Дипломная работа: Разработка и анализ эффективности средств отражения распределенных атак

Т.к. в реальности простого обнаружения атаки недостаточно для бесперебойной работы системы, то помимо обнаружения система должна обеспечивать отражение атаки. Поэтому модуль расширения функциональности разрабатывался для модификации системы Snort – IPS Snort_inline. Это система предотвращения вторжений, которая способна модифицировать пакеты в реальном режиме времени, по мере того как они поступают в сеть и/или покидают ее. Такие системы так же называются системами "с активным ответом". Для того, чтобы IPS могла контролировать весь трафик, поступающий и исходящий из сети, она должна располагаться на inline устройстве. Поэтому в предложенной реализации Snort_inline работает на Linux-системе, функционирующей в режиме маршрутизатора.

5.1 Особенности установки Snort

Как было сказано выше, целевая система для разрабатываемого модуля – это Snort_inline. Однако ее установка и настройка занятие, отнимающее много сил и времени. Поэтому на начальных этапах разработка велась на системе Snort, в то время как мой коллега занимался исследованием возможностей snort_inline [22].

Для того чтобы поставить Snort на Linux машину необходимо, предварительно установить некоторые библиотеки:

·  libpcap – библиотека работающая на канальном уровне. Используется системой Snort. С помощью нее snort получает доступ ко всем пакетам поступающим на сетевой интерфейс.

·  libpcre – библиотека для работы с регулярными выражениями (regular expressions)

·  libipq – используется системой Snort_inline вместо библиотеки libpcap. Это библиотека организации очередей пакетов, которую предоставляет IPtables

Для непосредственной установки системы необходимо ввести стандартные команды:

/configure

make

make install

Стоит отметить, что на этапе разработки следует вызвать скрипт ./configure с опцией –enable-debug.

Настройка системы Snort (как и большинства других) дело тонкое, занимающее много времени. Поэтому на начальных этапах разработки было принято решение отлаживать модуль расширения функциональности на системе работающей со значениями практически всех параметров установленными по умолчанию. Единственным переопределяемым параметром был путь к файлу с правилами. Для того чтобы, запустить snort в таком режиме, надо выполнить следующую команду:

/snort –c rules.txt

Это значит, что snort будет проверять все пакеты на соответствие правилам, указанным в файле rules.txt.

5.2 Внутренняя структура Snort

Система Snort имеет гибкую архитектуру, представленную в виде множества подключаемых модулей. Подключаемые модули бывают трех типов:

-  препроцессоры

-  модули обнаружения

-  модули вывода

5.2.1 Препроцессоры

Препроцессоры Snort бывают двух типов. Первый тип предназначен для обнаружения подозрительной активности, а второй тип предназначен для модификации пакетов протоколов высоких уровней (чем канальный) для последующей их обработки процессором обнаружения. Этот процесс называется нормализацией трафика. Он позволяет обнаруживать атаки, которые манипулируют внешним видом трафика для большей скрытности. Существует много препроцессоров snort, которые можно подключить или отключить, внеся соответствующие изменения в файл конфигурации. Исходные коды препроцессоров находятся в директории ./src/preprocessors. Здесь приведены только некоторые из них:

·  portscan (2) – предназначен для обнаружения сканирования портов

·  http_inspect – предназначен для контроля http трафика

·  stream4 – предназначен для контроля за TCP сессиями

·  arpspoof – предназначен для обнаружения атак arp-spoofing

·  bo – предназначен для обнаружения активности BackOrifice

·  frag2 – предназначен для сборки фрагментированных пакетов

·  RPC-decode - декодирование RPC-трафика;

·  Telnet_decode - декодирование трафика telnet-сессий;

·  ASN1_decode - выявление аномалий в строках формата ASN1;

·  и т.д.

Открытость архитектуры snort дает возможность разработчикам написать свои препроцессоры, ориентированные на решения специфических задач.

5.2.2 Модули обнаружения

Модули обнаружения используются непосредственно для анализа обработанного препроцессорами трафика. Если этот модуль определяет, что пакет удовлетворяет указанному правилу, то он генерирует событие, которое дальше передается модулям вывода Snort. Именно в виде модуля обнаружения реализована методика обнаружения TCP SYN атаки, поэтому его структура будет подробно описана ниже.

