Triển khai các hệ thống d-Ward theo mô hình mạng các node hàng xóm

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Phạm Đức Duy TRIỂN KHAI CÁC HỆ THỐNG D-WARD THEO MÔ HÌNH MẠNG CÁC NODE HÀNG XÓM KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Mạng và truyền thông máy tính i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành khóa luận này, trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy Đoàn Minh Phương. Thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, và tạo điều kiện rất tốt cho em trong suốt quá trình làm khóa luận. Đồng thời em xin cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong Trường Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã truyền đạt cho em nhiều kiến thức bổ ích trong suốt thời gian học tập tại trường. Cuối cùng, em xin cảm ơn tất cả bạn bè, gia đình và người thân đã giúp đỡ, động viên em rất nhiều để em có thể hoàn thành tốt khóa luận. Hà Nội, ngày 21 tháng 5 năm 2010 Sinh viên Phạm Đức Duy ii TÓM TẮT NỘI DUNG Các cuộc tấn công tấn công từ chối dịch vụ (DDoS) gây ra một đe dọa rất lớn tới mạng Internet. Chúng lấy sức mạnh của một lượng lớn các máy được kết nối vào mạng Internet để tiêu thụ một vài tài nguyên tại máy nạn nhân và từ chối dịch vụ tới các máy khách hợp lệ, vì chúng thường gây ra sự tắc nghẽn mạng trên đường từ nguồn đến đích, do vậy làm giảm sự hoạt động của mạng Internet. Chính vì vậy nảy sinh việc xây dựng các hệ thống phòng thủ DdoS để phát hiện và ngăn chặn các cuộc tấn công DDoS. Hệ thống D-WARD được biết đến một hệ thống phòng thủ DdoS source-end rất hiệu quả, nhưng hệ thống D-WARD có nhược điểm là chỉ phát hiện và ngăn chặn được các cuộc tấn công đi ra từ mạng nguồn mà D-WARD được triển khai. Bởi vậy, việc triển khai các hệ thống D-WARD theo mô hình mạng các node hàng xóm với mục đích để cho các hệ thống D-WARD trong mạng trao đổi thông tin với nhau, nhằm tăng hiệu quả của việc phát hiện và ngăn chặn các cuộc tấn công DdoS. Luận văn đã cài đặt và kiểm chứng hiệu quả của việc triển khai các hệ thống D- WARD theo mô hình mạng các node hàng xóm đồng thời đưa ra một cải tiến đối với việc triển khai để nâng cao hiệu quả của việc ngăn chặn các cuộc tấn công DDoS. iii MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU........................................................................................................1 Chương 1. Giới thiệu ...........................................................................................2 1.1. Giới thiệu.................................................................................................2 1.2. Sơ lược về từ chối dịch vụ và từ chối dịch vụ phân tán ..........................2 1.2.1. Sơ lược về từ chối dịch vụ (DoS).....................................................2 1.2.2. Sơ lược về từ chối dịch vụ phân tán (DDoS) ...................................3 1.3. Sơ lược về sự phòng thủ DDoS ...............................................................4 1.3.1. Các thách thức phòng thủ DDoS......................................................4 1.3.1.1. Các thách thức kỹ thuật .............................................................4 1.3.1.2. Các thách thức xã hội ................................................................4 1.3.2. Mục đích của phòng thủ DDoS ........................................................4 1.3.3. Các giải pháp phòng thủ ...................................................................5 1.3.4. Các điểm phòng thủ..........................................................................5 1.3.4.1. Phòng thủ tự trị..........................................................................5 1.3.4.2. Phòng thủ phân tán....................................................................9 1.4. D-WARD được đặt ở đâu? ......................................................................9 Tổng kết ........................................................................................................10 