數據包有效載荷的最大取值。
[0008]因此，以TCP序列號的變動規律為基礎，通過人為控制TCP Sequence Number的增加幅度，即數據包的有效負載數據大小，通過對數據包負載的大小長度進行編碼，不同的長度代表不同的編碼來傳遞隱藏信息。這是根據存儲型隱信道和長度調製型隱信道來綜合設計的隱蔽信道通信方法。
[0009]綜上所述，從隱信道的可靠性角度考慮，TCP由於其自身的面向可靠的連接特點，為可靠的隱蔽通信提供了保證。從隱信道的實用性考慮，設計以TCP為載體的雙向隱蔽信道，對隱信道有很好的實用價值。
【發明內容】
[0010]本發明的目的在於提供一種採用TCP有效載荷構建雙向隱蔽信道的方法，在獲得與普通隱信道相當的傳輸速率前提下，實現發送方與接收方的雙向通信，使隱蔽通信具有更好的可靠性和實用性。
[0011]為了解決現有技術中的這些問題，本發明提供的技術方案是:
[0012]—種基於TCP有效載荷的隱秘信息編碼發送方法,所述方法中接收方與發送方共享編碼表信息，所述編碼表是通過對TCP傳輸的有效載荷長度進行統計，篩選出L個有效載荷長度按次序進行編碼後制定；其中將L個有效載荷長度分別編碼轉換為長度為m的二進位序列，其中L=2m ;其中包括雙方協商確定的標誌傳輸完成時的有效載荷長度和傳輸方向反向的有效載荷長度；其特徵在於所述方法包括以下步驟:
[0013](I)發送方對隱藏信息進行ASCII編碼形成隱藏信息的二進位序列，按順序提取隱藏信息的二進位序列中長度為m的比特片段，根據編碼表將長度為m的比特片段轉換成TCP數據包對應的有效載荷長度序列；
[0014](2)發送方生成數據包，寫入IP位址、埠，再根據編碼表中有效載荷長度序列對應的有效載荷長度，在TCP數據域進行添加等量的載荷payload，封包完成後等待發送；
[0015](3)發送方以每N個數據包為一組進行發送，通過發送方的ACK接收器接收相應的ACK數據包，直到發送方收到這N個數據包的ACKs後才進行傳輸下一組N個數據包；如果最後一組數據包不滿N個，發送方將添加沒有隱秘信息的其他長度的TCP數據包補齊為N個數據包再發送；否則無需補齊操作。
[0016]優選的技術方案中:所述方法步驟(2)中發送方採用主動的隱信道構造方式，由發送者自己生成數據包，添加需要的源IP位址，源埠，目的IP位址，目的埠以及其他參數，最後根據編碼對應的有效載荷長度添加進等量的內容部分，打包完成數據包，等待發送出去。
[0017]優選的技術方案中:所述方法步驟(3)中，發送方根據ACK數據包採集器收到的ACK判斷接收方是否收到發送方發出的數據包，直到發送方收到一組N個數據包的全部相應ACKs後，才會進行下一組數據包發送；而一旦在規定的時間內發現未能接收成功，發送方會依賴TCP超時重傳機制來重傳數據包，即部分重傳未回復的數據包。
[0018]優選的技術方案中:所述方法中發送方與接收方在數據傳輸之前還協商確定標誌著通信結束的有效載荷長度和傳輸方向反向的有效載荷長度；如果發送方發送的數據包的有效載荷長度標誌著通信結束，則通信連接斷開，通信結束；如果發送方發送的有效載荷長度標誌著傳輸方向反轉，則發送方發送的隱秘信息發送完成，發送方進入接收模式。
[0019]本發明的另一目的在於提供一種與編碼發送方法相配合的隱秘信息接收解碼方法，其中接收方與發送方共享編碼表信息；其特徵在於所述方法包括以下步驟:
[0020](I)接收方採用基於WinPcap的軟體監聽指定的目的埠，捕獲數據包；
[0021](2)接收方對捕獲的TCP數據包根據IP標識ID排序，然後進行校驗，如果正確，發送ACK數據包到發送方響應該數據包，如果發生錯誤或出現丟包，則不予回應；只有當接收方收到全部N個TCP包後，才將N個數據包遞交到步驟(3)作解碼處理；
[0022](3)接收方對已確認接收的N個數據包計算其有效載荷長度，然後根據編碼表，對有效載荷長度進行解碼，得到隱秘信息的二進位序列。
[0023]優選的技術方案中:所述方法步驟(3)中如果解碼後的有效載荷長度標誌著通信結束，則接收方終止通信連接，通信結束；如果解碼後的有效載荷長度標誌著傳輸方向反轉，則接收方進入發送模式，準備向發送方發送。
