趙 隴，王志勃，章萬靜

(1.江蘇省電子產(chǎn)品裝備與制造中心，江蘇 淮安 223003；2.淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223003)

0 引 言

針對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的DDoS攻擊是一種新型的網(wǎng)絡(luò)攻擊，越來越多的攻擊目標是廣播系統(tǒng)、金融系統(tǒng)以及全球性的基于互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)。由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的小型化，它們很容易受到攻擊，同時，這些攻擊會偽造物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的源IP[1]。打印機、掃描儀、基于IP的閉路電視系統(tǒng)、無線路由器、IP攝像頭等，這些都是一個智能家居網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分，簡單服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議(SSDP)被許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備所使用[2]，而很多針對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的DDoS攻擊正是利用SSDP漏洞發(fā)起的，特別是SSDP放大攻擊很難應(yīng)對，因此，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備IP追蹤技術(shù)非常重要[3-4]。

當(dāng)前，DDoS攻擊領(lǐng)域的源IP追蹤技術(shù)有很多，文中提出了一種新的檢測源偽造IP的方法。該方法旨在同時保護多個目標免受DDoS攻擊[5]。通過建立一個參考表，存儲網(wǎng)絡(luò)中正常的TTL跳數(shù)，通過和異常流量的跳數(shù)比較，可以快速檢測出偽造IP[6]。

1 方案描述

對進入DDoS安全區(qū)正常流量的可靠TCP數(shù)據(jù)包進行檢測的示意圖見圖1。從這些TCP數(shù)據(jù)包中，檢測出源操作系統(tǒng)(OS)簽名和TTL跳數(shù)，并將這些用于網(wǎng)絡(luò)參考表中。當(dāng)發(fā)生DDoS攻擊時，DDoS安全區(qū)檢測來自攻擊流量的TCP數(shù)據(jù)包，比較有關(guān)操作系統(tǒng)和跳數(shù)信息，并進行統(tǒng)計分析以確定是否是偽造的，當(dāng)發(fā)現(xiàn)偽造IP，就可以迅速阻止相關(guān)的IP流量。

圖1 偽造IP檢測示意

1.1 檢測OS簽名和TTL跳數(shù)的方法

IP包每經(jīng)過一個路由器，TTL值都減1，由源TTL值減去目標TTL值，就可以得到總跳數(shù)。所以應(yīng)對各種操作系統(tǒng)和通信協(xié)議進行分析，收集其初始TTL值，計算出總跳數(shù)[7]。表1列出了各種操作系統(tǒng)的初始TTL值。

表1 操作系統(tǒng)的初始TTL值

為了創(chuàng)建參考表，必須從DDoS安全區(qū)的流量中檢測源操作系統(tǒng)類型。這可以從TCP/IP分組收集的OS簽名信息來檢測。OS簽名信息可以從TCP-SYN、TCP-SYN/ACK或TCP-RST數(shù)據(jù)包中獲得[8]。

以下內(nèi)容顯示了從TCP-SYN數(shù)據(jù)包中截取的信息，用以檢測OS簽名和TTL跳數(shù)[9]。

·Initial packet size:16 bits

·Initial TTL:8 bits

·Windows size:16 bits

·MSS(maximum segment size):8 bits

·“DF(do not fragment)” flag:1 bit

·“SackOS” flag:1 bit

·“nop” flag:1 bit

CAIDA是一家提供互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享服務(wù)的機構(gòu)，參考其提供的Traceroute網(wǎng)關(guān)因特網(wǎng)跳數(shù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，就可以估計出全球范圍內(nèi)的正常跳數(shù)。TTL值隨著TCP數(shù)據(jù)包發(fā)送到目的地而減小，并且正常的因特網(wǎng)路徑信息也可用于檢測異常跳數(shù)[10-11]。

如圖2所示，正常Internet路徑中的最大跳數(shù)平均不超過30跳[12]。因此，當(dāng)目的端的TTL值為114，初始TTL值必定在114+30以內(nèi)。例如，初始TTL值為128，目的TTL值為114，報文的總跳數(shù)就為128-114=14。然后將扣除的跳數(shù)與參考表進行比較，如果偏離了相關(guān)網(wǎng)絡(luò)平均跳數(shù)的容限范圍，那么這個報文就被證實為偽造的。

圖2 基于路由網(wǎng)關(guān)的Internet跳數(shù)統(tǒng)計

1.2 建立跳數(shù)參考表

為了準確確定TTL值，必須要知道IP分組的操作系統(tǒng)，并且利用參考表來檢查操作系統(tǒng)信息。該技術(shù)將IP帶寬中的平均跳數(shù)與跳數(shù)參考表進行比較，從是否偏離了平均值來判斷該流量是否為偽造的。此時，需收集非欺騙IP跳數(shù)信息來創(chuàng)建參考表。在單一的網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不易改變，從AS邊界路由器到終端設(shè)備的跳數(shù)似乎呈現(xiàn)一種正態(tài)分布。因此，在一定規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)中對構(gòu)成的IP樣本群進行統(tǒng)計預(yù)測是有可能的，網(wǎng)絡(luò)分類標準將它們分類為IP所屬的B類、C類和AS網(wǎng)絡(luò)。DDOS安全區(qū)與相關(guān)網(wǎng)絡(luò)之間的距離表示為網(wǎng)絡(luò)組的平均跳數(shù)和平均標準偏差。

(1)

(2)

提取非偽造的IP以建立參考表，并識別具有正常TCP連接的SYN分組。從收集的分組中提取操作系統(tǒng)信息，并從TTL中提取跳數(shù)以構(gòu)建最終參考表。為了確保完整性，只提取了通過三次握手完成的TCP連接。開源Bro[13]分析工具用于檢測TCP會話，并且使用TCP會話的歷史信息用于驗證TCP會話是否正常進行。

