Net Lab

This page is read only. You can view the source, but not change it. Ask your administrator if you think this is wrong.
====== Torrent/uTP — о протоколе и самодельных DPI ======
{{software:article:utorrent_logo.png|}}

В 2009 году появился [[http://en.wikipedia.org/wiki/Micro_Transport_Protocol|Micro Transport Protocol]], сокращённо - uTP, можно ознакомится [[http://habrahabr.ru/post/68332/|тут]].\\
Суть задумки в том, чтобы не полагаться на [[http://en.wikipedia.org/wiki/TCP_congestion-avoidance_algorithm|TCP Congestion Control]], которым под windows управлять весьма проблематично, а самим управлять загрузкой канала.\\
Другая причина это возможность приёма входящего соединения через NAT.\\
[[http://habrahabr.ru/post/85443/|uTP выявил много узких мест]] как у [[http://forum.nag.ru/forum/index.php?showtopic=55025|провайдеров]] так и у пользователей: ещё вчера прекрасно работавшие роутеры превратились в тыкву.\\
А некоторые пользователи обнаружили что торренты качаются на все 100 мегабит, не зависимо от тарифа.\\

Вот какой бред написан в [[https://ru.wikipedia.org/wiki/ΜTorrent|русской википедии]] про uTP:\\
"Также провайдерам намного сложнее блокировать передачу данных через μTP благодаря отсутствию строгих, формализованных отличий UDP пакетов обычного трафика (формируемого, к примеру, сетевыми играми) от трафика, формируемого протоколом μTP, в отличие от TCP пакетов, по содержанию полей которых можно делать вывод об их принадлежности к p2p-трафику."\\
[[http://en.wikipedia.org/wiki/Micro_Transport_Protocol|Вики на английском]] более адекватна.\\

===== Жизнь с uTP =====
В адрес авторов uTP звучала масса упрёков в изобретении TCP с нуля и хождении по всем граблям, в том что они не взяли уже готовые протоколы, и в том что теперь придётся обновляться и расширятся.\\
С точки зрения разработчиков - выбора особо не было: TCP все провайдеры шейпят, для управления всеми аспектами работы tcp протокола в винде нужны права администратора и скорее всего свой драйвер, многие другие протоколы которые ходят поверх IP (tcp/udp/gre/udplite/...) вообще провайдерами фильтруются и в винде их так просто не реализовать.\\
Через NAT нормально ходят только TCP и UDP.\\
Потому просто взяли и сделали поверх UDP.\\

Это решение подкосило многие домашние мыльницы и некоторых провайдеров: количество трансляций в NAT роутеров стало очень быстро расти.\\
Для TCP - NAT знает когда соединение установлено и когда оно завершено, а для UDP понятие соединений отсутствует в принципе, поэтому обычно применяются таймеры для удаления старых сессий.\\

Другим побочным эффектом явилось то, что uTorrent запрашивал больше трафика чем позволял тарифный план провайдера, и от этого страдали даже те провайдеры у которых шейпер был настроен правильно: на хомячка из интернета прилетало ощутимо больше его тарифного плана и этот излишек дропался шейпером. Провайдеры несли финансовые потери от такого DDoS хомяка на самого себя.\\
Авторы uTorrent позже научились правильно подстраиваться под канал, но их эксперименты стоили нервов и денег.\\

Ещё одним неприятным моментом в экспериментах с uTP на начальных этапах было то, что он генерировал большую пакетную нагрузку, [[http://torrentblog.ru/protokol-utp-ne-sderzhal-svoix-obeshhanij/|отправляя множество мелких UDP пакетов]]. Позднее авторы научились заполнять пакеты с данными целиком.\\
Повышение пакетрейта губительно сказывается на WiFi и прочих радиолинках.\\

В целом, протокол оказал ощутимое влияние как на провайдеров так и на производителей железа, я бы даже сказал что он подготовил почву для HD в ютубе.\\


===== Протокол uTP =====
[[http://www.bittorrent.org/beps/bep_0029.html|Документация на английском]]\\


==== Версия 0 ====
Начиная с uTorrent 1.8
<code>typedef struct utp_pkt_s { 		/* offset - PacketFormat */
	uint32_t	connid;		/* 00 connection ID */
	uint32_t	tv_sec;		/* 04  */
	uint32_t	tv_usec;	/* 08  */
	uint32_t	reply_micro;	/* 12  */
	uint8_t		windowsize;	/* 16 receive window size in PACKET_SIZE chunks */
	uint8_t		ext;		/* 17 Type of the first extension header */
	uint8_t		flags;		/* 18 Flags */
	uint16_t	seq_nr;		/* 19 Sequence number */
	uint16_t	ack_nr;		/* 21 Acknowledgment number */
					/* 23 ext/data */
} utp_pkt_t, *utp_pkt_p; /* 23 bytes */</code>