[0024]本發明技術方案提供了一種基於TCP有效載荷的信息隱藏傳輸系統,發送方控制主機和接收方控制主機同時設置有TCP編碼器和TCP解碼器。在發送方，所述編碼器根據預先協商的編碼表，對隱秘信息進行編碼；然後發送至接收方；發送完成後，如果發送代表傳輸完成的既定有效載荷的報文，則表不傳輸完成；如果發送代表傳輸反向的既定有效載荷的報文，然後進入監聽接收模式。發送方進入監聽接收模式後，可以通過調用TCP解碼器對接收到的數據包進行解碼。在接受方，接收方監聽捕獲到既定埠的數據包後，所述解碼器對既定埠監聽捕獲的數據包，進行TCP有效載荷提取，根據編碼表解碼得到隱秘信息。待收到標誌著「傳輸完成」有效載荷的報文，則表示接收完成；如果接收到代表傳輸反向的既定有效載荷的報文，則進入發送模式。接收方進入發送模式後，可以調用編碼器對發送信息進行編碼後發送。發送端和接收端通過協商一致的有效載荷編碼表，實現信息隱藏傳輸和通信方向轉換。
[0025]本發明涉及通信與信息安全【技術領域】，特別涉及基於網絡協議的信息隱藏領域，更具體的是涉及利用TCP數據包的有效載荷編碼隱秘信息，構建隱蔽信道的方法。本發明的構建隱信道方法，發送方主機與接收方主機都包括TCP編碼器和TCP解碼器，發送方主機與接收方主機根據通信方向的不同可以進行實際通信中的「發送方」與「接收方」身份的轉換。實際通信過程中，通過報文載荷的長度標誌實現實際通信中的「發送方」與「接收方」身份的轉換，從而實現本發明雙向通信的隱秘信息傳輸，從而極大地提高了本發明隱信道的頭用性。
[0026]本發明的可靠性是基於TCP的可靠性的，通過TCP的超時重傳等機制保證隱信道的可靠傳輸。這裡具體闡述一下細節，發送方採用N個數據包為一輪進行發送，根據收到的回覆數據包信息確定接收方是否已經接收到全部N個TCP數據包；一旦在規定的時間內發現未能接收成功，發送方會依賴TCP超時重傳機制來重傳數據包，即部分重傳未回復的數據包；發送方必須等到收到這N個數據包ACKs後才能傳輸下一組N個數據包。與此同時，接收方對校驗正確的數據包發送ACK回應發送方，然後將數據包進行解碼處理。
[0027]本發明的抗檢測性是基於對隱信道特點和實際網絡中TCP通信流有效載荷的特點設計的。通過對編碼表控制調節，根據調研實際TCP數據包有效載荷分布，空出未嵌入隱秘信息的載荷長度。進行隱秘信息傳輸時，在數據流中加入未嵌入隱秘信息的其他長度的數據包，降低嵌入率，混合傳輸，可以極大地提升本發明的抗檢測性。
[0028]本發明隱信道的同步問題是設計好壞的保證。如果雙方通信過程中不能很好地解決同步問題，則會造成解碼方出現錯誤的解碼，而較多的錯誤解碼就會導致隱信道通信過程失去意義。在本發明中，同步問題的解決簡單而且有效，即若且唯若接收方在收到指定數量的數據包後才開始解碼，這種方法保證了通信雙方通信過程的一致性。這種「發送-確認」機制使得本發明隱信道在較差的網絡環境仍然能夠完全正確的解碼。
[0029]本發明的具體實現和設計是基於套接字編程的，並且由於隱信道是基於TCP設計，採用的是流式套接字(S0CK_STREAM)實現的。本發明中ACK數據包採集器，編碼器、解碼器、發送器、接收器都是基於一個重要的網絡訪問系統WinPcap實現的。WinPcap是Windows平臺下用於捕獲網絡數據包和進行網絡結構分析的結構體系。WinPcap包含了一個內核級的數據包過濾器、一個底層的動態連結庫(packet, dll)和一個依賴於作業系統的庫(wpcap.dll)。WinPcap給我們提供了基本功能(比如原始數據包捕獲和發送)和一些高級功能(比如可編程的過濾系統與一個監聽引擎)，前者能夠用來獲取過濾後的數據包，後者提供了一個強大的統計數據流信息的方法。基於WinPcap目的在於為Win32應用程式提供訪問網絡底層的能力。同樣，在Linux平臺上，也可以Libpcap開發，完成相同的軟體程序實現本發明的要求。
[0030]相對於現有技術中的方案，本發明的優點是:
[0031](I)本發明與已有技術相比，本發明的技術方案實用性強，可以很好應用到實際的通信過程中；
[0032](2)本發明是基於TCP設計的，TCP的可靠性保證了隱蔽信道通信的質量和安全；
[0033](3)本發明通過控制編碼表的設計，可以根據實際對速率和抗檢測性的需求，均衡調節有效長度的編碼與非編碼比例，實現本發明隱信道抗檢測性能的可控性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述:
