DDos攻擊實驗平臺的設(shè)計與實現(xiàn)﹡

潘大慶

(柳州市委黨校，廣西 柳州 545006)

0 引言

DDos是一種非常常見的網(wǎng)絡(luò)攻擊手段，為了能夠更好地研究和分析 DDos攻擊的過程，動態(tài)地掌握 DDos攻擊過程不同階段對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)帶寬、網(wǎng)絡(luò)性能的影響，往往需要建立 DDos攻擊實驗平臺。然而 DDos攻擊實驗對網(wǎng)路帶寬和網(wǎng)絡(luò)性能都有極大的危害。在普通的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中開展 DDos攻擊實驗會對正常的網(wǎng)絡(luò)通信造成極大的危害。而且在現(xiàn)實的互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，各種路由器、防火墻等設(shè)備都對 DDos攻擊進行了相應(yīng)的防范，因此在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中如果缺乏足夠的前期準備工作，也很難開展真正有效的 DDos攻擊。而且由于互聯(lián)網(wǎng)的開放性，使得在互聯(lián)網(wǎng)上開展 DDos攻擊實驗過程具有攻擊范圍和攻擊過程以及攻擊后果難以有效控制等問題[1-2]，因此亟需開發(fā)和設(shè)計一種針對DDos攻擊的實驗平臺。

由于 DDos攻擊過程是一種非常常見的攻擊過程，因此針對 DDos攻擊的相關(guān)研究也比較多。通過對現(xiàn)有DDos攻擊實驗平臺的研究成果分析表明，當前對 DDos攻擊實驗平臺的研究主要朝兩個方向發(fā)展，一種是基于本地網(wǎng)絡(luò)的DDos攻擊實驗環(huán)境，另一種是基于虛擬機的 DDos攻擊實驗環(huán)境。基于本地網(wǎng)絡(luò)的 DDos攻擊實驗環(huán)境，是模擬互聯(lián)網(wǎng)的各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，包括路由器、服務(wù)器、PC終端等設(shè)備，采用實際的網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備搭建一個與互聯(lián)網(wǎng)功能類似的小型網(wǎng)絡(luò)，在該網(wǎng)絡(luò)上開展 DDos攻擊實驗。這種實驗環(huán)境以真是的計算機和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來模擬互聯(lián)網(wǎng)通信過程具有很強的真實性。然而由于互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模非常的龐大，因此在本地建立的模擬實驗網(wǎng)絡(luò)很難真正模擬出互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)量、大規(guī)模的特性，同時這種模擬的方式也需要耗費大量的硬件基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)代價較高[3-4]。另一種是基于虛擬環(huán)境的攻擊實驗平臺實現(xiàn)方法。這種實現(xiàn)方法通過在高性能的計算機或服務(wù)器上虛擬出互聯(lián)網(wǎng)中的路由器、PC終端以及互連設(shè)備等等。這種采用虛擬方式建立的攻擊實驗網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)成本低，能夠在短時間內(nèi)構(gòu)造一個規(guī)模相對較大的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，然而完全基于虛擬環(huán)境的實驗網(wǎng)絡(luò)對實際的網(wǎng)絡(luò)帶寬、網(wǎng)絡(luò)通信性能等模擬不夠完善，因此在這種純虛擬環(huán)境下開展的攻擊實驗平臺得到的攻擊效果和攻擊過程與真實的環(huán)境仍然有較大的差異。文中針對當前 DDos攻擊實驗平臺的研究發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，提出了基于虛擬環(huán)境和實際網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備相結(jié)合的 DDos攻擊實驗平臺，該實驗平臺采用實際的網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備建立一個真實的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，同時在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的各個終端上采用虛擬化技術(shù)構(gòu)建多個網(wǎng)絡(luò)終端，擴大網(wǎng)絡(luò)互連的規(guī)模，以此解決目前 DDos攻擊實驗平臺中網(wǎng)絡(luò)環(huán)境真實性與網(wǎng)絡(luò)環(huán)境搭建代價之間的矛盾。

1 實驗平臺的組成結(jié)構(gòu)

