基于主機(jī)行為分析的CC攻擊識(shí)別技術(shù)

◆馬云鶯

（福州大學(xué)至誠(chéng)學(xué)院 福建 350001）

基于主機(jī)行為分析的CC攻擊識(shí)別技術(shù)

◆馬云鶯

（福州大學(xué)至誠(chéng)學(xué)院 福建 350001）

CC挑戰(zhàn)黑洞（ChallengeCollapsar）是一種通過代理或僵尸主機(jī)發(fā)起的面向web服務(wù)器的DDoS分布式拒絕攻擊。攻擊者使用相對(duì)少量的并發(fā)請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)耗盡服務(wù)器資源的目的。本文通過分析互聯(lián)網(wǎng)用戶對(duì)web服務(wù)器的瀏覽行為和CC攻擊者的攻擊行為在服務(wù)器訪問行為上的差異，建立URL Hash命中表并且計(jì)算URL的離散度，快速區(qū)分攻擊流量和正常用戶流量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法快速有效地辨別攻擊主機(jī)。

CC攻擊；DDoS攻擊；URL

0 引言

DDoS分布式拒絕攻擊一直是互聯(lián)網(wǎng)上的重要攻擊方式。隨著網(wǎng)絡(luò)防御技術(shù)的發(fā)展，在網(wǎng)絡(luò)層，通過進(jìn)行的各種洪泛攻擊（如TCP SYN Flood、UDP Flood）都能夠被防火墻較輕易地進(jìn)行過濾。而基于應(yīng)用層的DDoS攻擊手段則更加隱蔽，其行為更像一個(gè)正常用戶，過濾難度大，因此也逐漸成為黑客攻擊的主要手段。CC攻擊是針對(duì)web服務(wù)器進(jìn)行的最常見的應(yīng)用DDoS攻擊方式。

1 CC攻擊原理

CC攻擊是針對(duì)網(wǎng)站頁(yè)面進(jìn)行的攻擊。當(dāng)用戶訪問靜態(tài)頁(yè)面的時(shí)候，速度通常很快，因?yàn)殪o態(tài)網(wǎng)頁(yè)訪問不占用系統(tǒng)較多資源。但是如果用戶瀏覽一些規(guī)模較大的論壇，或者進(jìn)行關(guān)鍵字搜索時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)打開頁(yè)面的速度明顯偏慢。當(dāng)高峰期時(shí)，訪問的用戶較多，這種延遲更為明顯。原因就在于，這類動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)通常需要查詢數(shù)據(jù)庫(kù)，當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)較多時(shí)，查詢則需要占用系統(tǒng)大量的資源。

CC攻擊就是利用了這個(gè)特點(diǎn)，通過控制一定數(shù)量的代理和僵尸主機(jī)，不停地訪問那些需要大量查詢操作的頁(yè)面（例如asp/php/jsp/cgi）。該攻擊使用最少量的代價(jià)，使服務(wù)器的資源被耗盡，無(wú)法響應(yīng)正常的用戶請(qǐng)求。相比其他DDoS攻擊，這種攻擊不需要較大流量，攻擊門檻低。

由于防火墻能夠檢測(cè)主機(jī)的并發(fā) TCP連接數(shù)量，超過一定數(shù)量和頻率就會(huì)被認(rèn)定為攻擊。因此CC攻擊者通過將攻擊流量分散到代理和僵尸主機(jī)上，使攻擊不至于被防火墻檢測(cè)到。而從防火墻的角度上觀察，CC攻擊者使用的是真實(shí)的IP地址，能夠完整地進(jìn)行 TCP連接，并且發(fā)出合法的網(wǎng)頁(yè)查詢，而且其并發(fā)連接數(shù)量并不十分突出。其行為與真實(shí)用戶的行為十分類似，因而識(shí)別難度較大。

目前一般防御CC攻擊的方法有限制代理訪問、優(yōu)化服務(wù)器設(shè)計(jì)[1]、分析并發(fā)連接[2]等等。但是這些監(jiān)控手段都過于粗糙，容易導(dǎo)致誤判。而且即使發(fā)現(xiàn)攻擊，也很難將攻擊流從正常用戶中精確地剝離出去。

當(dāng)用戶訪問某個(gè)網(wǎng)頁(yè)時(shí)，瀏覽器和web服務(wù)器首先通過三次握手建立TCP連接；瀏覽器使用POST或者GET方法向服務(wù)器請(qǐng)求獲取頁(yè)面，服務(wù)器根據(jù)該請(qǐng)求中帶有的URL請(qǐng)求執(zhí)行相應(yīng)的操作，并且將頁(yè)面呈現(xiàn)內(nèi)容返回給用戶瀏覽器。