[0035]圖1為TCP數據報首部格式；
[0036]圖2為TCP數據包的封裝順序及有效載荷位置；
[0037]圖3為Socket設計中發送方與接收方的通信交互流程圖；
[0038]圖4為本發明搭建的實驗環境；
[0039]圖5為發送方Alice的編碼、發送和轉入接收模式的工作流程圖；
[0040]圖6為接收方Bob的接收、解碼和轉入發送模式的工作流程圖；
【具體實施方式】
[0041]以下結合具體實施例對上述方案做進一步說明。應理解，這些實施例是用於說明本發明而不限於限制本發明的範圍。實施例中採用的實施條件可以根據具體廠家的條件做進一步調整，未註明的實施條件通常為常規實驗中的條件。
[0042]實施例
[0043]附圖3為實際設計中發送方與接收方的通信交互流程圖。具體是基於套接字編程實現的，而且由於隱信道是基於TCP設計的，採用流式套接字(S0CK_STREAM)實現發送方與接收方軟體程序。發送方與接收方採用的是主動請求的方式，首先接收方創建流式套接字，並將套接字綁定到一個本地地址和埠上，然後將本地套接字設為監聽模式，準備接受發送方的連接請求。發送方創建本地套接字後向接收方發出連接請求。接收方接收連接請求，並返回一個新的對應此次連接的套接字。接收方和發送方通過這個新的套接字進行通信，在本次通信結束後，雙方按照TCP四次揮手過程斷開連接，關閉套接字。
[0044]附圖4為本發明中搭建的實驗環境。實驗環境由兩臺主機和一臺網關伺服器組成，PCl (即Alice)和PC2 (即Bob)運行WindowS7作業系統，網管在網關伺服器上監視流經網關的數據包。
[0045]下面結合附圖，對本發明的具體內容作進一步的詳細介紹，具體實施過程如下:
[0046]附圖5所示為發送方Alice的編碼發送和轉入接收模式的工作流程圖。發送方模塊，包括了編碼、發送、ACK採集和轉入接收模式四個階段。其具體實現包括以下步驟:
[0047](I)發送方Alice和接收方Bob首先對有效載荷長度進行統計和篩選，選擇L (其中L=2m)個載荷長度進行編碼，轉換為對應的m個二進位序列，同時對標誌著傳輸完成的有效載荷長度F達成協商一致；
[0048](2) Alice將隱藏信息轉換為ASCII碼，然後根據編碼表，將二進位序列的隱藏信息進行分片，分解為大小為m的比特片段，然後編碼轉換到形式為有效載荷長度的序列；
[0049](3)Alice生成數據包，寫入IP位址、埠等，再根據(2)編碼後的有效載荷長度，在TCP數據域進行添加等量的發送內容，打包完成後等待發送。
[0050](4)Alice以每N個數據包為一組進行發送，通過ACK採集器接收相應的ACK數據包,直到Alice收到這N個數據包的ACKs後才能傳輸下一組N個數據包；如果最後一組數據包不滿N個，發送沒有隱秘信息的其他長度的TCP數據包補齊為N個數據包再發送。
[0051](5)Alice完成己方的數據發送後，轉入接收模式，監聽埠開始接收數據包，進行接收解碼操作。
[0052]附圖6所示為接收方Bob的接收解碼和轉入發送模式的工作流程圖。接收方模塊，包括了監聽接收、校驗回應、解碼和轉入發送模式四個階段。其具體實現包括以下步驟:
[0053](I)接收方Bob與發送方Alice共享編碼表信息。Bob採用抓包軟體監聽指定的目的埠，捕獲數據包；
[0054](2)Bob對捕獲的TCP數據包根據IP標識ID排序，然後進行校驗，如果正確，發送ACK到Alice方響應該數據包，如果發生錯誤或出現丟包，則不予回應；只有當Bob收到全部N個TCP包後，才將N個數據包遞交到步驟(3 )作解碼處理；
[0055](3) Bob對已確認接收的N個數據包計算其有效載荷長度，然後根據編碼表，進行解碼，得到隱秘信息的二進位序列；如果解碼後的長度標誌著此次傳輸完成，則標誌著Alice端傳輸完成；
[0056](4)接收方Bob進入發送模式，對欲發送的隱秘信息分片，編碼，發送到Alice。
[0057]本發明目的是設計一種可靠的基於TCP的雙向隱蔽信道。通過傳送報文中的長度標誌實現通信中「發送方」與「接收方」身份的轉換，從而保證隱蔽信道的雙向信息傳輸。通過發送方與接收方對一組N個數據包的「發送-確認」機制解決同步問題。通過對N個數據包的IP ID排序和TCP重傳機制來確保隱蔽信道上數據傳輸的正確有序。通過調節本發明隱信道速率和抗檢測性的需求尺度來保證隱秘信息的安全隱蔽傳輸。該隱藏方法總體過程可以分為四個階段。第一階段為隱秘信息預處理及編碼嵌入階段，第二階段為隱秘信息接收解碼階段，第三階段為通信反向階段，第四階段為通信持續階段。