圖3 使用P0f的OS指紋識別

圖4 IP網(wǎng)絡(luò)到C類的轉(zhuǎn)換

1.3 網(wǎng)絡(luò)帶寬分類

AS是由一個或多個網(wǎng)絡(luò)運營商運營的一組IP網(wǎng)絡(luò)，具有單一且明確定義的外部路由策略。外部路由協(xié)議用于在自治系統(tǒng)之間交換路由信息。如果網(wǎng)絡(luò)連接到具有不同路由策略的多個AS時，則需要創(chuàng)建AS。僅當(dāng)AS與公共Internet上的其他自治系統(tǒng)交換路由信息時，才需要公共AS號。AS號是分配給網(wǎng)絡(luò)的因特網(wǎng)上的固有編號，使用相同的路由策略，其中C類網(wǎng)絡(luò)最小分配單元為256(28)。C類分類方法所建參考表受限于參考表過大，可以將它歸類為B類，以減小參考表，但隨之帶來的問題就是信息精度的降低。

APNIC在亞太地區(qū)分配IP和AS號，AS號一般由ISP運營。使用單個AS號分類的優(yōu)點是它被分類為獨立組成網(wǎng)絡(luò)的最小單元，盡管它比C類網(wǎng)絡(luò)更大，但是因為它具有獨立的網(wǎng)絡(luò)路由策略，所以其信息精度更高。

1.4 檢測偽造IP的方法

檢測偽造IP的步驟如下：

步驟1：構(gòu)造一個表，存儲從CAIDA得到的正常跳數(shù)Ts；

步驟2：檢查來自正常流量的TCP-SYN數(shù)據(jù)包的OS簽名；

步驟3：從TCP-SYN數(shù)據(jù)包中獲取最終的TTL跳數(shù)(Tf)；

步驟4：從TCP-SYN數(shù)據(jù)包中推斷初始TTL跳數(shù)(Ti)；

步驟5：計算跳數(shù)：Hc=Ti-Tf;

步驟6：比較Hc和Ts。如果Hc大于Ts，那么它必然是偽造IP地址；

步驟7：如果IP地址是偽造的，則該分組必定被系統(tǒng)阻塞。

2 實驗結(jié)果及分析

為了建立參考表，從DDoS安全區(qū)收集了針對WEB服務(wù)的10次攻擊共1 490個日志文件，分析其10 TB的數(shù)據(jù)。表2顯示了從DDoS安全區(qū)收集的DDoS攻擊流量中的非欺騙IP的結(jié)果。在總共10個攻擊案例中，在刪除重復(fù)的IP之后，共提取了849 391個非欺騙IP。這個值約占分配給中國的大約3.3億個IP的0.25%。

表2 從DDoS攻擊案例中提取的非欺騙IP

C類參考表應(yīng)盡可能多地表示網(wǎng)絡(luò)帶寬。10 TB流量日志的10個攻擊案例中，檢測到的非欺騙IP僅占分配給中國IP總量的0.25%。當(dāng)使用B類和C類對網(wǎng)絡(luò)進行分類時，也會有局限性，可以使用AS網(wǎng)絡(luò)單元的分類技術(shù)進行測試以彌補這種缺點。

從收集的IP中提取和分類AS信息，以檢查分配給中國的AS數(shù)量，來驗證AS分類參考表的合理性。APNIC分配給中國的IP數(shù)量大約3.3億，AS數(shù)量大約13萬[15]。通過AS對來自DDoS安全區(qū)日志中的84萬個非欺騙IP進行的分析顯示，它們大約分屬于11萬個AS網(wǎng)絡(luò)。

分析偽造IP工具分為三種狀態(tài)：欺騙，非欺騙和未知。未知狀態(tài)是當(dāng)源IP難以區(qū)分時的狀態(tài)；非欺騙狀態(tài)是處于跳數(shù)參考表允許范圍內(nèi)的狀態(tài)，這被認為是非欺騙IP；欺騙狀態(tài)是指它偏離了跳數(shù)參考表允許范圍，這被認為是欺騙IP。圖5顯示了使用參考表對WEB服務(wù)攻擊案例檢測的結(jié)果，在WEB攻擊的案例1中，發(fā)現(xiàn)IP欺騙率約為總流量的2%，這些IP在源端即被偽造，1%無法識別，其余97%未涉及欺騙。

圖5 針對WEB服務(wù)的偽造IP檢測結(jié)果

如圖6所示，攻擊案例的跳數(shù)平均距離遵循正態(tài)分布，而大多數(shù)情況落在97%以內(nèi)，這與參考表值的平均跳數(shù)±5跳有關(guān)。

圖6 基于AS的偽造IP檢測結(jié)果

在這個實驗中，發(fā)現(xiàn)大約900 000個DDoS攻擊的案件中有18 000個案例在源端被偽造，大約占2%。1%的案例(90 000個)，無法識別是否偽造，其余97%未涉及欺騙IP。通過使用跳數(shù)和參考表在檢測之后過濾IP，可以快速檢測出DDoS攻擊并減輕DDoS攻擊。

3 結(jié)束語

文中提出了使用DDoS安全區(qū)快速檢測偽造IP的方法。為了對提出的方案進行驗證，收集并分析了來自10次攻擊的DDoS日志。檢查DDoS安全區(qū)的正常源IP平均跳數(shù)來構(gòu)建參考表，并在DDoS攻擊的情況下，從TTL提取跳數(shù)并與參考表進行比較以驗證其真?zhèn)?。通過實驗證明了所提出方案對檢測偽造IP的有效性。