深入淺出DDoS攻擊防御——攻擊

1. DDoS攻擊基礎(chǔ)

DDoS（Distributed Denial of Service，分布式拒絕服務(wù)）攻擊的主要目的是讓指定目標(biāo)無(wú)法提供正常服務(wù)，甚至從互聯(lián)網(wǎng)上消失，是目前最強(qiáng)大、最難防御的攻擊之一。

按照發(fā)起的方式，DDoS可以簡(jiǎn)單分為三類。

第一類以力取勝，海量數(shù)據(jù)包從互聯(lián)網(wǎng)的各個(gè)角落蜂擁而來(lái)，堵塞IDC入口，讓各種強(qiáng)大的硬件防御系統(tǒng)、快速高效的應(yīng)急流程無(wú)用武之地。這種類型的攻擊典型代表是ICMP Flood和UDP Flood，現(xiàn)在已不常見(jiàn)。

第二類以巧取勝，靈動(dòng)而難以察覺(jué)，每隔幾分鐘發(fā)一個(gè)包甚至只需要一個(gè)包，就可以讓豪華配置的服務(wù)器不再響應(yīng)。這類攻擊主要是利用協(xié)議或者軟件的漏洞發(fā)起，例如Slowloris攻擊、Hash沖突攻擊等，需要特定環(huán)境機(jī)緣巧合下才能出現(xiàn)。

第三類是上述兩種的混合，輕靈渾厚兼而有之，既利用了協(xié)議、系統(tǒng)的缺陷，又具備了海量的流量，例如SYN Flood攻擊、DNS Query Flood攻擊，是當(dāng)前的主流攻擊方式。

本文將一一描述這些最常見(jiàn)、最具代表性攻擊方式，并介紹它們的防御方案。

1.1. SYN Flood

SYN Flood是互聯(lián)網(wǎng)上最經(jīng)典的DDoS攻擊方式之一，最早出現(xiàn)于1999年左右，雅虎是當(dāng)時(shí)最著名的受害者。SYN Flood攻擊利用了TCP三次握手的缺陷，能夠以較小代價(jià)使目標(biāo)服務(wù)器無(wú)法響應(yīng)，且難以追查。

標(biāo)準(zhǔn)的TCP三次握手過(guò)程如下：

l 客戶端發(fā)送一個(gè)包含SYN標(biāo)志的TCP報(bào)文，SYN即同步（Synchronize），同步報(bào)文會(huì)指明客戶端使用的端口以及TCP連接的初始序號(hào)；

l 服務(wù)器在收到客戶端的SYN報(bào)文后，將返回一個(gè)SYN+ACK（即確認(rèn)Acknowledgement）的報(bào)文，表示客戶端的請(qǐng)求被接受，同時(shí)TCP初始序號(hào)自動(dòng)加1；

l 客戶端也返回一個(gè)確認(rèn)報(bào)文ACK給服務(wù)器端，同樣TCP序列號(hào)被加1。

經(jīng)過(guò)這三步，TCP連接就建立完成。TCP協(xié)議為了實(shí)現(xiàn)可靠傳輸，在三次握手的過(guò)程中設(shè)置了一些異常處理機(jī)制。第三步中如果服務(wù)器沒(méi)有收到客戶端的最終ACK確認(rèn)報(bào)文，會(huì)一直處于SYN_RECV狀態(tài)，將客戶端IP加入等待列表，并重發(fā)第二步的SYN+ACK報(bào)文。重發(fā)一般進(jìn)行3-5次，大約間隔30秒左右輪詢一次等待列表重試所有客戶端。另一方面，服務(wù)器在自己發(fā)出了SYN+ACK報(bào)文后，會(huì)預(yù)分配資源為即將建立的TCP連接儲(chǔ)存信息做準(zhǔn)備，這個(gè)資源在等待重試期間一直保留。更為重要的是，服務(wù)器資源有限，可以維護(hù)的SYN_RECV狀態(tài)超過(guò)極限后就不再接受新的SYN報(bào)文，也就是拒絕新的TCP連接建立。

