應對CC攻擊的自動防御系統的原理與實現
0x00 系統效果
此DDOS應用層防御系統已經部署在了http://www.yfdc.org網站上(如果訪問失敗,請直接訪問位于國內的服務器http://121.42.45.55進行在線測試)。
此防御系統位于應用層，可以有效防止非法用戶對服務器資源的濫用:
只要是發送高頻率地、應用層請求以實現大量消耗系統資源的攻擊方式，皆可有效防御。
其實現的基本思想是:
定期分析所有訪問用戶在過去各個時間段內的請求頻率，將頻率高于指定閾值的用戶判定為資源濫用者，將其封殺一段時間，時效過后，防御系統自動將其解封。
在線效果測試:
進入http://www.yfdc.org -> 點擊右上側在線查詢，此時將會進入/shell/yf域內，/shell/yf是一個用bash scripts寫的動態web-cgi程序，用戶每一次提交信息，此程序將會執行一些服務器端的查詢操作，然后將數據處理后返回到客戶端。
為了防止非法用戶高頻率地訪問這個程序，而影響到其他正常用戶的訪問，故需要進行一些保護措施。
最終效果:
被封信息頁面
在/shell/yf域內，按住F5不放，一直刷新，幾秒后松開，就能看到被封信息和解封時間。
只要某個用戶對/shell/yf的訪問超過了正常的頻率，服務將會對這個用戶關閉一段時間，期滿后自動解封。
0x01 系統原理
操作系統: CentOS 6.5 x86_64 開發語言: Bash Shell Scripts Web服務器: Apache Httpd
(此圖為系統結構的鳥瞰圖 可存至本地后放大查看)
2.1 自定義日志:/etc/httpd/logs/yfddos_log
(自定義日志文件的格式)
在httpd.conf的日志參數中，加入如下兩行：
LogFormat "%a \"%U\" %{local}p %D %{%s}t " yfddos
CustomLog logs/yfddos_log yfddos
我們接下來重點分析日志文件/etc/httpd/logs/yfddos_log.
LogFormat "%a \"%U\" %{local}p %D %{%s}t " yfddos
解釋:
%a -> 用戶的IP
%U -> 請求的URL地址，但并不包含query string(The URL path requested, not including any query string.)
%{local}p -> 用戶請求的服務器端口(一般為80)
%D -> 這個請求共消耗了服務器多少微秒(The time taken to serve the request, in microseconds.)
%{%s}t -> 服務器收到這個請求時，時間戳的值(seconds since 1970-01-01 00:00:00 UTC)
例子:
192.168.31.1 "/shell/yf" 80 118231 1417164313
譯為:IP為192.168.31.1的主機,在時間戳為1417164313的時候，訪問了/shell/yf，并由服務器的80端口向其提供服務，共耗時118231微秒
或為:IP為192.168.31.1的主機,在2014-11-28 16:45:13的時候，訪問了/shell/yf，并由服務器的80端口向其提供服務，共耗時0.118231秒
至于為什么不使用httpd.conf中官方定義的日志，原因如下:
- 用戶訪問日志的一條記錄可大約控制在60Bytes以內，數據量小，便于后期分析，官方定義的日志太過臃腫，影響分析速度 - 使用時間戳標志時間，便于后期分析，官方定義的日志時間參數為常規的表達方式，不便于直接進行處理 - httpd的日志系統本身就是從舊到新進行排序記錄的，所以/etc/httpd/logs/yfddos_log日志條目的時間戳，亦為從小到大進行排序的，數據記錄更加鮮明
2.2 yfddosd黑名單文件格式
黑名單文件格式
yfddosd黑名單文件/etc/yfddos/web-yf-search.b格式如下:
# ip add-stamp rmv-stamp 1.2.3.4 1416046335 1416046395 1.2.3.5 1416046336 1416046396 1.2.3.6 1416046339 1416046399
每一行為一個黑名單條目，上面第一個條目的意義為：
IP地址 :1.2.3.4
開始時間:時間戳1416046335，即 2014-11-15 18:12:15
終止時間:時間戳1416046395，即 2014-11-15 18:13:15
直觀意義為:
IP地址:1.2.3.4，從2014-11-15 18:12:15開始，被封殺1分鐘，在2014-11-15 18:13:15時自動解封。
這個文件將由駐留在系統中的daemon守護進程yfddosd進行維護更新。
2.3 守護進程yfddosd:防御系統的邏輯核心
守護進程的原理圖
守護進程yfddosd是整個CC防御系統的核心，而function analyze_and_insert_black()則是yfddosd的核心。
yfddosd的配置參數:
yfddos_blackfilePath='/etc/yfddos/web-yf-search.b'
yfddos_accesslogPath='/etc/httpd/logs/yfddos_log'function analyze_and_insert_black() {