==== Версия 1 ====
Начиная с uTorrent 2.0
<code>typedef struct utp_pkt_v1_s { 		/* offset - PacketFormatV1 */
	uint8_t		version:4;	/* 00 protocol version */
	uint8_t		type:4;		/* 00 type (formerly flags) */
	uint8_t		ext;		/* 01 Type of the first extension header */
	uint16_t	connid;		/* 02 connection ID */
	uint32_t	tv_usec;	/* 04  */
	uint32_t	reply_micro;	/* 08  */
	uint32_t	windowsize;	/* 12 receive window size in bytes */
	uint16_t	seq_nr;		/* 16 Sequence number */
	uint16_t	ack_nr;		/* 18 Acknowledgment number */
					/* 20 ext/data */
} utp_pkt_v1_t, *utp_pkt_v1_p; /* 20 bytes */</code>


==== Типы пакетов ====
<code>enum {
	ST_DATA		= 0,	/* Data packet. */
	ST_FIN		= 1,	/* Finalize the connection. This is the last packet. */
	ST_STATE	= 2,	/* State packet. Used to transmit an ACK with no data. */
	ST_RESET	= 3,	/* Terminate connection forcefully. */
	ST_SYN		= 4,	/* Connect SYN. */
	ST_NUM_STATES		/* Used for bounds checking. */
};</code>

**flags** из версии 0 превратился в type в версии 1, типы пакетов перечислены выше.\\
Сначала отправляется SYN на него приходит ответ STATE или RESET.\\
Завершается соединение на FIN или RESET.\\
DATA и STATE используются при передаче данных.\\

**connid** - идентификатор соединения. В TCP его роль выполняет номер порта (вернее их пара). Номер соединения у двух хостов всегда различается на единицу.\\

Вообще довольно запутанная и странная схема установления соединения:\\
 > SYN: connid=34 - запрос на установление соединения\\
 < STATE: connid=34 - подтверждение\\
 > DATA: connid=35 - передача данных\\
 < STATE: connid=34 - подтверждение передачи данных\\
Те инициатор соединения задаёт номер соединения в первом пакете а в дальнейшем использует номер на единицу больше.\\

**seq_nr** и **ack_nr** - используется чтобы ориентироваться в потоке в случае потери или реордеринга (когда первый отправленный пакет приходит после второго).\\

Остальные поля меня интересовали мало, хотя для **ext** опций валидацию написал.\\

**ext** - если есть дополнительные расширения/данные в пакете после заголовка, аналог IP otions.\\

**tv_usec**, **reply_micro**, **windowsize** - относятся к информации необходимой для управления скоростью передачи.\\


==== Шифрование ====
Шифрования нет. Совсем.\\
Не потому что описание не полное а потому что оно реализовано несколькими уровнями выше и uTP никак не касается.\\
uTP заголовки никак не шифруются.\\


===== Фильтрация / распознавание uTP =====
=== Заход 1: uTPControl ===
Из спортивного интереса я решил попробовать написать нечто что сможет аккуратно выключать uTP у юзеров чей трафик проходит через роутер с моей программой.\\
В начале я пробовал слать RESET с виндовой машины, перебирая connid, но это явно не работало, не совпадали адреса отправителя пакета и seq_nr, ack_nr. Это был первый неудачный опыт.\\

[[software:freebsd:utp_ctrl_daemon|uTPControl - block uTP torrent proto]] - была первая более менее программа которую я написал под FreeBSD.\\
uTP протокол был любезно предоставлен в [[https://github.com/bittorrent/libutp|libuTP]] всему интернету :)\\

Работало uTPControl чрезвычайно просто: программа создавала divert сокет и бесконечно читала из него пакеты в цикле. Если это был UDP пакет, в котором ВОЗМОЖНО uTP версии 0 или 1 и тип пакета не FIN и не RESET то генерируем UDP-uTP RESET пакет и отправляем обратно.\\
Те клиент пытался установить связь и сразу получал RESET - те его вроде как отключил тот к кому он подключался.\\

Минусов у этого решения было два:\\
1. Ложные срабатывания: иногда пакеты от некоторых онлайн игр были прямо как uTP и им улетал ответ, видимо у игр от этого срывало крышу и юзеры жаловались.\\

2. Низкая производительность: все пакеты из ядра копировались в юзерспейс и там в один поток обрабатывались.
В один поток на CoreDuo Е5300 под FreeBSD 7.3 выдавало до 100 тысяч пакетов RESET в секунду.\\
Один поток можно было обойти запустив несколько экземпляров и как то раскидав через ipfw пакеты между ними.\\

В виду этих фатальных недостатков интерес со стороны сообщества пропал и я её забросил.\\

Был человек который превратил это в netgraph ноду, но ложные срабатывания это не вылечило.\\