SYN Flood正是利用了上文中TCP協(xié)議的設(shè)定，達(dá)到攻擊的目的。攻擊者偽裝大量的IP地址給服務(wù)器發(fā)送SYN報(bào)文，由于偽造的IP地址幾乎不可能存在，也就幾乎沒(méi)有設(shè)備會(huì)給服務(wù)器返回任何應(yīng)答了。因此，服務(wù)器將會(huì)維持一個(gè)龐大的等待列表，不停地重試發(fā)送SYN+ACK報(bào)文，同時(shí)占用著大量的資源無(wú)法釋放。更為關(guān)鍵的是，被攻擊服務(wù)器的SYN_RECV隊(duì)列被惡意的數(shù)據(jù)包占滿，不再接受新的SYN請(qǐng)求，合法用戶無(wú)法完成三次握手建立起TCP連接。也就是說(shuō)，這個(gè)服務(wù)器被SYN Flood拒絕服務(wù)了。

1.2. DNS Query Flood

作為互聯(lián)網(wǎng)最基礎(chǔ)、最核心的服務(wù)，DNS自然也是DDoS攻擊的重要目標(biāo)之一。打垮DNS服務(wù)能夠間接打垮一家公司的全部業(yè)務(wù)，或者打垮一個(gè)地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。前些時(shí)候風(fēng)頭正盛的黑客組織anonymous也曾經(jīng)宣布要攻擊全球互聯(lián)網(wǎng)的13臺(tái)根DNS服務(wù)器，不過(guò)最終沒(méi)有得手。

UDP攻擊是最容易發(fā)起海量流量的攻擊手段，而且源IP隨機(jī)偽造難以追查。但過(guò)濾比較容易，因?yàn)榇蠖鄶?shù)IP并不提供UDP服務(wù)，直接丟棄UDP流量即可。所以現(xiàn)在純粹的UDP流量攻擊比較少見(jiàn)了，取而代之的是UDP協(xié)議承載的DNS Query Flood攻擊。簡(jiǎn)單地說(shuō)，越上層協(xié)議上發(fā)動(dòng)的DDoS攻擊越難以防御，因?yàn)閰f(xié)議越上層，與業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)越大，防御系統(tǒng)面臨的情況越復(fù)雜。

DNS Query Flood就是攻擊者操縱大量傀儡機(jī)器，對(duì)目標(biāo)發(fā)起海量的域名查詢請(qǐng)求。為了防止基于ACL的過(guò)濾，必須提高數(shù)據(jù)包的隨機(jī)性。常用的做法是UDP層隨機(jī)偽造源IP地址、隨機(jī)偽造源端口等參數(shù)。在DNS協(xié)議層，隨機(jī)偽造查詢ID以及待解析域名。隨機(jī)偽造待解析域名除了防止過(guò)濾外，還可以降低命中DNS緩存的可能性，盡可能多地消耗DNS服務(wù)器的CPU資源。

關(guān)于DNS Query Flood的代碼，我在2011年7月為了測(cè)試服務(wù)器性能曾經(jīng)寫過(guò)一份代碼，鏈接是http://www.icylife.net/yunshu/show.php？id=832。同樣的，這份代碼人為降低了攻擊性，只做測(cè)試用途。

1.3. HTTP Flood

上文描述的SYN Flood、DNS Query Flood在現(xiàn)階段已經(jīng)能做到有效防御了，真正令各大廠商以及互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)頭疼的是HTTP Flood攻擊。HTTP Flood是針對(duì)Web服務(wù)在第七層協(xié)議發(fā)起的攻擊。它的巨大危害性主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：發(fā)起方便、過(guò)濾困難、影響深遠(yuǎn)。