# analyze_and_insert_black() :
# $1:max frequency(seems as abuse if above that) $2:blackip-ttl,time to live,unit is seconds (s)
# $3:the access log ${3} seconds before will be analyzed to generate the abuse ip lists that we will block
# example : analyze_and_insert_black "limit" "ttl" "time"
# example : analyze_and_insert_black "4" "10" "5"
# 分析在過去5s內的用戶訪問日志 如果有人在這5s內訪問量>=4 系統將視其為資源濫用者 將其加入服務黑名單
# 一條黑名單的作用時間為10s 即在10s之后 系統自動刪除此黑名單條目 服務則繼續向其開放
# global vars:
# stamp logtmpfile yfddos_blackfilePath
# ......
}
函數analyze_and_insert_black有三個輸入參數：
例子: analyze_and_insert_black "4" "10" "5"
| 解釋: 分析日志文件/etc/httpd/logs/yfddos_log中,在過去5s內的用戶訪問日志,如果有IP在這5s內訪問量>=4,守護進程yfddosd將視其為資源濫用者，然后將這個IP加入到黑名單文件/etc/yfddos/web-yf-search.b中，此條黑名單的作用時間為10s，在10s之后，守護進程yfddosd將刪除此黑名單條目。 |
例子: analyze_and_insert_black "150" "2700" "905"
| 解釋: 分析日志文件/etc/httpd/logs/yfddos_log中,在過去905s內的用戶訪問日志,如果有IP在這905s內訪問量>=150,守護進程yfddosd將視其為資源濫用者，然后將這個IP加入到黑名單文件/etc/yfddos/web-yf-search.b中，此條黑名單的作用時間為2700s，在2700s之后，守護進程yfddosd將刪除此黑名單條目。 |
簡記為: analyze_and_insert_black "limit" "ttl" "time"
| 解釋: 分析日志文件/etc/httpd/logs/yfddos_log中,在過去(time)s內的用戶訪問日志,如果有IP在這(time)s內訪問量>=limit,守護進程yfddosd將視其為資源濫用者，然后此IP將會被加入到黑名單文件/etc/yfddos/web-yf-search.b中，作用時間為(ttl)s，在(ttl)s之后，守護進程yfddosd將自動刪除此條目。 |
從上述中可看出，守護進程yfddosd至少需要完成如下三個任務:
◆分析日志文件/etc/httpd/logs/yfddos_log中指定時間內的用戶訪問記錄
◆將資源濫用者的IP加入文件/etc/yfddos/web-yf-search.b，并設置封殺TTL參數值
◆將/etc/yfddos/web-yf-search.b中已經過期的條目全部及時刪除
守護進程yfddosd是如何實現上面三個邏輯的:
◆分析日志文件/etc/httpd/logs/yfddos_log中指定時間內的用戶訪問記錄:
(1) 取出/etc/httpd/logs/yfddos_log中過去time秒的訪問日志數據，使用二分法將這一操作的時間復雜度壓縮到K*log2(N)以內，其中N為/etc/httpd/logs/yfddos_log中日志總行數，K為一次測試的耗時量，一般為1ms以內，即如有1048576條訪問記錄，這一操作將僅需要20*1ms。
(2) 使用正則RE對這些數據進行二次處理，過濾出所有訪問指定URL的用戶IP(這個URL為想要防御的http服務url，例如在http://www.yfdc.org系統中，所防御的就是/shell/yf,這個服務向訪問者提供信息的search與get服務)，再次使用sort與uniq對這些IP進行處理，以統計出每個IP的訪問次數并進行高低排序。
◆將資源濫用者的IP加入文件/etc/yfddos/web-yf-search.b，并設置封殺TTL參數值
將所有訪問次數超過閾值limit的IP更新到黑名單文件/etc/yfddos/web-yf-search.b中,每個黑名單條目的封殺時間為ttl秒
◆將/etc/yfddos/web-yf-search.b中已經過期的條目全部及時刪除
遍歷/etc/yfddos/web-yf-search.b中所有黑名單條目，結合當前時間戳，將所有已經過期的條目一一刪去
下面是守護進程yfddosd狀態機的偽代碼:(略去了一些處理細節)
#init and FSM start work...