=== Заход 2: ng_utp ===
[[software:freebsd:ng_utp|FreeBSD uTP (udp torrent) netgraph node]]\\
Прошло полтора года, я успел покопаться в ядре FreeBSD и netgraph, лучше узнать как работает сеть и пришла мысль: uTP имеет состояния аналогичные TCP, значит чтобы его 100% определять нужно эти состояния отслеживать.\\
Заодно я ещё раз заглянул в [[https://github.com/bittorrent/libutp|libuTP]] и получше посмотрел за что можно зацепится.\\
За сигнатуры решил не цепляться, это плохой путь с массой ложных срабатываний и мучениями по их поддержанию - авторы уже несколько раз меняли начальные константы и сигнатуры "протухали" у тех кто их использовал.\\
Идеальный вариант это свой "клиент" с референсной реализацией uTP который будет выстраивать таблицу соединений на основе пролетающих через него пакетов и уже по данным этой таблицы что то можно делать.\\

В итоге получилась netgraph нода, которую можно подключать к L2 хукам типа ng_ether или L3 хукам, например ng_ipfw. В первом случае можно вообще сделать прозрачный эзернет мост из двух сетевух (не обязательно физических). Ещё можно просто поставить сервер и зеркалировать на него весь траф, но я сейчас не уверен в работоспособности такой схемы.\\

Результатов замеров производительности не сохранил.\\
Однако нода без проблем параллелится по ядрам, может выполнятся как контексте ISR так и потоками netgraph, взаимные блокировки потоков сведены к минимуму.\\

В случае L2: мультикаст и броадкаст пакеты пролетают сразу насквозь, тэгированный трафик обрабатывается как обычный. QinQ не делал, добавить не сложно.\\
Обрабатываются только IPv4 пакеты UDP, не адресованные и не отправленные с 127/8, не являющиеся броадкастом или мультикастом, и ещё немного проверок что это не мусор а то что нужно, включая опциональную проверку контрольной суммы IP и UDP.\\

Далее проверяется что содержимое UDP пакета похоже на uTP.\\
Если содержимое похоже то ищем в таблице состояний запись для данной пары хостов: src ip:port / dst ip:port, если не находим то меняем местами и ищем ещё раз. Не нашли и пакет не FIN или RESET - добавляем. (подозреваю что на линухе с conntrack было бы чуть проще, а тут пришлось самому писать)\\
Теперь есть элемент который хранит все uTP соединения между двумя хостами или то что похоже на них.
Ищем там connid, если не нашли то connid+-1, если опять нет - добавляем.\\

Теперь у нас есть куда писать данные по конкретному uTP соединению.\\
Пишем: время последнего обновления, время последней отправки запроса и получения ответа, считаем запросы и ответы, запоминаем какие типы пакетов встречались.\\
seq_nr и ack_nr можно было бы тоже запоминать и анализировать но и без них достаточно точно получается определять.\\
Старые записи удаляются автоматически.\\

Теперь мы точно знаем что хосты установили uTP соединения, знаем сколько каждый отправил пакетов и получил ответов, знаем их идентификаторы, можно действовать.\\

Действовать имеет смысл только для DATA и STATE пакетов.\\

Что можно сделать:
<ul><li>ничего, просто мониторинг: есть счётчики по хостам, соединениями, сами таблицы с хостами...</li>
<li>дропать пакеты с uTP: src ip:port + dst ip:port есть</li>
<li>помечать пакеты: на L2 в VLAN заголовке PCP для тегированных пакетов 802.1P</li>
<li>помечать пакеты: на L3 в IP  заголовке - ip_tos - DSCP</li>
<li>отправлять uTP - RST пакеты</li></ul>
Чтобы сгенерировать RST пакет все данные есть: src ip:port + dst ip:port, pkt_ver, connid, ack_nr, seq_nr.
Фактически у IP/UDP пакета заменяются данные, пересчитывается контрольная сумма и от отправляется дальше.\\

Сейчас это всё ещё может быть актуальным для различных беспроводных сетей и офисных сетей, остальные уже обновились и расширились.\\


===== Сигнатуры =====
Администраторы искали способ как быстро нормализовать работу сети и решили фильтровать uTP по сигнатурам пакетов, добавляя их то в ACL коммутаторов то в фаервол BSD/Linux роутера.\\
"Странность" ситуации в том, что сигнатуры искали анализируя пакеты.\\
Притом, что код [[https://github.com/bittorrent/libutp|libuTP]] был открыт 16 мая 2010 года - через 4 месяца после выхода uTorrent 2.0 где uTP был включён.\\

Спустя пару месяцев "живительные" сигнатуры путём нечеловеческих усилий по анализу пакетов были [[http://www.opennet.ru/tips/info/2304.shtml|получены]].\\
Ещё через некоторое время авторы uTP поменяли пару незначительных для протокола начальных значений в SYN пакете и что то [[http://www.linux.org.ru/forum/admin/6357142|рандомизировали]]: connid и seq_nr - больше не смогли.\\