文中設(shè)計的 DDos攻擊實驗平臺在物理結(jié)構(gòu)上仍然保持傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。如圖1所示，給出了DDos攻擊實驗平臺的組成結(jié)構(gòu)。在該拓撲結(jié)構(gòu)中，處于中心位置的是 DDos攻擊實驗平臺的服務(wù)器，該服務(wù)器負責(zé)模擬互聯(lián)網(wǎng)上常見的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)。服務(wù)器通過路由器、交換機等網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備與各個實驗終端相連。所有實驗終端和服務(wù)器組成一個本地網(wǎng)絡(luò)，可以完成正常的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信功能。在文中設(shè)計的 DDos攻擊實驗平臺硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對所有的網(wǎng)絡(luò)實驗終端進行了虛擬化的設(shè)計，即在一個客戶機的終端上可以虛擬出多個網(wǎng)絡(luò)終端以及虛擬的網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備。所有的網(wǎng)絡(luò)互連終端既可以通過虛擬的網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備形成一個本地的局域網(wǎng)，也可以通過客戶機的硬件網(wǎng)絡(luò)接口與遠程的網(wǎng)絡(luò)建立連接。因此在圖1所示的DDos攻擊實驗平臺拓撲結(jié)構(gòu)中，有路由器、服務(wù)器以及其他網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備所組成的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，相當于互聯(lián)網(wǎng)中的骨干網(wǎng)絡(luò)，承擔(dān)著整個虛擬環(huán)境中各個本地網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通。在攻擊實驗平臺中的客戶機上面虛擬出來的所有虛擬終端以及由這些虛擬終端所連接的網(wǎng)絡(luò)，形成一個個相對獨立的本地網(wǎng)絡(luò)，所有本地網(wǎng)絡(luò)可以通過攻擊實驗平臺中的骨干網(wǎng)絡(luò)進行相互連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信[5]。因此，文中設(shè)計的DDos攻擊實驗平臺在拓撲結(jié)構(gòu)上相當于是一個分層次的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，既有屬于上層的骨干網(wǎng)絡(luò)，也有屬于本地的局域網(wǎng)絡(luò)。

圖1 DDos攻擊實驗平臺組成結(jié)構(gòu)

用戶利用文中設(shè)計的 DDos攻擊實驗平臺開展DDos攻擊實驗的時候，既可以以單個客戶機為實驗環(huán)境進行本地小型化的 DDos攻擊實驗，同時也可以選取若干個客戶機，利用客戶之間的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)形成一個小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，在該環(huán)境中進行 DDos攻擊實驗，也可以以整個 DDos攻擊實驗平臺作為實驗環(huán)境，以上層的骨干網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)通信的承載網(wǎng)，以各個客戶機所組成的本地網(wǎng)絡(luò)作為 DDos攻擊的本地區(qū)域，利用整個DDos攻擊實驗平臺開展DDos攻擊實驗將具有很強的真實網(wǎng)絡(luò)模擬特性，能夠模擬出互聯(lián)網(wǎng)中骨干網(wǎng)和本地網(wǎng)不同流量、不同帶寬等服務(wù)性能。

由于文中設(shè)計的實驗平臺主要應(yīng)用于 DDos攻擊實驗，而根據(jù) DDos的攻擊實驗實現(xiàn)的方式和常見的攻擊過程，當用戶在網(wǎng)絡(luò)中針對某一目標發(fā)起DDos攻擊的時候，很有可能會造成從發(fā)起源到攻擊目標之間通信鏈路的擁塞，甚至有可能對整個模擬網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通信造成擁塞。因此文中的 DDos攻擊實驗平臺在開展實驗過程中同樣會出現(xiàn)不同程度的數(shù)據(jù)擁塞，而作為一個攻擊實驗平臺，除了需要能夠模擬和產(chǎn)生攻擊過程中所需要的所有數(shù)據(jù)，更重要的還需要能夠為用戶提供 DDos攻擊的全過程分析環(huán)境和觀測環(huán)境，一旦 DDos攻擊實驗平臺發(fā)生嚴重的數(shù)據(jù)擁塞，有可能使得用戶無法對實驗網(wǎng)絡(luò)中的遠程數(shù)據(jù)線路傳輸性能進行檢測。因為當網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)嚴重擁塞的時候，所有控制數(shù)據(jù)也無法通過網(wǎng)絡(luò)環(huán)境傳輸?shù)奖O(jiān)視終端上來。為此文中在設(shè)計的 DDos攻擊實驗平臺中專門設(shè)計了另外一組通信鏈路，用于網(wǎng)絡(luò)性能的檢測，該通信鏈路不參與正常的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信，而僅僅負責(zé)各個節(jié)點的處理性能、網(wǎng)絡(luò)擁塞程度等指標進行檢測，并及時將采集的數(shù)據(jù)通過專用的線路反饋給數(shù)據(jù)監(jiān)控終端，實現(xiàn)對DDos攻擊的全過程監(jiān)控和分析[6]。整個攻擊實驗平臺中的監(jiān)控通信網(wǎng)絡(luò)在圖1中用虛線表現(xiàn)出來，是DDos攻擊實驗平臺中的一個重要組成部分。