counter=0
while true
do
sleep 5
counter=counter+1
delete obsolete items #將/etc/yfddos/web-yf-search.b中已經過期的條目全部刪除
if # every 5 seconds : 5s
then
analyze_and_insert_black "6" "10" "5"
# 分析在過去5s內訪問的用戶 如果有人其訪問量大于等于6 系統將視其為資源濫用者
# 遂將其加入服務黑名單 其作用時間為10s 在10s之后 daemon進程自動刪除這個ip黑名單條目
fi
if #every 5*3 seconds : 15s
then
analyze_and_insert_black "14" "45" "15"
fi
if #every 5*3*4+5 seconds : 65s
then
analyze_and_insert_black "40" "840" "65"
fi
if #every 5*3*4*3*5+5 seconds : 905s : 15min
then
analyze_and_insert_black "150" "2700" "905"
fi
if #every 5*3*4*3*5*4+5 seconds : 3605s : 1h
then
analyze_and_insert_black "300" "7200" "3605"
fi
if #every 5*3*4*3*5*4*3+5 seconds : 10805s : 3h
then
analyze_and_insert_black "400" "21600" "10805"
if #在每天的00:01-04:59時間區間 一天僅執行一次
then
#備份日志
fi
fi
done
防御者應斟酌調整每個檢測時間點的參數值(封殺時間ttl與判定閾值limit)，以調節系統應對CC攻擊到來時的反應時間。
0x02 源代碼
- ##################################### vim /usr/local/bin/yfddosd.sh :
- ##################################### nohup bash /usr/local/bin/yfddosd.sh &>"/etc/yfddos/""yfddosd-log-`date +%Y-%m-%d`" &
- ##################################### yfddos daemon
- mkdir /etc/yfddos
- yfddos_blackfilePath='/etc/yfddos/web-yf-search.b'
- yfddos_accesslogPath='/etc/httpd/logs/yfddos_log'
- ### refresh tll
- logtmpfile=`mktemp`
- stamp=`date +%s`
- touch "$yfddos_blackfilePath"
- if grep -Po '[0-9]+\.[0-9]+\.[0-9]+\.[0-9]+' "$yfddos_blackfilePath" &>/dev/null
- then
- cat "$yfddos_blackfilePath" | while read i
- do
- deadstamp=`echo "$i" | grep -Po '[0-9]+$'`
- if [ "$stamp" -le "$deadstamp" ]
- then
- echo "$i" >>"$logtmpfile"
- fi
- done
- fi
- chmod o+r "$logtmpfile"
- mv -f "$logtmpfile" "$yfddos_blackfilePath"
- if ! grep -Po '[0-9]+\.[0-9]+\.[0-9]+\.[0-9]+' "$yfddos_blackfilePath" &>/dev/null
- then
- echo '255.255.255.255 0 0' >> "$yfddos_blackfilePath"
- fi
- function analyze_and_insert_black() {
- # analyze_and_insert_black() :
- # $1:max frequency(seems as abuse if above that) $2:blackip-ttl,time to live,unit is seconds (s)
- # $3:the access log ${3} seconds before will be analyzed to generate the abuse ip lists that we will block
- # example : analyze_and_insert_black "limit" "ttl" "time"
- # example : analyze_and_insert_black "4" "10" "5"
- # 分析在過去5s內的用戶訪問日志 如果有人在這5s內訪問量>=4 系統將視其為資源濫用者 將其加入服務黑名單
- # 一條黑名單的作用時間為10s 即在10s之后 系統自動刪除此黑名單條目 服務則繼續向其開放
- # global vars:
- # stamp logtmpfile yfddos_blackfilePath
- local threshold="$1"
- local ttl="$2"
- local stamp_pre="$3"
- local i=0