5.2.3 Модули вывода

Модули вывода используются Snort для записи событий безопасности, ведения логов и т.д. в различные устройства и хранилища данных. Возможно настроить систему на ведение логов в отдельную базу данных, двоичные и текстовые файлы различных форматов. Возможны даже такие экзотические варианты, как уведомления администратора по e-mail или SMS. Исходные коды этих модулей находятся в директории ./src/output-plugins Вот некоторые модули вывода:

·  alert_syslog – вывод в формате syslog

·  log_tcpdump – вывод в формате tcpdump

·  output_database – вывод в БД. Возможны mysql, postgresql, oracle, odbc, mssql(только для Snort под Windows)

·  csv – вывод в формате CSV ( coma separated values)

·  и т.д.

У разработчиков так же есть возможность написания своих модулей вывода, которые благодаря открытости архитектуры легко интегрировать.

5.3 Разработка модуля обнаружения

В корневой директории Snort есть директория templates, в которой находятся шаблоны модулей вывода и обнаружения. Рассмотрим шаблон модуля обнаружения, представленный двумя файлами:

·  sp_template.h – заголовочный файл модуля

·  sp_template.c – файл реализации модуля

В заголовочном файле должно присутствовать объявление setup функции, которая отвечает за инициализацию модуля. Для того чтобы Snort знал, что необходимо проинициализировать данный модуль необходимо добавить вызов этой функции в функцию InitPlugIns(), реализация которой находится в файле ./src/plugbase.c. При этом, конечно, надо не забыть указать компилятору с помощью директивы #include в каком именно файле она определена.

Применительно к нашему модулю, который называется tcp_syn_flood необходимо сделать следующее:

1.  создать в директории ./src/detection-plugins/ два файла:

·  sp_tcp_syn_flood.h

·  sp_tcp_syn_flood.с

2.  в файл sp_tcp_syn_flood.h добавить объявление функции SetupTcpSynFlood(), а в файл sp_tcp_syn_flood.с ее реализацию:

void SetupTcpSynFlood()

{

/* регистрируем модуль */

RegisterPlugin("tcp_syn_flood", TcpSynFloodInit);

DEBUG_WRAP(DebugMessage(DEBUG_PLUGIN,"Plugin: TcpSynFlood Setup\n"););

}

Здесь вызывается функция RegisterPlugin, предоставляемая snort, которая говорит snort о том, что если в правиле встречаются опции, относящиеся к модулю tcp_syn_flood, то необходимо вызвать функцию TcpSynFloodInit, находящуюся в файле sp_tcp_syn_floodы.с. Реализация функции инициализации будет описана ниже.

3.  добавить вызов функции SetupTcpSynFlood() в plugbase.c:

·  В секции /* custom detection plugin */ добавить

#include "detection-plugins/sp_tcp_syn_flood.h"

·  В теле функции InitPlugIns() добавить вызов функции SetupTcpSynFlood();

4.  добавить элемент PLUGIN_TCP_SYN_FLOOD к перечислению (enum) доступных модулей Snort

Для того чтобы наш модуль был успешно интегрирован в snort осталось реализовать функцию TcpSynFloodInit(). Это статическая функция, в которой необходимо выделить память для используемых модулем структур данных, проинициализировать эти структуры данными, указанными в правиле. Здесь стоит отметить, что для каждого правила, в котором заданы параметры для модуля tcp_syn_flood будет вызвана эта функция.

Здесь так же стоит отметить, что модуль tcp_syn_flood должен генерировать события Snort связанные с началом и окончанием атаки. Для этого его надо зарегистрировать в качестве генератора событий Snort. Сделать это проще простого. Надо добавить соответствующие объявления в файл ./src/generatos.h:

#define GENERATOR_TCP_SYN_FLOOD 224

#define SYNFLOOD_STARTED "(tcp syn flood: PREVED)"

#define SYNFLOOD_FINISHED "(tcp syn flood: PAKA)"

В первой строчке мы регистрируем модуль в качестве генератора событий, а дальше идет объявление сообщений, которые могут записываться в логи. Как уже было сказано, нам необходимо генерировать два события.

Перед тем как продолжить описание реализации модуля на языке C, следует описать внутреннее устройство модуля и используемых в нем структур данных. Модуль tcp_syn_flood предназначен для обнаружения и возможного отражения TCP SYN атаки. Обе эти функциональности представлены отдельными подмодулями: TcpConnEstTimeChecker и TcpSynFloodPreventionModule. Первый из них предназначен именно для обнаружения атаки с помощью описанной разделе 3 методики. Он является решающей системой, которая генерирует события snort говорящие о том, что TCP атака началась или закончилась. Второй подмодуль предназначен для накопления "положительной" статистики работы защищаемого сервера при условии атаки. Под положительно статистикой здесь понимается учет количества успешно установленных TCP соединений сервера с клиентами. Дифференциация клиентов производится по признаку их IP адресов и значения поля TTL в приходящих от них пакетах. Если атака начинается, то накопление статистики приостанавливается, а на основании уже накопленных данных модуль принимает решения от каких клиентов пропускать SYN пакеты к серверу, а от каких нет.