[0058]下面在一般的網絡環境下，我們以一個具體的實施例來解釋該方法的工作過程。在該實例中，我們需要用本發明的方法傳送一個大小為IKB的文本文件，由Alice向Bob發送1KB，再由Bob向Alice發送IKB的文件。
[0059]表1有效載荷長度編碼結果示例
[0060]
【權利要求】
1.一種基於TCP有效載荷的隱秘信息編碼發送方法，所述方法中接收方與發送方共享編碼表信息，所述編碼表是通過對TCP傳輸的有效載荷長度進行統計，選擇L個有效載荷長度按次序進行編碼後確定；其中將L個有效載荷長度分別編碼轉換為長度為m的二進位序列，其中L=2m ;其特徵在於所述方法包括以下步驟: (O發送方對隱藏信息進行ASCII編碼形成隱藏信息的二進位序列，按順序提取隱藏信息的二進位序列中長度為m的比特片段，根據編碼表將長度為m的比特片段轉換成TCP數據包對應的有效載荷長度序列； (2)發送方生成數據包，寫入IP位址、埠，再根據編碼表中有效載荷長度序列對應的有效載荷長度，在TCP數據域進行添加等量的載荷，封包完成後等待發送； (3)發送方以每N個數據包為一組進行發送，通過發送方的ACK接收器接收相應的ACK數據包，直到發送方收到這N個數據包的ACKs後才進行傳輸下一組N個數據包；如果最後一組數據包不滿N個，發送方將沒有隱秘信息的其他長度的TCP數據包補齊為N個數據包再發送；否則無需補齊操作。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述方法步驟(2)中發送方採用主動的隱信道構造方式，由發送者自己生成數據包，添加需要的源IP位址，源埠，目的IP位址，目的埠以及其他參數，最後根據編碼對應的有效載荷長度添加進等量的內容部分，打包完成數據包，等待發送出去。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述方法步驟(3)中，發送方根據ACK數據包採集器收到的ACK判斷接收方是否收到發送方發出的數據包，直到發送方收到一組N個數據包的全部相應ACKs後，才會進行下一組數據包發送；而一旦在規定的時間內發現未能接收成功，發送方會依賴TCP超時重傳機制來重傳數據包，即部分重傳未回復的數據包。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述方法中發送方與接收方在數據傳輸之前還協商確定通信結束的有效載荷長度和傳輸方向反向的有效載荷長度；如果發送方發送的數據包的有效載荷長度標誌著通信結束，則通信連接斷開，通信結束；如果發送方發送的有效載荷長度標誌著傳輸方向反轉，則發送方發送的隱秘信息發送完成，發送方進入接收模式。
5.—種與權利要求1?4任意一項相配合的隱秘信息接收解碼方法,其中接收方與發送方共享編碼表信息；其特徵在於所述方法包括以下步驟: (1)接收方採用基於WinPcap的軟體監聽指定的目的埠，捕獲數據包； (2)接收方對捕獲的TCP數據包根據IP標識ID排序，然後進行校驗，如果正確，發送ACK數據包到發送方響應該數據包，如果發生錯誤或出現丟包，則不予回應；只有當接收方收到全部N個TCP包後，才將N個數據包遞交到步驟(3)作解碼處理； (3)接收方對已確認接收的N個數據包計算其有效載荷長度，然後根據編碼表，對有效載荷長度進行解碼，得到隱秘信息的二進位序列。
6.根據權利要求5所述的隱秘信息提取方法，其特徵在於所述方法步驟(3)中如果解碼後的有效載荷長度標誌著通信結束，則接收方終止通信連接，通信結束；如果解碼後的有效載荷長度標誌著傳輸方向反轉，則接收方進入發送模式，準備向發送方發送。
【文檔編號】H04L29/06GK103841118SQ201410112380
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年3月25日 優先權日:2014年3月25日
【發明者】黃劉生, 沈瑤, 陸瀟榕, 楊威, 繆海波 申請人:中國科學技術大學蘇州研究院