- local num=""
- local fre=0
- local ip=0
- local localbuf=0
- local linenum=0
- local deadstamp=0
- stamp_pre="$((stamp-stamp_pre))"
- #二分查找初始化
- local temp=0
- local yf_x='1'
- local yf_y=`cat "$logtmpfile" | wc -l`
- if [ "$yf_y" -le "1" ]
- then
- yf_y=1
- fi
- local yf_I=$(((yf_x+yf_y)/2))
- temp=`cat "$logtmpfile" | wc -l`
- if [ "$temp" -gt "0" ]
- then
- temp=`sed -n '$p' "$logtmpfile" | grep -Po '[0-9]+ $'`
- if [ "$temp" -lt "$stamp_pre" ]
- then
- num=""
- else
- while true #使用二分查找的方法 快速地分析訪問日志
- do
- temp=`sed -n "${yf_x}p" "$logtmpfile" | grep -Po '[0-9]+ $'`
- if [ "$temp" -ge "$stamp_pre" ]
- then
- break
- fi
- if [ "$((yf_y-yf_x))" -le "1" ]
- then
- yf_x="$yf_y"
- break
- fi
- temp=`sed -n "${yf_I}p" "$logtmpfile" | grep -Po '[0-9]+ $'`
- if [ "$temp" -lt "$stamp_pre" ]
- then
- yf_x="$yf_I"
- yf_y="$yf_y"
- yf_I="$(((yf_x+yf_y)/2))"
- continue
- fi
- yf_x="$yf_x"
- yf_y="$yf_I"
- yf_I="$(((yf_x+yf_y)/2))"
- continue
- done
- temp=`sed -n "${yf_x}p" "$logtmpfile" | grep -Po '[0-9]+ $'`
- if [ "$temp" -ge "$stamp_pre" ]
- then
- num="$yf_x"
- else
- num=""
- fi
- fi
- if [ -n "$num" ]
- then
- sed -n "${num},\$p" "$logtmpfile" | grep -Po '^[0-9]+\.[0-9]+\.[0-9]+\.[0-9]+' | sort -n | uniq -c | sort -rn | while read i
- do
- fre=`echo "$i" | grep -Po '[0-9]+' | head -1`
- ip=`echo "$i" | grep -Po '[0-9]+\.[0-9]+\.[0-9]+\.[0-9]+' `
- if [ "$fre" -ge "$threshold" ]
- then #insert illegal ips : cat "$yfddos_blackfilePath"
- # ip add-stamp rmv-stamp
- #1.2.3.4 1416046335 1416046395
- temp=`grep -Pn "${ip//./\\.} " "$yfddos_blackfilePath"`
- if [ -n "$temp" ]
- then
- linenum=`echo "$temp" | grep -Po '^[0-9]+' | head -1`
- deadstamp=`echo "$temp" | grep -Po '[0-9]+$' | sort -rn | head -1 `
- if [ "$((stamp+ttl))" -gt "$deadstamp" ]
- then
- sed -i "${linenum}s/.*/${ip} ${stamp} $((stamp+ttl))/g" "$yfddos_blackfilePath"
- fi
- else
- sed -i "\$a ${ip} ${stamp} $((stamp+ttl))" "$yfddos_blackfilePath"
- fi
- else
- break
- fi
- done
- fi
- fi
- }
- #init and yfddosd's FSM start work...
- counter=0
- while true
- do
- sleep 5
- counter=$((counter+1))
- echo -n `date +%Y-%m-%d\ %H:%M:%S`" ""counter ${counter}:"`cat /proc/uptime | grep -Po '[0-9\.]+' | head -1`" "
- echo -n "refresh tll:"`cat /proc/uptime | grep -Po '[0-9\.]+' | head -1`" "
- ### refresh tll
- #refresh ttl: analyze file: "$yfddos_blackfilePath" if some items'ttl has been reach the date , we will remove it and open service to the ip had been banned before.