5.3.1 Структура модуля TcpConnEstTimeChecker

Полное название этого модуля Tcp Connection Estimate Time Checker. Он предназначен для определения количества "просроченных" tcp соединений и сравнения их количества с допустимым порогом.

Стоит напомнить, что в соответствии с изложенной в разделе 3 методикой необходимо вести учет количества полуоткрытых TCP соединений, которые находятся в этом состоянии дольше определенного промежутка времени. Значения указанных параметров этот модуль берет из правила Snort:

·  server_timeout_sec – таймаут отведенный на сервере для установки TCP соединений. Значение этого параметра задается в секундах

·  max_overdue_count – максимально допустимое количество полуоткрытых на сервере соединений

·  max_overdue_count_diviation – разброс максимально допустимого количества полуоткрытых на сервере соединений. Это значит, что модуль будет генерировать событие "TCP SYN атака началась" после того, как на сервере будет (max_overdue_count + max_overdue_count_diviation) полуоткрытых соединений и, соответственно "TCP SYN атака закончилась", когда количество таких соединений станет меньше чем (max_overdue_count -max_overdue_count_diviation)

·  overdue_time_sec – время после которого полуоткрытое соединение считается "просроченным". Значение этого параметра задается в секундах

·  check_period_sec – период с которым модуль должен проверять текущее количество полуоткрытых соединений. Как будет показано дальше, операция проверки количества просроченных соединений требует больше вычислительных ресурсов, чем просто обработка пакетов. Если этому параметру установить довольно большое значение, то атака будет обнаружена позже, а если маленькое значение, то больше ресурсов системы будет расходоваться на более частые проверки.

Для того чтобы минимизировать затраты памяти и увеличить быстродействие было принято решение не хранить время прихода пакетов в явном виде. Для определения "возраста" полуоткрытых соединений используется довольно хитрая структура данных: массив бинарных деревьев. Такой массив показан на рис.5.1.

Рисунок 5.1 Массив бинарных деревьев, используемый TcpConnEstTimeChecker.

В узлах каждого из деревьев хранится информация об отдельном полуоткрытом TCP соединении. Эта информация представлена следующей структурой:

typedef struct _TimeCheckerTreeNodeData

{

ubi_trNode Node;

// Номер acknowledgement последовательности (для Syn+Ack и Ack пакетов)

u_int32_t SeqAckNumber;

}

TChTreeNodeData;

Для более тесной интеграции со Snort была использована готовая реализация бинарных деревьев, поставляемая с системой. Эта реализация так же используется другими модулями. Это позволило значительно сократить время разработки модуля, повысить эффективность его реализации и уменьшить количество возможных багов. Более того, в случае если в этой реализации деревьев имеются баги, то использующий их модуль автоматически подхватит исправления, если будет установлен на более поздние версии Snort. В Snort есть несколько реализаций бинарных деревьев: ubi_BeenTree и ubi_SplayTree. Они приведены к единому интерфейсу, который позволяет работать с ними независимо от текущей реализации. То какие деревья используются указывается лишь включением соответствующего заголовочного файла. В данный момент использованы Splay деревья. В дальнейшем возможно сравнение производительности системы, основанной на другой реализации.

Как видно из приведенного фрагмента кода в структуре объявлены два поля:

·  Node – узел бинарного дерева. Это поле должно идти первым в объявлении структуры. Это обусловлено оптимизацией во внутренней реализацией бинарных деревьев Snort

·  SeqAckNumber – значение последовательности Acknowledgement в SYN+ACK пакетах исходящих от защищаемого сервера.

При получении данным модулем SYN+ACK пакета исходящего от защищаемого сервера в дерево, имеющее нулевое смещение в массиве помещается соответствующий элемент. Этот элемент соответствует полуоткрытому на сервере соединению.

Как уже отмечалось выше, в целях минимизации используемой памяти и увеличения быстродействия, для каждого узла не хранится время его создания. "Возраст" узла определяется индексом дерева в массиве деревьев, в котором он находится. С периодичностью задаваемой вышеописанным параметром правила check_period_sec массив деревьев сдвигается на 1 дерево вправо. При этом последнее дерево удаляется, освобождая выделенную под него и его элементы память, а элемент массива с нулевым смещением инициализируется новым деревом.