CC攻擊過程與此類似。攻擊軟件和web服務(wù)器建立TCP連接，使用GET或者POST方法向服務(wù)器發(fā)起請(qǐng)求。服務(wù)器解析這個(gè)請(qǐng)求的URL，并且執(zhí)行操作（這里的操作通常是查詢數(shù)據(jù)庫(kù)等非常消耗資源的動(dòng)作），并且將頁(yè)面返回給攻擊程序。攻擊軟件不會(huì)同時(shí)只發(fā)起一次查詢，通常一次會(huì)發(fā)起大量的并發(fā)連接，同時(shí)進(jìn)行并發(fā)查詢。

2 攻擊行為分析

從以上的分析可知，如果我們僅僅從連接的角度去分析主機(jī)行為，很難區(qū)分攻擊行為和普通用戶訪問行為。因此，我們可以從用戶網(wǎng)站的瀏覽行為和攻擊行為進(jìn)行一個(gè)對(duì)比，從而找出其中的差異。

2.1 正常用戶的訪問行為

用戶訪問一個(gè)網(wǎng)站，必定有一個(gè)合理的行為模式。例如需要從網(wǎng)站上獲取知識(shí)，執(zhí)行業(yè)務(wù)。因此一般有一個(gè)"打開頁(yè)面--瀏覽（停留）--執(zhí)行新頁(yè)面請(qǐng)求"的過程。一個(gè)用戶打開一個(gè)網(wǎng)頁(yè)，通常會(huì)等待網(wǎng)頁(yè)傳送完畢，而不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)反復(fù)大量請(qǐng)求同一個(gè)網(wǎng)頁(yè)。

如果將觀察時(shí)間稍微拉長(zhǎng)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)用戶訪問同一個(gè)網(wǎng)站，幾乎不太可能至終只訪問一個(gè)網(wǎng)頁(yè)，而是請(qǐng)求不同的URL，既包括靜態(tài)頁(yè)面也包括動(dòng)態(tài)頁(yè)面。

另外一個(gè)很容易被忽視的重要特點(diǎn)是，由于當(dāng)前網(wǎng)站內(nèi)容的多樣化，打開一個(gè)網(wǎng)頁(yè)時(shí)，絕大部分情況下會(huì)產(chǎn)生不止一個(gè)URL連接。

下面以用戶打開新浪網(wǎng)新聞頁(yè)面為例：

一次打開操作news.sina.com.cn 觸發(fā)了客戶端啟動(dòng)總共542個(gè)URL請(qǐng)求，分散在29臺(tái)不同的服務(wù)器上。部分URL信息如下：

news.sina.com.cn/

news.sina.com.cn/js/792/2012-08-09/41/headnews.js

news.sina.com.cn/css/87/20140926/comment.3.css

news.sina.com.cn/css/87/content2014/common.min.css

news.sina.com.cn/css/87/content2014/style_news.css

i.sso.sina.com.cn/css/outlogin/v1/outlogin_skin_finance.css

i.sso.sina.com.cn/js/ssologin.js

......

2.2 CC攻擊者的行為

而CC攻擊，為了達(dá)到最大的攻擊效果，攻擊者不會(huì)浪費(fèi)寶貴的資源，去訪問無(wú)關(guān)緊要的、并不耗費(fèi)服務(wù)器資源的頁(yè)面，而是將所有的連接集中在耗費(fèi)服務(wù)器資源的查詢上。

使用CC攻擊軟件，捕獲到的URL訪問請(qǐng)求則是這樣的：

針對(duì)服務(wù)器 58.63.236.248，請(qǐng)求 URL 只有一個(gè)：www.sina.com.cn/mid/search.shtml

2.3 行為對(duì)比

因此，根據(jù)大量采樣和分析，我們可以了解到一般用戶和CC攻擊者在訪問網(wǎng)站時(shí)分別具有如下特征：

表1 正常用戶和CC攻擊者的行為特征對(duì)比

3 URL離散度

從上文分析，我們可以通過分析用戶在一段時(shí)間內(nèi)，是集中還是分散訪問網(wǎng)站的頁(yè)面，即可了解其行為是否合理。本文采用如下分析方法：