- #insert illegal ips : cat "$yfddos_blackfilePath"
- # ip add-stamp rmv-stamp
- #1.2.3.4 1416046335 1416046395
- #sed -i "/^.* $((stamp-5))$/d;/^.* $((stamp-4))$/d;/^.* $((stamp-3))$/d;/^.* $((stamp-2))$/d;/^.* $((stamp-1))$/d;/^.* $((stamp))$/d;/^$/d" "$yfddos_blackfilePath"
- logtmpfile=`mktemp`
- stamp=`date +%s`
- touch "$yfddos_blackfilePath"
- if grep -Po '[0-9]+\.[0-9]+\.[0-9]+\.[0-9]+' "$yfddos_blackfilePath" &>/dev/null
- then
- cat "$yfddos_blackfilePath" | while read i
- do
- deadstamp=`echo "$i" | grep -Po '[0-9]+$'`
- if [ "$stamp" -le "$deadstamp" ]
- then
- echo "$i" >>"$logtmpfile"
- fi
- done
- fi
- chmod o+r "$logtmpfile"
- mv -f "$logtmpfile" "$yfddos_blackfilePath"
- if ! grep -Po '[0-9]+\.[0-9]+\.[0-9]+\.[0-9]+' "$yfddos_blackfilePath" &>/dev/null
- then
- echo '255.255.255.255 0 0' >> "$yfddos_blackfilePath"
- fi
- logtmpfile=`mktemp`
- stamp=`date +%s`
- cat "$yfddos_accesslogPath" | grep -P ' "/shell/yf" ' >"$logtmpfile"
- if true # every 5 seconds : 5s
- then
- echo -n "analyze_and_insert_black 6 10 5:"`cat /proc/uptime | grep -Po '[0-9\.]+' | head -1`" "
- #analyze yfddos log : analyze_and_insert_black() $1:max frequency(seems as abuse if above that) $2:blackip-ttl $3:the access log ${3} seconds before will be analyzed to generate the abuse ips that we will block
- analyze_and_insert_black "6" "10" "5"
- # 分析在過去5s內訪問的用戶 如果有人其訪問量大于等于6 系統將視其為資源濫用者 遂將其加入服務黑名單 其作用時間為10s 在10s之后 daemon進程自動刪除這個ip黑名單條目
- fi
- if [ "$((counter%(3)))" -eq "0" ] #every 5*3 seconds : 15s
- then
- echo -n "analyze_and_insert_black 14 45 15:"`cat /proc/uptime | grep -Po '[0-9\.]+' | head -1`" "
- # example : analyze_and_insert_black "limit" "ttl" "time"
- analyze_and_insert_black "10" "45" "15"
- fi
- if [ "$((counter%(3*4+1)))" -eq "0" ] #every 5*3*4+5 seconds : 65s
- then
- echo -n "analyze_and_insert_black 40 840 65:"`cat /proc/uptime | grep -Po '[0-9\.]+' | head -1`" "
- # example : analyze_and_insert_black "limit" "ttl" "time"
- analyze_and_insert_black "25" "840" "65"
- fi
- if [ "$((counter%(3*4*3*5+1)))" -eq "0" ] #every 5*3*4*3*5+5 seconds : 905s : 15min
- then
- echo -n "analyze_and_insert_black 150 2700 905:"`cat /proc/uptime | grep -Po '[0-9\.]+' | head -1`" "
- # example : analyze_and_insert_black "limit" "ttl" "time"
- analyze_and_insert_black "150" "2700" "905"
- fi
- if [ "$((counter%(3*4*3*5*4+1)))" -eq "0" ] #every 5*3*4*3*5*4+5 seconds : 3605s : 1h
- then
- echo -n "analyze_and_insert_black 300 7200 3605:"`cat /proc/uptime | grep -Po '[0-9\.]+' | head -1`" "
- # example : analyze_and_insert_black "limit" "ttl" "time"
- analyze_and_insert_black "300" "7200" "3605"
- fi
- if [ "$((counter%(3*4*3*5*4*3+1)))" -eq "0" ] #every 5*3*4*3*5*4*3+5 seconds : 10805s : 3h
- then
- echo -n "analyze_and_insert_black 400 21600 10805:"`cat /proc/uptime | grep -Po '[0-9\.]+' | head -1`" "
- # example : analyze_and_insert_black "limit" "ttl" "time"
- analyze_and_insert_black "400" "21600" "10805"
- #### "${yfddos_accesslogPath}" backup : 在每天的00:01-04:59時間區間內 備份日志一次
- if [ "`date +%H`" -le "5" ] && ! [ -f "${yfddos_accesslogPath}-`date +%Y-%m-%d`" ]
- then
- service httpd stop
- mv "${yfddos_accesslogPath}" "${yfddos_accesslogPath}-`date +%Y-%m-%d`"
- service httpd start
- fi
- fi
- rm -fr "$logtmpfile"
- echo "sleep:"`cat /proc/uptime | grep -Po '[0-9\.]+' | head -1`" "
- done