После того как ng_utp был написан стало понятно что проверять корректность работы с помощью tcpdump без правильных сигнатур мягко говоря не удобно - слишком много лишнего приходилось пробегать глазами.\\
Я ещё раз пробежался по коду [[https://github.com/bittorrent/libutp|libuTP]] и получились такие сигнатуры, сейчас может быть они уже устарели.\\


==== Версия 0 ====
=== SYN ===
syn - 14 bytes:
<code>udp[17] = 2 and udp[18] = 4 and udp[21:2] = 0 and udp[23] = 0 and udp[24] = 8 and udp[25:4] = 0 and udp[29:4] = 0</code>
41 = udp hdr len (8) + upd pkt data len\\

upd header included:
<code>(udp[4:2] = 41 and udp[25:2] = 0x0204 and udp[29:4] = 0x00000008 and udp[33:4] = 0 and udp[37:4] = 0)</code>
- последнее это то что можно скармливать в tcpdump, отличается от первой смещениями и тем что константы объединены чтобы сравнений было меньше. Первая больше для самообразования.\\


=== RESET ===
rst - 4 bytes:
<code>udp[17] = 0 and udp[18] = 3</code>
upd header included:
<code>(udp[4:2] = 31 and udp[25:2] = 0x0003)</code>


==== Версия 1 ====
=== SYN ===
syn - 14 bytes:
<code>udp[0] & 0x0f = 1 and udp[0] & 0xf0 = 0x40 and udp[1] = 2 and udp[18:2] = 0 and udp[20] = 0 and udp[21] = 8 and udp[22:4] = 0 and udp[26:4] = 0</code>
"(udp[0] & 0x0f = 1 and udp[0] & 0xf0 = 0x40)" можно преобразовать в: "udp[0] = 0x41"\\
upd header included:
<code>(udp[4:2] = 38 and udp[8:2] = 0x4102 and udp[26:4] = 0x00000008 and udp[30:4] = 0 and udp[34:4] = 0)</code>


=== RESET ===
rst - 4 bytes:
<code>udp[0] & 0x0f = 1 and udp[0] & 0xf0 = 0x30 and udp[1] = 0</code>
"udp[0] & 0x0f = 1 and udp[0] & 0xf0 = 0x30" можно преобразовать в: "udp[0] = 0x31"\\
upd header included:
<code>(udp[4:2] = 28 and udp[8:2] = 0x3100)</code>


===== Обнаружение фильтрации =====
Проще всего, используя описание протокола, реализовать простенький клиент, который будет устанавливать соединение и пытаться отправлять данные.\\
По сути нужно симулировать установление соединения, и дальше пытаться слать DATA и STATE пакеты в ответ с ext типа ACK.\\
Дальше один клиент запускается в интернете, другой у себя и смотрим теряются ли пакеты в 100% случаев или может RESET приходят.\\
Сходным образом при использовании yota некоторые пакеты из l2tp на завершающем этапе согласования пропадают в 100% случаев. Так было ещё в сентябре 2014.\\


===== Заключение =====
1. uTP имеет достаточно чёткие сигнатуры и легко ловится DPI.\\
Более того, ловить сигнатуры в TCP ощутимо сложнее, поскольку для гарантированного обнаружения нужно уметь собирать несколько пакетов вместе и уже потом проверять содержимое: клиент может передавать данные по одному байту.\\
Авторы uTP либо не ставили себе цель сделать протокол без сигнатур либо даже не приблизись к цели.\\
На мой взгляд в начале не ставили, а потом было уже поздно и рандомизация отдельных полей не помогает.\\

2. Производители различных DPI уже давно добавили сигнатуры для uTP, вряд ли им это было трудно сделать.\\

3. В порядке слухов: для линукса вроде бы тоже есть ядерная версия для работы с uTP протоколом на базе ipp2p а может уже отдельно. Но в паблик её не выкладывали. С середины 2012 года.\\

4. Для IPv6 код не писал, на всякий случай ;)\\

5. uTP не лучше TCP для передачи данных, вся проблема в том, что TCP можно хоть как то управлять из приложения только на BSD/Linux - setsockopt(..., IPPROTO_TCP, TCP_CONGESTION,...) - основное что требуется, хотя и там более тонкие параметры congestion control для отдельных сокетов не настраиваются.
Говорить про оверхэд в 23/20 байт сейчас уже не актуально, HTTP/2.0 не сильно лучше.
Возможно с приходом кучи готовых либ для HTTP/2.0 торренты пустят и через него, скорее всего это вопрос времени.


{{tag>software article net torrent}}
Net Lab

User Tools

Site Tools

Page Tools