Chương 2. D-WARD...........................................................................................11 2.1. Sơ lược về D-WARD..............................................................................11 2.2. Các thuật ngữ ........................................................................................11 2.3. Dấu hiệu tấn công .................................................................................12 2.4. Kiến trúc ................................................................................................13 2.5. Thành phần theo dõi..............................................................................14 2.5.1. Các đặc điểm và sự phân loại luồng...............................................15 2.5.2 Các đặc điểm kết nối và sự phân loại kết nối..................................17 2.5.3. Phân loại gói tin đầu tiên................................................................22 2.6. Thành phần giới hạn .............................................................................25 2.6.1. Giảm theo luật số mũ......................................................................26 2.6.2 Tăng tuyến tính................................................................................26 iv 2.6.3 Tăng theo hàm số mũ ......................................................................27 2.7. Thành phần quản lý truyền thông .........................................................28 Ưu điểm của D-WARD .................................................................................28 Nhược điểm của D-WARD ...........................................................................28 Tổng kết ........................................................................................................29 Chương 3. Cơ sở lý thuyết của kiến trúc triển khai và mở rộng D-WARD..30 D-WARD 1.0.................................................................................................30 D-WARD 2.0.................................................................................................30 D-WARD 3.0.................................................................................................32 D-WARD 3.1.................................................................................................32 3.1. Kiến trúc thực thi của D-WARD 3.1......................................................33 3.2. Thành phần theo dõi..............................................................................33 3.2.1. Bảng băm luồng..............................................................................33 3.2.2 Bảng băm kết nối.............................................................................35 3.2.3 Thu thập thông tin gói tin ................................................................36 3.2.4 Phân loại luồng và kết nối ...............................................................36 3.3 Thành phần giới hạn ..............................................................................38 3.4 Thành phần quản lý truyền thông ..........................................................38 3.4.1 Tiến trình quản lý truyền thông.......................................................39 3.4.2 Các mẫu máy ...................................................................................39 3.5 Bắt truyền thông(traffic-sniffing) ...........................................................40 3.6 Triển khai các hệ thống D-WARD trên mạng các node hàng xóm ........40 Tổng kết ........................................................................................................42 Chương 4. Cài đặt và kết quả thu được............................................................43 4.1. Cài đặt thực nghiệm ..............................................................................43 4.1.1. Mô hình thực thi .............................................................................43 4.1.2. Biên dịch và chạy