SYN Flood和DNS Query Flood都需要攻擊者以root權(quán)限控制大批量的傀儡機(jī)。收集大量root權(quán)限的傀儡機(jī)很花費(fèi)時(shí)間和精力，而且在攻擊過(guò)程中傀儡機(jī)會(huì)由于流量異常被管理員發(fā)現(xiàn)，攻擊者的資源快速損耗而補(bǔ)充緩慢，導(dǎo)致攻擊強(qiáng)度明顯降低而且不可長(zhǎng)期持續(xù)。HTTP Flood攻擊則不同，攻擊者并不需要控制大批的傀儡機(jī)，取而代之的是通過(guò)端口掃描程序在互聯(lián)網(wǎng)上尋找匿名的HTTP代理或者SOCKS代理，攻擊者通過(guò)匿名代理對(duì)攻擊目標(biāo)發(fā)起HTTP請(qǐng)求。匿名代理是一種比較豐富的資源，花幾天時(shí)間獲取代理并不是難事，因此攻擊容易發(fā)起而且可以長(zhǎng)期高強(qiáng)度的持續(xù)。

另一方面，HTTP Flood攻擊在HTTP層發(fā)起，極力模仿正常用戶的網(wǎng)頁(yè)請(qǐng)求行為，與網(wǎng)站業(yè)務(wù)緊密相關(guān)，安全廠商很難提供一套通用的且不影響用戶體驗(yàn)的方案。在一個(gè)地方工作得很好的規(guī)則，換一個(gè)場(chǎng)景可能帶來(lái)大量的誤殺。

最后，HTTP Flood攻擊會(huì)引起嚴(yán)重的連鎖反應(yīng)，不僅僅是直接導(dǎo)致被攻擊的Web前端響應(yīng)緩慢，還間接攻擊到后端的Java等業(yè)務(wù)層邏輯以及更后端的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)，增大它們的壓力，甚至對(duì)日志存儲(chǔ)服務(wù)器都帶來(lái)影響。

有意思的是，HTTP Flood還有個(gè)頗有歷史淵源的昵稱叫做CC攻擊。CC是Challenge Collapsar的縮寫，而Collapsar是國(guó)內(nèi)一家著名安全公司的DDoS防御設(shè)備。從目前的情況來(lái)看，不僅僅是Collapsar，所有的硬件防御設(shè)備都還在被挑戰(zhàn)著，風(fēng)險(xiǎn)并未解除。

1.4. 慢速連接攻擊

提起攻擊，第一反應(yīng)就是海量的流量、海量的報(bào)文。但有一種攻擊卻反其道而行之，以慢著稱，以至于有些攻擊目標(biāo)被打死了都不知道是怎么死的，這就是慢速連接攻擊，最具代表性的是rsnake發(fā)明的Slowloris。

HTTP協(xié)議規(guī)定，HTTP Request以\r\n\r\n結(jié)尾表示客戶端發(fā)送結(jié)束，服務(wù)端開(kāi)始處理。那么，如果永遠(yuǎn)不發(fā)送\r\n\r\n會(huì)如何？Slowloris就是利用這一點(diǎn)來(lái)做DDoS攻擊的。攻擊者在HTTP請(qǐng)求頭中將Connection設(shè)置為Keep-Alive，要求Web Server保持TCP連接不要斷開(kāi)，隨后緩慢地每隔幾分鐘發(fā)送一個(gè)key-value格式的數(shù)據(jù)到服務(wù)端，如a:b\r\n，導(dǎo)致服務(wù)端認(rèn)為HTTP頭部沒(méi)有接收完成而一直等待。如果攻擊者使用多線程或者傀儡機(jī)來(lái)做同樣的操作，服務(wù)器的Web容器很快就被攻擊者占滿了TCP連接而不再接受新的請(qǐng)求。

很快的，Slowloris開(kāi)始出現(xiàn)各種變種。比如POST方法向Web Server提交數(shù)據(jù)、填充一大大Content-Length但緩慢的一個(gè)字節(jié)一個(gè)字節(jié)的POST真正數(shù)據(jù)內(nèi)容等等。關(guān)于Slowloris攻擊，rsnake也給出了一個(gè)測(cè)試代碼，參見(jiàn)http://ha.ckers.org/slowloris/slowloris.pl。