（1）提取用戶訪問服務(wù)器的URL，計(jì)算其Hash值。通過對(duì)Hash值取模的方式，將其映射到0~7的數(shù)字范圍內(nèi)。

（2）統(tǒng)計(jì)這些0~7范圍內(nèi)數(shù)字的命中率。

（3）根據(jù)以上命中率，通過標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算URL的離散度。

三是內(nèi)容監(jiān)管與評(píng)價(jià)領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新。隨著內(nèi)容生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量增長(zhǎng)，內(nèi)容監(jiān)管和績(jī)效評(píng)價(jià)成為管理部門面臨的課題。重報(bào)大數(shù)據(jù)研究院聯(lián)合技術(shù)公司，構(gòu)建重慶媒體大數(shù)據(jù)平臺(tái)，對(duì)內(nèi)容生產(chǎn)、流向和應(yīng)用等進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，目前基本框架和數(shù)據(jù)交換模式已經(jīng)研制完成，可望在2018年投入應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)全域數(shù)字內(nèi)容導(dǎo)向、成效可視化。

如用戶一次訪問服務(wù)器，瀏覽器發(fā)出了如下7個(gè)URL請(qǐng)求，得到了Hash值，并且映射到0~7的值域上（將Hash mod 8得到），如下表所示：

表2 URL到0~7的值域映射舉例

統(tǒng)計(jì)URL轉(zhuǎn)Hash值后映射0~7值域的命中統(tǒng)計(jì)，如下：

圖1 正常用戶URL Hash命中統(tǒng)計(jì)

采用標(biāo)準(zhǔn)差公式計(jì)算以上序列的標(biāo)準(zhǔn)差：

得到上述數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差：S=0.83

對(duì)比捕獲的CC攻擊者針對(duì)服務(wù)器（58.63.236.248）1分鐘內(nèi)數(shù)據(jù)：

URL：www.sina.com.cn/mid/search.shtml

統(tǒng)計(jì)0~7值域的命中率，如下：

圖2 CC攻擊者URL Hash命中統(tǒng)計(jì)

計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)差：S=33.0，是上一組對(duì)比數(shù)據(jù)（正常用戶）大約40倍。

在本文中采用URL Hash值命中數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表達(dá)該用戶訪問URL的離散度。

在此例中，攻擊者每分鐘發(fā)出100個(gè)URL請(qǐng)求，每秒不超過2個(gè)，顯然此攻擊者的攻擊速度并不快。但是從以上數(shù)據(jù)可以看出，攻擊者的URL離散度要遠(yuǎn)高于正常用戶訪問的值。

4 實(shí)驗(yàn)

4.1 數(shù)據(jù)源

通過網(wǎng)站防火墻出口流量進(jìn)行鏡像，將流量旁路到服務(wù)器進(jìn)行分析采集得到數(shù)據(jù)。

4.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)環(huán)境為win7操作系統(tǒng)、2G內(nèi)存、測(cè)試程序。

4.3 實(shí)驗(yàn)方法

跟蹤所有往來(lái)報(bào)文建立主機(jī)表。跟蹤所有主機(jī)的完整會(huì)話，以1分鐘為單位，觀察所有主機(jī)對(duì)服務(wù)器的訪問。在每一個(gè)主機(jī)對(duì)象中記錄1分鐘內(nèi)所有訪問的URL以及其離散度。同時(shí)與CC攻擊者數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以下是針對(duì)1分鐘內(nèi)，200組正常用戶訪問網(wǎng)站的URL離散度對(duì)比。從下圖可以看出，離散度不超過4，絕大部分集中在0~1的區(qū)間內(nèi)。而使用攻擊軟件，發(fā)出每秒100個(gè)連接，則離散度達(dá)到33，形成明顯差異。

圖3 200組正常用戶1分鐘范圍URL離散度

因此，通過此實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，通過計(jì)算1分鐘URL離散度，可以快速且明顯地區(qū)分出哪些主機(jī)對(duì)網(wǎng)站實(shí)施了CC攻擊。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了CC攻擊和一般用戶訪問網(wǎng)站的行為差異，通過對(duì)短時(shí)間用戶訪問網(wǎng)站 URL的離散度進(jìn)行計(jì)算，能夠識(shí)別 CC攻擊者。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法能夠非常明顯地將正常用戶和攻擊者區(qū)分開來(lái)，具有良好的識(shí)別效果。

[1]陳仲華, 張連營(yíng), 王孝明.CC攻擊檢測(cè)方法研究[J].電信科學(xué), 2009.

[2]Shuo L I, Zhang Q. Protection System of CC Attack based on Honeypot[J].Information Security & Communications Privacy, 2015.

[3]池水明, 周蘇杭.DDoS攻擊防御技術(shù)研究[J].信息網(wǎng)絡(luò)安全, 2012.

[4]Chuntao X, Xuehui D, Lifeng C, et al. An Algorithm of Detecting and Defending CC Attack in Real Time[C]// International Conference on Industrial Control and Electronics Engineering. IEEE, 2012.

[5]ZHANG Xuan. Research of DDoS attack detect and defend technology on Application-Lay, Beijing: Beijing University of Posts and Telecommunications, 2009.