D-WARD..........................................................43 4.2 Kết quả ...................................................................................................45 v 4.3 Đánh giá về việc triển khai mở rộng......................................................46 Tổng kết ........................................................................................................47 Chương 5 Kết luận..............................................................................................48 TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................49  vi BẢNG TỪ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt Từ hoặc cụm từ 1 DoS Denial-of-Service (từ chối dịch vụ phân tán) 2 DDoS Distributed Denial-of-Service (từ chối dịch vụ phân tán) 3 DNS Domain Name Service (Dịch vụ tên miền) 4 D-WARD DDoS Network Attack Recognition and Defense (Phòng thủ và nhận diện tấn công mạng DDoS) 6 HTTP Hypetext Transfer Protocol (giao thức truyền siêu văn bản) 9 ICMP Internet Control Message Protocol (Giao thức thông điệp điều khiển Internet) 10 IP Internet Protol (giao thức mạng) 11 NTP Network Time Protocol (Giao thức thời gian mạng) 12 TCP Transmission Control Protocol (Giao thức điều khiển truyền vận) 13 UDP User Datagram Protocol 14 VoIP Voice over Internet Protocol (truyền giọng nói qua giao thức mạng) vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1. Trường hợp tấn công từ chối dịch vụ - DoS..............................................2 Hình 2. Trường hợp tấn công từ chối dịch vụ phân tán – DdoS.............................3 Hình 3. Các điểm phòng thủ ...................................................................................6 Hình 4. phòng thủ Victim-End ...............................................................................7 Hình 5. Phòng thủ mạng trung gian........................................................................8 Hình 6. Phòng thủ source-end ................................................................................9 Hình 7: Luồng và kết nối ......................................................................................12 Hình 8. Kiến trúc D-WARD.................................................................................14 Hình 9: Máy trạng thái hữu hạn DNS...................................................................19 Hình 10: Máy trạng thái hữu hạn NTP .................................................................20 Hình 11: Máy trạng thái hữu hạn luồng dữ liệu ...................................................22 Hình 12: Một kết nối TCP mới được khởi tạo trong cuộc tấn công.....................23 Hình 13: Các giá trị giới hạn và sự phân loại cho một luồng mẫu .......................27 Hình 14. Kiến trúc thực thi của D-WARD 3.1 .....................................................33 Hình 15. Bảng bản ghi luồng................................................................................34 Hình 16. Bản ghi bảng băm luồng giới hạn..........................................................38 Hình 17. Mô hình mạng và bảng địa chỉ hàng xóm .............................................42 Hình 18. Mô hình thực thi ....................................................................................43 Hình 19: File debug/class.txt ................................................................................45 Hình 20: File rlstats.txt .........................................................................................45 Hình 21:File conn.txt ............................................................................................46 1 LỜI MỞ ĐẦU Các cuộc tấn công từ chối dịch vụ phân tán (DDoS) là một vấn đề nghiêm trọng và thách thức tới mạng Internet. Việc này yêu cầu ít nỗ lực ở phía kẻ tấn công, vì một lượng lớn các máy móc tham gia vào cuộc tấn công, và các công cụ cũng như các mã kịch bản tự động cho việc khai thác và tấn công có thể dễ dàng được tải về từ mạng và triển khai. Nói cách khác, việc