0x00 系統效果

---

此DDOS應用層防禦系統已經部署在了http://www.yfdc.org網站上(如果訪問失敗,請直接訪問位於國內的伺服器http://121.42.45.55進行線上測試)。

此防禦系統位於應用層，可以有效防止非法使用者對伺服器資源的濫用:

只要是傳送高頻率地、應用層請求以實現大量消耗系統資源的攻擊方式，皆可有效防禦。

其實現的基本思想是:

定期分析所有訪問使用者在過去各個時間段內的請求頻率，將頻率高於指定閾值的使用者判定為資源濫用者，將其封殺一段時間，時效過後，防禦系統自動將其解封。

線上效果測試:

進入http://www.yfdc.org -> 點選右上側線上查詢，此時將會進入/shell/yf域內，/shell/yf是一個用bash scripts寫的動態web-cgi程式，使用者每一次提交資訊，此程式將會執行一些伺服器端的查詢操作，然後將資料處理後返回到客戶端。

為了防止非法使用者高頻率地訪問這個程式，而影響到其他正常使用者的訪問，故需要進行一些保護措施。

最終效果:

被封資訊頁面

在/shell/yf域內，按住F5不放，一直重新整理，幾秒後鬆開，就能看到被封資訊和解封時間。
只要某個使用者對/shell/yf的訪問超過了正常的頻率，服務將會對這個使用者關閉一段時間，期滿後自動解封。

0x01 系統原理

---

作業系統: CentOS 6.5 x86_64 開發語言: Bash Shell Scripts Web伺服器: Apache Httpd

(此圖為系統結構的鳥瞰圖 可存至本地後放大檢視)

2.1 自定義日誌:/etc/httpd/logs/yfddos_log

---

(自定義日誌檔案的格式)

在httpd.conf的日誌引數中，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誌檔案/etc/httpd/logs/yfddos_log.

LogFormat "%a \"%U\" %{local}p %D %{%s}t " yfddos

解釋:

%a -> 使用者的IP
%U -> 請求的URL地址，但並不包含query string（The URL path requested, not including any query string.）
%{local}p -> 使用者請求的伺服器埠（一般為80）
%D -> 這個請求共消耗了伺服器多少微秒（The time taken to serve the request, in microseconds.）
%{%s}t -> 伺服器收到這個請求時，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，並由伺服器的80埠向其提供服務，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，並由伺服器的80埠向其提供服務，共耗時0.118231秒

至於為什麼不使用httpd.conf中官方定義的日誌，原因如下:

- 使用者訪問日誌的一條記錄可大約控制在60Bytes以內，資料量小，便於後期分析，官方定義的日誌太過臃腫，影響分析速度
- 使用時間戳標誌時間，便於後期分析，官方定義的日誌時間引數為常規的表達方式，不便於直接進行處理
- httpd的日誌系統本身就是從舊到新進行排序記錄的，所以/etc/httpd/logs/yfddos_log日誌條目的時間戳，亦為從小到大進行排序的，資料記錄更加鮮明

2.2 yfddosd黑名單檔案格式

---

黑名單檔案格式

yfddosd黑名單檔案/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。

這個檔案將由駐留在系統中的daemon守護程式yfddosd進行維護更新。

2.3 守護程式yfddosd:防禦系統的邏輯核心

---

守護程式的原理圖

守護程式yfddosd是整個CC防禦系統的核心，而function analyze_and_insert_black()則是yfddosd的核心。

yfddosd的配置引數:

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內的使用者訪問日誌 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之後 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
  # ......
}

函式analyze_and_insert_black有三個輸入引數：

例子: analyze_and_insert_black "4" "10" "5"

解釋: 分析日誌檔案/etc/httpd/logs/yfddos_log中,在過去5s內的使用者訪問日誌,如果有IP在這5s內訪問量>=4,守護程式yfddosd將視其為資源濫用者，
    然後將這個IP加入到黑名單檔案/etc/yfddos/web-yf-search.b中，此條黑名單的作用時間為10s，在10s之後，守護程式yfddosd將刪除此黑名單條目。

例子: analyze_and_insert_black "150" "2700" "905"

解釋: 分析日誌檔案/etc/httpd/logs/yfddos_log中,在過去905s內的使用者訪問日誌,如果有IP在這905s內訪問量>=150,守護程式yfddosd將視其為資源濫用者，
    然後將這個IP加入到黑名單檔案/etc/yfddos/web-yf-search.b中，此條黑名單的作用時間為2700s，在2700s之後，守護程式yfddosd將刪除此黑名單條目。

簡記為: analyze_and_insert_black "limit" "ttl" "time"

解釋: 分析日誌檔案/etc/httpd/logs/yfddos_log中,在過去(time)s內的使用者訪問日誌,如果有IP在這(time)s內訪問量>=limit,守護程式yfddosd將視其為資源濫用者，
    然後此IP將會被加入到黑名單檔案/etc/yfddos/web-yf-search.b中，作用時間為(ttl)s，在(ttl)s之後，守護程式yfddosd將自動刪除此條目。

從上述中可看出，守護程式yfddosd至少需要完成如下三個任務:

• 分析日誌檔案/etc/httpd/logs/yfddos_log中指定時間內的使用者訪問記錄
• 將資源濫用者的IP加入檔案/etc/yfddos/web-yf-search.b，並設定封殺TTL引數值
• 將/etc/yfddos/web-yf-search.b中已經過期的條目全部及時刪除

守護程式yfddosd是如何實現上面三個邏輯的:

• 分析日誌檔案/etc/httpd/logs/yfddos_log中指定時間內的使用者訪問記錄:

  (1) 取出/etc/httpd/logs/yfddos_log中過去time秒的訪問日誌資料，使用二分法將這一操作的時間複雜度壓縮到K*log2(N)以內，
      其中N為/etc/httpd/logs/yfddos_log中日誌總行數，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對這些資料進行二次處理，過濾出所有訪問指定URL的使用者IP(這個URL為想要防禦的http服務url，例如在http://www.yfdc.org系統中，
      所防禦的就是/shell/yf,這個服務向訪問者提供資訊的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的訪問次數並進行高低排序
  

• 將資源濫用者的IP加入檔案/etc/yfddos/web-yf-search.b，並設定封殺TTL引數值

  將所有訪問次數超過閾值limit的IP更新到黑名單檔案/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    
  

下面是守護程式yfddosd狀態機的虛擬碼:(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內訪問的使用者 如果有人其訪問量大於等於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之後 daemon程式自動刪除這個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
        #備份日誌 
    fi
  fi
done

防禦者應斟酌調整每個檢測時間點的引數值(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 原始碼

---

#!bash
##################################### 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內的使用者訪問日誌 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之後 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))"

  #二分查詢初始化
  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 "$stamp_pre" ]
    then
      num=""
    else  
      while true #使用二分查詢的方法 快速地分析訪問日誌
      do
        temp=`sed -n "${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 ${3} seconds before will be analyzed to generate the abuse ips that we will block
    analyze_and_insert_black "6" "10" "5"
    # 分析在過去5s內訪問的使用者 如果有人其訪問量大於等於6 系統將視其為資源濫用者 遂將其加入服務黑名單 其作用時間為10s 在10s之後 daemon程式自動刪除這個ip黑名單條目
  fi
  if [ "$((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"
    #### "${yfddos_accesslogPath}" backup : 在每天的00:01-04:59時間區間內 備份日誌一次
    if [ "`date +%H`" -le "5" ] && ! [ -f "${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