2 DDos攻擊數(shù)據(jù)的產(chǎn)生

利用文中設(shè)計的 DDos攻擊實驗平臺，各個客戶機上的虛擬終端都可以向?qū)嶒炂脚_中心的服務(wù)器發(fā)起 DDos攻擊。然而在攻擊過程中，如何快速有效地產(chǎn)生 DDos攻擊數(shù)據(jù)，是本實驗平臺在設(shè)計過程需要解決的一個關(guān)鍵性技術(shù)實驗難題。在傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，用戶發(fā)起 DDos攻擊一般是在各個攻擊終端上部署攻擊程序，由攻擊程序?qū)崿F(xiàn) DDos攻擊數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。而且在真實的網(wǎng)絡(luò)互連環(huán)境中，為了提高 DDos攻擊數(shù)據(jù)的迷惑性，從各個攻擊終端產(chǎn)生的DDos攻擊數(shù)據(jù)往往不是簡單的隨機數(shù)據(jù)，甚至可以通過模擬一些真實環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，以避免DDos攻擊數(shù)據(jù)被目標端的防護軟件所攔截[7]。

結(jié)合實際的互聯(lián)網(wǎng)中的 DDos攻擊過程，文中設(shè)計的 DDos攻擊實驗平臺在各個虛擬終端上也提供了形式多樣的 DDos攻擊數(shù)據(jù)產(chǎn)生方式，如圖 2所示。根據(jù)用戶需要的 DDos攻擊數(shù)據(jù)不一樣，文中在虛擬網(wǎng)路終端上運行了虛擬操作系統(tǒng)，在虛擬操作系統(tǒng)上層提供了 VC編譯環(huán)境、WinPcap開發(fā)驅(qū)動、WinSocket庫函數(shù)以及用戶自定義庫函數(shù)等功能模塊，通過這些功能模塊可以為客戶開發(fā)和產(chǎn)生靈活多樣的 DDos攻擊數(shù)據(jù)提供支持。如果客戶需要的DDos攻擊數(shù)據(jù)，當用戶需要的DDos攻擊數(shù)據(jù)比較規(guī)整時，符合特定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議規(guī)范，此時可以采用WinPcap開發(fā)驅(qū)動快速地產(chǎn)生DDos攻擊數(shù)據(jù)。如果客戶需要的 DDos攻擊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，比如用戶通過模擬正常的網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境中的通信數(shù)據(jù)，則可以利用WinSocket的庫函數(shù)以及用戶所開發(fā)的自定義庫函數(shù)。在 VC編譯環(huán)境下，產(chǎn)生靈活多樣的 DDos攻擊數(shù)據(jù)。尤其是通過用戶自定義的庫函數(shù)，用戶可以將平時開發(fā)的 DDos攻擊數(shù)據(jù)產(chǎn)生功能進行模塊化的設(shè)計，將一些常用的 DDos攻擊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義為標準的庫函數(shù)，使得用戶在虛擬的終端上能夠快速靈活地產(chǎn)生各種有針對性的DDos攻擊數(shù)據(jù)。

圖2 DDos攻擊數(shù)據(jù)的產(chǎn)生方法

3 可視化的攻擊過程實現(xiàn)

DDos攻擊實驗平臺除了需要模擬DDos攻擊實驗所需要的各種軟硬件環(huán)境，為用戶提供開展DDos攻擊的實驗操作平臺，更重要的是需要為用戶提供DDos攻擊過程的實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析的環(huán)境。文中設(shè)計的 DDos攻擊實驗平臺為了能夠讓用戶實時地掌握DDos攻擊的實驗效果，設(shè)計了DDos攻擊過程的監(jiān)測子系統(tǒng)。

DDos監(jiān)測子系統(tǒng)設(shè)計上也是采用分部式的部署方式，其實現(xiàn)原理是通過在 DDos攻擊實驗平臺各個主要通信節(jié)點上部署相應(yīng)的監(jiān)測軟件和監(jiān)測設(shè)備，對 DDos攻擊實驗平臺中網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備及設(shè)備之間的通信延時進行監(jiān)測。然而由于 DDos攻擊過程中本身會對網(wǎng)絡(luò)性能帶來極大的影響，如果監(jiān)控軟件智商運行在被攻擊的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，當發(fā)起比較嚴重的 DDos攻擊時，可能會使得目標網(wǎng)絡(luò)和目標設(shè)備無法正常工作，而此時必然會導(dǎo)致進行網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)控的軟硬件設(shè)備也無法正常工作。監(jiān)控過程中所采集到的目標設(shè)備狀態(tài)信息也無法及時地傳回到監(jiān)控端，因此當進行比較嚴重的 DDos攻擊實驗時，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控子系統(tǒng)可能會失效。