ngăn chặn tấn công là vô cùng khó khăn do một lượng lớn máy móc tham gia tấn công, việc sử dụng lừa đảo địa chỉ nguồn và sự giống nhau giữa truyền thông hợp lệ và tấn công. Nhiều hệ thống phòng thủ được thiết kế trong các viện nghiên cứu và các hiệp hội thương mại để chống lại các cuộc tấn công DDoS, nhưng vấn đề vẫn hầu như chưa được giải quyết. Luận văn này sẽ giới thiệu hệ thống phòng thủ DDoS source-end được gọi là D-WARD và sự triển khai các hệ thống D-WARD theo mô hình mạng các node hàng xóm. D-WARD ngăn chặn các cuộc tấn công đi ra từ các mạng được triển khai. Sự phòng thủ source-end không là giải pháp hoàn toàn với các cuộc tấn công DDoS, vì các mạng không được triển khai vẫn thực hiện các cuộc tấn công thành công, nhưng D-WARD có thể tìm ra và ngăn chặn đáng kể các cuộc tấn công DdoS khi nó được cài đặt. Nhược điểm của hệ thống D-WARD là các hệ thống D-WARD không liên lạc được với nhau. Và trong luận văn này sẽ thảo luận về việc triển khai các hệ thống D-WARD theo mô hình mạng các node hàng xóm. Khóa luận gồm có 4 chương. Chương 1: Giới thiệu sơ lược về tấn công từ chối dịch vụ(DoS) và tấn công từ chối dịch vụ phân tán(DDoS), đồng thời cũng giới thiệu về phòng thủ DDoS: các thách thức phòng thủ, mục đích phòng thủ, giải pháp, điểm phòng thủ và phòng thủ phân tán. Chương 2: Khóa luận giới thiệu về D-WARD: kiến trúc, các thành phần của D- WARD và sự triển khai các thành phần đó. Chương 3: Khóa luận đề cập đến việc mở rộng D-WARD: giới thiệu các phiên bản của D-WARD, sự triển khai trên mạng các node hàng xóm. Chương 4: Cài đặt và kết quả đạt được khi triển khai trên mạng các node hàng xóm. Chương 5: Phần kết luận. 2 Chương 1. Giới thiệu 1.1. Giới thiệu Hệ thống phòng thủ DDoS là một lĩnh vực nghiên cứu rất được quan tâm nhưng cũng rất phức tạp. Sự thực thi một hệ thống phòng thủ liên quan đến nhiều vấn đề khác nhau. Chương này của khóa luận sẽ chỉ ra kiến thức cơ bản mà liên quan đến phòng thủ DDoS. Đầu tiên, khóa luận sẽ thảo luận về từ chối dịch vụ và rồi luận văn đề cập tới từ chối dịch vụ phân tán. Cuối cùng, luận văn sẽ nói về sự phòng thủ DDoS. 1.2. Sơ lược về từ chối dịch vụ và từ chối dịch vụ phân tán 1.2.1. Sơ lược về từ chối dịch vụ (DoS) Các cuộc tấn công từ chối dịch vụ (DoS) dùng một lượng lớn các gói tin để làm gián đoạn việc phục vụ của máy nạn nhân với các máy khách hợp lệ. Máy nạn nhân thường là một máy chủ phục vụ, sẽ phải dùng nhiều thời gian và hầu hết các tài nguyên để xử lý các yêu cầu DoS,được chỉ rõ trong hình 1. Như một kết quả, các máy khách thực sự của máy nạn nhân sẽ khó khăn trong việc truy cập hay không thể truy cập tới các dịch vụ của máy nạn nhân. Ngoài ra, ngay cả khi máy nạn nhân thực thi thành công sau cuộc tấn công, các người dùng thường chọn các nhà cung cấp dịch vụ khác vì sự quấy rối trước đó. Hiệu ứng này có thể thấy được trong vài trang mà hỗ trợ các giao dịch thời gian thực như mua vé tàu, chuyển khoản hay mua cố phiếu. Vì những nguyên nhân này, các máy nạn nhân sẽ mất sự tin tưởng của khách hàng và giảm lợi nhuận sau các cuộc tấn công DoS. Hình 1. Trường hợp tấn công từ chối dịch vụ - DoS 3 1.2.2. Sơ lược về từ chối dịch vụ phân tán (DDoS) Các cuộc tấn công từ chối dịch vụ phân tán đơn giản là các cuộc tấn công từ chối dịch vụ nhưng được thực hiện từ nhiều máy móc bị phá hoại (agent). Mỗi khi kẻ tấn công có thể điều khiển các agent, tất cả các máy mọc được tiến hành đồng thời và bắt đầu phát sinh lượng lớn gói tin có thể tới máy nạn nhân, được chỉ rõ trong hình 2. Lượng agent càng lớn,các tài nguyên của máy nạn nhân càng nhanh cạn kiệt và quá tải. Bởi vậy, để thiết kế một hệ thống phòng thủ tốt, chúng ta phải hoàn toàn hiểu về các đặc điểm của cuộc tấn công DDoS. Đầu tiên, các agent luôn sử dụng việc lừa đảo địa chỉ IP nguồn trong các cuộc tấn công DDoS. Kẻ tấn công giả mạo thông tin trong trường địa chỉ IP nguồn trong các tiêu đề gói tin tấn công. Do vậy, thật khó cho các máy nạn nhân nếu chúng muốn lần