简介

在过去的两年中，我们一直在系统的收集和分析恶意软件生成的数据包捕获。在此期间，我们观察到，有一种恶意软件是使用基于TLS的加密来逃避检测，而这种恶意软件的样本百分比正在稳步增加。2015年8月，2.21％的恶意软件样本使用TLS，而到了2017年5月，数据增加到21.44％。在同一时间段内，使用TLS但是没有和HTTP进行未加密连接的恶意软件，从0.12％增加到4.45％。

识别加密网络流量中包含的威胁会带来一系列独特的挑战。监控这些流量，使他们不受恶意软件威胁和侵害是非常重要的，这样做也是为了维护用户的隐私。由于在TLS会话时，模式匹配效果较差，因此我们需要开发一种新方法，即能够准确检测恶意软件的通信。为此，我们利用使用流的各个数据包长度，以及到达时间间隔来了解传输数据的行为特征，并使用ClientHello中包含的TLS元数据，来理解传输数据的TLS客户端。 我们将这两种视图结合在一个受监督的机器学习框架中，这样我们便能够在TLS通信中检测已知和未知的威胁。

为了更直观的了解，图1提供了TLS会话的简化视图。在TLS 1.2中，大多数有趣的TLS握手消息都未加密，在图1中我们用红色标记。我们用于分类的所有TLS特定信息都来自ClientHello，它也可以在TLS 1.3中访问。

数据

在这个项目的整个生命周期中，我们一直认为数据是我们成功的核心。我们与ThreatGrid和Cisco Infosec合作，获取恶意包捕获和实时企业数据。这些数据反馈对我们的帮助是巨大的，它能够引导我们的分析，并且发展出最具信息量的流动特征。我们所分析的数据特性是十分有趣的，为了让大家理解有趣在那里，我们首先关注一个特定的恶意软件样本，bestafera，它是著名的键盘记录和数据泄露软件。

通过数据包长度和时间进行行为分析

图2显示了两个不同TLS会话的数据包长度和到达间隔：图2a中的谷歌搜索和图2b中的bestafera启动连接。 x轴表示时间，向上的线表示从客户端（源）发送到服务器（目的地）的数据包大小，向下的线表示从服务器发送到客户端的数据包大小。红线表示未加密的消息，黑线是加密的应用程序数据记录的大小。

谷歌搜索遵循一种典型模式：客户端的初始请求位于一个小的出站数据包中，然后是大量响应，它跨越许多MTU大小的数据包。这几个来回的数据包是谷歌在我还在输入时，自动完成的搜索。 最后，谷歌认为它对我输入的内容有自己想法，所以发送了一组更新的结果。 bestafera与之通信的服务器首先发送一个包含自签名证书的数据包，这可以看作是图2b中第一个向下的细红线。握手后，客户端立即开始将数据泄露到服务器。然后是暂停，服务器定期发送计划命令和控制消息。针对会话内容，数据包长度和到达时间间隔无法提供更深入的见解，但它们确实有助于推断会话的行为方面。

使用TLS元数据对应用程序进行指纹识别

TLS ClientHello消息提供了两个特别有趣的信息，他们可以用来区分不同的TLS库和应用程序。客户端向服务器提供了一个列表，这其中包括在客户端的优先级中订购的合适密码套件的列表。每个密码套件定义了一组方法，例如加密算法和伪随机函数，这些方法将使用TLS建立连接和传输数据。客户端还可以发布一组TLS扩展，它可以向服务器提供密钥交换所需的参数，例如ec_point_formats。

在提供的唯一密码套件的数量和提供的不同子组中，密码套件提供的向量是可以变化。类似的扩展列表也会根据连接的上下文而变化。因为大多数应用程序通常有不同的优先级，所以，在实践中，这些列表可以而且确实包含大量歧视性信息。例如，桌面浏览器倾向于更重的重量，更安全的加密算法，移动应用程序倾向于更高效的加密算法。他默认的密码套件提供与TLS库捆绑的客户向量，而且他通常提供更广泛的密码套件，这样可以帮助测试服务器配置。

大多数用户级应用程序，以及在野外看到的大量TLS连接，都使用流行的TLS库，如BoringSSL，NSS或OpenSSL。这些应用程序通常具有唯一的TLS指纹，因为开发人员会修改库的默认值，这样便能优化它的应用程序。更明确地说，OpenSSL 1.0.1r中s_client的TLS指纹很可能与使用OpenSSL 1.0.1r进行通信的应用程序不同。这也是为什么bestafera的TLS指纹既有趣又独特的原因——它使用OpenSSL 1.0.1r的默认设置来创建其TLS连接。

应用机器学习

特征表示

对于本文，我们关注的是三种数据类型的简单特性：传统的NetFlow、数据包长度以及从TLS ClientHello获取的信息。这些数据类型都是从单个TLS会话中提取的，但我们还开发了包含多个流的特征模型。在训练之前，将所有特征都归一化为具有零均值和单位方差。

Legacy

我们使用了传统NetFlow中存在的5个功能：流的持续时间、从客户端发送的数据包数、从服务器发送的数据包数、从客户端发送的字节数以及从服务器发送的字节数。

SPL

我们创建一个长度为20的特征向量，其中每个条目都是双向流中相应的数据包大小。从客户端到服务器的数据包大小是正数，从服务器到客户端的数据包大小是负数。

TLS

我们分析了提供的密码套件列表，以及ClientHello消息中包含的广告扩展列表。在我们的数据中，我们观察到176个独特的密码套件和21个独特的扩展，这导致了长度为197的二进制特征向量。如果密码套件或扩展名出现在ClientHello消息中，则相应的功能设置为1。

学习

所有的结果都使用了scikit-learn随机森林实现。基于我们之前进行的纵向研究，我们将集合中树木的数量设置为125棵，并且将树的每一次分裂所考虑的特征数量设置为特征总数的平方根。随机森林模型使用的特性集由遗留特性、SPL、TLS特性的某些子集组成，具体需要看实验情况。

结果

我们从ThreatGrid的一个企业网络Site1和324,771流量中抽取了1,621,910个TLS流量，然后训练我们的随机森林模型。然后，我们模拟了从单独的企业网络Site2中看不见的数据部署模型，以及在上一个数据集之后的两个月内，收集的恶意软件数据。表1显示了该实验在不同阈值下的结果。0.5是分类器的默认阈值，并且阈值越高，训练的模型就越确定TLS流是由恶意软件生成的。恶意软件/良性的准确性是分开的，这样便能证明特征子集超过了一个特定的类。例如，Legacy可以在良性集上实现接近完美的准确性，但这些功能无法推广到恶意软件数据集。

在0.99的阈值处，使用Legacy / SPL特征的分类器正确的分类了98.95％的良性样本和69.81％的恶意样本。如果我们将有关应用程序（TLS）的信息与网络流量（SPL）的行为特征相结合，这些结果将得到显着改善。Legacy / SPL / TLS的组合是良性和恶意软件样本上性能最佳的模型。 在0.95的阈值下，该模型分别对于良性和恶意保持数据集实现了99.99％和85.80％的准确度。

结论

由于涉及隐私、法律义务、费用或不合作的端点，解密解决方案在所有设置中都不理想。思科投入了大量时间来开发研究产品，以填补这些空白，并且完善现有的解决方案。我们对真实网络数据的验证研究表明，我们可以在最小误报的情况下实现可靠的检测。除了让思科的产品团队进一步开发这项工作外，我们还通过开源和学术论文吸引了更广泛的外部受众。