2. DDoS攻擊進(jìn)階

2.1. 混合攻擊

以上介紹了幾種基礎(chǔ)的攻擊手段，其中任意一種都可以用來(lái)攻擊網(wǎng)絡(luò)，甚至擊垮阿里、百度、騰訊這種巨型網(wǎng)站。但這些并不是全部，不同層次的攻擊者能夠發(fā)起完全不同的DDoS攻擊，運(yùn)用之妙，存乎一心。

高級(jí)攻擊者從來(lái)不會(huì)使用單一的手段進(jìn)行攻擊，而是根據(jù)目標(biāo)環(huán)境靈活組合。普通的SYN Flood容易被流量清洗設(shè)備通過(guò)反向探測(cè)、SYN Cookie等技術(shù)手段過(guò)濾掉，但如果在SYN Flood中混入SYN+ACK數(shù)據(jù)包，使每一個(gè)偽造的SYN數(shù)據(jù)包都有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的偽造的客戶端確認(rèn)報(bào)文，這里的對(duì)應(yīng)是指源IP地址、源端口、目的IP、目的端口、TCP窗口大小、TTL等都符合同一個(gè)主機(jī)同一個(gè)TCP Flow的特征，流量清洗設(shè)備的反向探測(cè)和SYN Cookie性能壓力將會(huì)顯著增大。其實(shí)SYN數(shù)據(jù)報(bào)文配合其他各種標(biāo)志位，都有特殊的攻擊效果，這里不一一介紹。對(duì)DNS Query Flood而言，也有獨(dú)特的技巧。

首先，DNS可以分為普通DNS和授權(quán)域DNS，攻擊普通DNS，IP地址需要隨機(jī)偽造，并且指明服務(wù)器要求做遞歸解析；但攻擊授權(quán)域DNS，偽造的源IP地址則不應(yīng)該是純隨機(jī)的，而應(yīng)該是事先收集的全球各地ISP的DNS地址，這樣才能達(dá)到最大攻擊效果，使流量清洗設(shè)備處于添加IP黑名單還是不添加IP黑名單的尷尬處境。添加會(huì)導(dǎo)致大量誤殺，不添加黑名單則每個(gè)報(bào)文都需要反向探測(cè)從而加大性能壓力。

另一方面，前面提到，為了加大清洗設(shè)備的壓力不命中緩存而需要隨機(jī)化請(qǐng)求的域名，但需要注意的是，待解析域名必須在偽造中帶有一定的規(guī)律性，比如說(shuō)只偽造域名的某一部分而固化一部分，用來(lái)突破清洗設(shè)備設(shè)置的白名單。道理很簡(jiǎn)單，騰訊的服務(wù)器可以只解析騰訊的域名，完全隨機(jī)的域名可能會(huì)直接被丟棄，需要固化。但如果完全固定，也很容易直接被丟棄，因此又需要偽造一部分。

其次，對(duì)DNS的攻擊不應(yīng)該只著重于UDP端口，根據(jù)DNS協(xié)議，TCP端口也是標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)。在攻擊時(shí)，可以UDP和TCP攻擊同時(shí)進(jìn)行。

HTTP Flood的著重點(diǎn)，在于突破前端的cache，通過(guò)HTTP頭中的字段設(shè)置直接到達(dá)Web Server本身。另外，HTTP Flood對(duì)目標(biāo)的選取也非常關(guān)鍵，一般的攻擊者會(huì)選擇搜索之類需要做大量數(shù)據(jù)查詢的頁(yè)面作為攻擊目標(biāo)，這是非常正確的，可以消耗服務(wù)器盡可能多的資源。但這種攻擊容易被清洗設(shè)備通過(guò)人機(jī)識(shí)別的方式識(shí)別出來(lái)，那么如何解決這個(gè)問(wèn)題？很簡(jiǎn)單，盡量選擇正常用戶也通過(guò)APP訪問(wèn)的頁(yè)面，一般來(lái)說(shuō)就是各種Web API。正常用戶和惡意流量都是來(lái)源于APP，人機(jī)差別很小，基本融為一體難以區(qū)分。