為了解決這一問題，目前常用的解決方式主要有兩種。一種方式是對 DDos攻擊過程進行實時監(jiān)測，采用 DDos攻擊效果性能預(yù)測的檢測模式，即對整個 DDos攻擊實驗平臺各個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和通信帶寬等資源進行劃分。比如劃分出80%的計算和通信為用戶進行DDos攻擊實驗使用，另外20%作為系統(tǒng)正常運行和系統(tǒng)監(jiān)測所使用。當用戶對整個攻擊環(huán)境所占用的資源達到80%之后，即認為該目標網(wǎng)絡(luò)或目標設(shè)備失去正常的服務(wù)功能，使用這種性能預(yù)測的解決方案，可以再 DDos攻擊實驗平臺性能崩潰之前，即發(fā)出 DDos攻擊效果預(yù)警信息，同時對每個時刻的攻擊狀態(tài)和攻擊過程進行監(jiān)測和顯示。然而這種基于性能預(yù)測的攻擊過程、監(jiān)視方法并不能夠真正地體現(xiàn) DDos的攻擊效果，實際上是對網(wǎng)絡(luò)性能的一種模擬和預(yù)測，因此另外一種更為真實的可視化攻擊實驗過程是在現(xiàn)有的 DDos攻擊實驗環(huán)境中建立一套輔助的 DDos攻擊過程監(jiān)視子系統(tǒng)，該監(jiān)視子系統(tǒng)所使用的監(jiān)視設(shè)備、監(jiān)視通信線路都與提供正常網(wǎng)絡(luò)通信的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和通信線路不一樣，采用相對獨立的一套網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測子系統(tǒng)來實現(xiàn)可視化的攻擊過程監(jiān)測。

文中在設(shè)計過程中采取了這種基于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測子系統(tǒng)的可視化攻擊過程實現(xiàn)方案。基于整個可視化的攻擊過程實現(xiàn)管理過程如圖3所示。在每個通信終端上面通過運行虛擬機環(huán)境，在虛擬機環(huán)境下運行網(wǎng)絡(luò)編程接口、網(wǎng)絡(luò)通信管理模塊、操作系統(tǒng)平臺以及通信驅(qū)動等功能模塊。這些功能模塊可以為通信數(shù)據(jù)包的產(chǎn)生提供相應(yīng)的支持，同時也為網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)測提供相應(yīng)的支持。在整個子系統(tǒng)中，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)測的是心跳數(shù)據(jù)包監(jiān)測模塊。心跳數(shù)據(jù)包監(jiān)測子模塊是通過部署在各個虛擬終端上的一個特定程序，定時地與其他通信終端發(fā)起數(shù)據(jù)連接，并交換虛擬終端性能參數(shù)的功能模塊。整個心跳數(shù)據(jù)包傳輸?shù)耐ㄐ啪€路與正常網(wǎng)絡(luò)的通信線路不一樣，從而避免在DDos攻擊的過程中實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測的管理數(shù)據(jù)也被擁塞。通過文中設(shè)計的這種采用相對獨立的監(jiān)測子系統(tǒng)實現(xiàn)可視化攻擊過程的監(jiān)控方案，能夠確保DDos攻擊實驗平臺在任意的攻擊狀態(tài)下都能夠?qū)崟r地采集和監(jiān)測到攻擊過程的數(shù)據(jù)，從而為用戶分析 DDos攻擊過程和攻擊效果提供強有力的支持。

圖3 可視化的攻擊過程實現(xiàn)

4 結(jié)語

開展 DDos攻擊實驗對相應(yīng)的實驗環(huán)境要求比較高，而單純采用虛擬化技術(shù)DDos攻擊實驗平臺又不能夠很好地模擬真實的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。文中通過設(shè)計基于真是的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，采用終端虛擬化的技術(shù)，構(gòu)建了一個功能完善、DDos攻擊數(shù)據(jù)靈活多樣的實驗環(huán)境，而且采用獨立的監(jiān)測子系統(tǒng)可以實現(xiàn)DDos攻擊過程的全稱監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析等功能。

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