vết các máy agent. Bên cạnh đó, việc ẩn địa chỉ của các máy agent cho phép kẻ tấn công sử dụng lại chúng cho các cuộc tấn công trong tương lai. Vì vậy, bất kỳ loại truyền thông nào cũng có thể được sử dụng để thực hiện một cuộc tấn công từ chối dịch vụ thành công. Kẻ tấn công nhắm tới phát sinh các gói tin giống như hợp lệ để thực hiện cuộc tấn công, nên việc phân loại giữa truyền thông hợp lệ và truyền thông tấn công yêu cầu xây dựng các bảng dữ liệu thống kê để rút ra ngữ nghĩa phiên giao dịch. Hình 2. Trường hợp tấn công từ chối dịch vụ phân tán – DdoS 4 1.3. Sơ lược về sự phòng thủ DDoS 1.3.1. Các thách thức phòng thủ DDoS Các thách thức cho việc thiết kế các hệ phòng thủ DDoS chia thành hai loại: các thách thức kỹ thuật và các thách thức xã hội. Các thách thức kỹ thuật bao quanh các vấn đề liên quan tới các giao thức Internet hiện tại và các đặc điểm của DDoS. Các thách thức xã hội, nói theo cách khác, hầu như liên quan tới cách mà một giải pháp kỹ thuật thành công sẽ được giới thiệu tới người dùng Internet, và được chấp nhận và được triển khai diện rộng bởi những người dùng này. 1.3.1.1. Các thách thức kỹ thuật Bản chất phân tán của các cuộc tấn công DDoS và dung các mẫu truyền thông hợp lệ và sự lừa đảo IP tương ứng với các thách thức kỹ thuật chính để thiết kế các hệ thống phòng thủ DDoS hiệu quả. Danh sách dưới đây tổng hợp các thách thức kỹ thuật cho phòng thủ DDoS: • Cần thiết cho một sự đáp trả phân tán tại nhiều điểm trong mạng Internet. • Sự thiếu thông tin tấn công chi tiết. • Sự thiếu các tiêu chuẩn cho hệ thống phòng thủ. • Sự khó khăn trong kiểm thử ở mức lớn. 1.3.1.2. Các thách thức xã hội Nhiều hệ thống phòng thủ DdoS yêu cầu các kiểu triển khai nào đó để thu được hiệu quả. Các kiểu này chia thành các loại sau: • Triển khai hoàn toàn. • Triển khai kề nhau. • Triển khai mức lớn, diện rộng. • Triển khai hoàn toàn tại các vị trí xác định trong mạng Internet. • Sự điều chỉnh của các giao thức Internet được triển khai diện rộng, như TCP, UDP hay HTTP. • Tất cả các máy khách (hợp lệ) của phòng thủ triển khai mục tiêu được bảo vệ. 1.3.2. Mục đích của phòng thủ DDoS 5 Mục đích chính của phòng thủ DDoS là cung cấp dịch vụ tốt tới các máy khách hợp lệ của máy nạn nhân trong cuộc tấn công, vì vậy hủy bỏ hiệu ứng từ chối dịch vụ. Múc đích thứ hai là làm giảm bớt hiệu ứng của cuộc tấn công tới máy nạn nhân vì thế các tài nguyên của nó có thể dành cho các máy khách hợp lệ hay được giữ gìn. Cuối cùng, thuộc tính tấn công sẽ như một cản trở lớn tới các sự cố DDoS, vì vậy các kẻ tấn công có thể đối mặt với rủi ro phát hiện và trừng phạt. 1.3.3. Các giải pháp phòng thủ Các giải pháp phòng thủ DDoS có thể được chia thành ba loại: các giải pháp ngăn ngừa, giải pháp chọn lọc tự nhiên và giải pháp đáp lại. Các giải pháp ngăn ngừa: Giới thiệu sự thay đổi trong các giao thức Internet,các chương trình và các host, để vá các tổn thương đang tồn tại và giảm sự xâm nhập và lợi dụng. Mục đích của chúng ngăn chặn các cuộc tấn công vào tổn thương, và cản trở các cố gắng của kẻ tấn công để đạt được một lực lượng agent lớn. Các giải pháp chọn lọc tự nhiên: Mở rộng các tài nguyên của máy nạn nhân, cho phép nó phục vụ cả các yêu cầu hợp lệ và có ác ý trong cuộc tấn công, vì vậy hủy bỏ hiệu ứng từ chối dịch vụ. Sự mở rộng này đạt được một cách tĩnh – bằng việc mua thêm các tài nguyên, hay tự động – bằng cách kiếm được các tài nguyên từ việc nhường cho một bộ máy chủ công cộng phân tán và tái tạo lại dịch vụ mục tiêu. Hiệu quả của các giải pháp chọn lọc tự nhiên giới hạn trong các trường hợp các tài nguyên được mở rộng lớn hơn lượng tấn công, nhưng kẻ tấn công có thể dễ dàng thu thập hàng trăm, hàng ngàn máy agent, do vậy các giải pháp chọn lọc tự nhiên hầu như không cung cấp một giải pháp hoàn toàn cho vấn đề DDoS. Các giải pháp đáp lại: Phát hiện sự xảy ra tấn công và đáp lại nó(“chiến đấu lại”) bằng điều khiển các luồng tấn công, hay có gắng định vị các máy agent và gọi ra