之類的慢速攻擊，是通過(guò)巧妙的手段占住連接不釋放達(dá)到攻擊的目的，但這也是雙刃劍，每一個(gè)TCP連接既存在于服務(wù)端也存在于自身，自身也需要消耗資源維持TCP狀態(tài)，因此連接不能保持太多。如果可以解決這一點(diǎn)，攻擊性會(huì)得到極大增強(qiáng)，也就是說(shuō)Slowloris可以通過(guò)stateless的方式發(fā)動(dòng)攻擊，在客戶端通過(guò)嗅探捕獲TCP的序列號(hào)和確認(rèn)維護(hù)TCP連接，系統(tǒng)內(nèi)核無(wú)需關(guān)注TCP的各種狀態(tài)變遷，一臺(tái)筆記本即可產(chǎn)生多達(dá)65535個(gè)TCP連接。

前面描述的，都是技術(shù)層面的攻擊增強(qiáng)。在人的方面，還可以有一些別的手段。如果SYN Flood發(fā)出大量數(shù)據(jù)包正面強(qiáng)攻，再輔之以Slowloris慢速連接，多少人能夠發(fā)現(xiàn)其中的秘密？即使服務(wù)器宕機(jī)了也許還只發(fā)現(xiàn)了SYN攻擊想去加強(qiáng)TCP層清洗而忽視了應(yīng)用層的行為。種種攻擊都可以互相配合，達(dá)到最大的效果。攻擊時(shí)間的選擇，也是一大關(guān)鍵，比如說(shuō)選擇維護(hù)人員吃午飯時(shí)、維護(hù)人員下班堵在路上或者在地鐵里無(wú)線上網(wǎng)卡都沒(méi)有信號(hào)時(shí)、目標(biāo)企業(yè)在舉行大規(guī)?；顒?dòng)流量飆升時(shí)等。

2.2. 來(lái)自P2P網(wǎng)絡(luò)的攻擊

前面的攻擊方式，多多少少都需要一些傀儡機(jī)，即使是HTTP Flood也需要搜索大量的匿名代理。如果有一種攻擊，只需要發(fā)出一些指令，就有機(jī)器自動(dòng)上來(lái)執(zhí)行，才是完美的方案。這種攻擊已經(jīng)出現(xiàn)了，那就是來(lái)自P2P網(wǎng)絡(luò)的攻擊。

大家都知道，互聯(lián)網(wǎng)上的P2P用戶和流量都是一個(gè)極為龐大的數(shù)字。如果他們都去一個(gè)指定的地方下載數(shù)據(jù)，使成千上萬(wàn)的真實(shí)IP地址連接過(guò)來(lái)，沒(méi)有哪個(gè)設(shè)備能夠支撐住。拿BT下載來(lái)說(shuō)，偽造一些熱門視頻的種子，發(fā)布到搜索引擎，就足以騙到許多用戶和流量了，但這只是基礎(chǔ)攻擊。

高級(jí)P2P攻擊，是直接欺騙資源管理服務(wù)器。如迅雷客戶端會(huì)把自己發(fā)現(xiàn)的資源上傳到資源管理服務(wù)器，然后推送給其他需要下載相同資源的用戶，這樣，一個(gè)鏈接就發(fā)布出去。通過(guò)協(xié)議逆向，攻擊者偽造出大批量的熱門資源信息通過(guò)資源管理中心分發(fā)出去，瞬間就可以傳遍整個(gè)P2P網(wǎng)絡(luò)。更為恐怖的是，這種攻擊是無(wú)法停止的，即使是攻擊者自身也無(wú)法停止，攻擊一直持續(xù)到P2P官方發(fā)現(xiàn)問(wèn)題更新服務(wù)器且下載用戶重啟下載軟件時(shí)為止。

3. 總結(jié)

限于篇幅，DDoS攻擊的介紹就寫這么多，而且我也不愿意對(duì)這個(gè)做更進(jìn)一步的闡述了——理解防御這么多已經(jīng)夠用了。

總的來(lái)說(shuō)，DDoS攻擊可以很靈巧，可以很優(yōu)美。運(yùn)用之妙，存乎一心。