Размерность массива деревьев определяется при инициализации модуля в функции InitTcpConnEstTimeChecker как:

int rootNodesCount = ceil(serverTimeout / _checkPeriod);

При такой организации внутренних структур данных "возраст" полуоткрытых соединений, которым соответствуют узлы в i-м дереве массива определяется как (_checkPeriod * i) . Узлы самого правого в массиве дерева, которые при сдвиге удаляются соответствуют полуоткрытым на защищаемом сервере соединениям для которых истек таймаут отведенный на установку соединений и они закрываются автоматически.

При получении модулем ACK пакета, предназначенного серверу, производится поиск узла дерева, соответствующего полуоткрытому соединению. Поиск производится по ключу (Acknowledge number ACK пакета – 1). После того как узел найден, он удаляется из дерева, что соответствует закрытию полуоткрытого соединения на сервере.

Как было показано в разделе 3, основным критерием по которому принимается решение о начале или окончании атаки, это количество "просроченных" полуоткрытых соединений. В терминах вышеизложенных структур данных это количество элементов в деревьях, индексы которых больше определенного граничного значения, определяемого так же в функции инициализации модуля InitTcpConnEstTimeChecker:

// the index of the first node with overdued connections

checker->firstOverduedNodeIndex = checker->overdueTime / checker->checkPeriod;

Так же стоит отметить, что модуле реализована обработка RST пакетов приходящих как от защищаемого сервера, так и от клиента.

Описанный выше модуль в программной реализации представлен в виде следующей структуры и функций работы с ним:

typedef struct _TcpConnEstTimeChecker

{

/*** Опции правила ***/

// time in seconds after which the half-open connection is overdue

int overdueTime;

// period in seconds to check the number of overdue half-open connections

int checkPeriod;

// the max allowed number of half-open connections

int overdueUpperBound;

// the diviation of overdueUpperBound

int overdueUpperBoundDiviation;

/*** Внутренние данные ***/

// the number of root nodes in the array

int rootNodesCount;

// the array of root nodes

ubi_btRoot* rootNodes;

// the index of the first node, which contains overdued connections

int firstOverduedNodeIndex;

// time when the last shift was made

time_t lastShiftTime;

// Indicates if Syn Flood atack presents

int atackState;

}

TcpConnEstTimeChecker;

/***Интерфейс***/

void InitTcpConnEstTimeChecker(TcpConnEstTimeChecker* checker, int _overdueTime,

int _checkPeriod, int _overdueUpperBound, int _overdueUpperBoundDiviation,

int _serverTimeout);

void DeInitTcpConnEstTimeChecker(TcpConnEstTimeChecker* checker);

int TcpConnEstTimeChecker_ProcessPacket(TcpConnEstTimeChecker* checker, Packet* p, int packetType);

int ShiftRootNodes(TcpConnEstTimeChecker* checker, int GenerationCount);

5.3.2 Структура модуля TcpSynFloodPreventionModule

Как упоминалось в разделе 2, на данный момент общедоступные методы противодействия TCP SYN атаке не отличаются эффективностью и обоснованностью выбора значений конкретных параметров при настройке системы. Т.к. на данный момент авторами не разработана модель, позволяющая построить математически обоснованную методику противодействия атаке, то было принято решение реализовать эту функциональность без соответствующей базы. При этом одним из требований к разработке является возможность работы с модулем посредством определенного интерфейса, не зависящего от конкретной реализации. Такое требование в дальнейшем позволит легко подключать различные (более эффективные) реализации. В объектно-ориентированных языках такой подход обычно реализуется соответствующими механизмами (наследование, интерфейсы и т.д.), однако язык С, на котором написан сам Snort таких возможностей не предоставляет. Поэтому приведение к единому интерфейсу реализовано по аналогии с бинарными деревьями Snort, в виде макроопределений, которые используются для работы с модулем. Такой подход затрудняет разработку и отладку приложения, но приводит к большему быстродействию конечного продукта.

Для реализации этого интерфейса модули предотвращения должны реализовывать три функции:

·  Функция инициализации модуля. Предназначена для выделения памяти под внутренние структуры данных и их инициализацию

·  Функция деинициализации модуля. Предназначена для освобождения памяти, выделенной под внутренние структуры данных

·  Функция обработки пакета. В конкретной реализации эта функция при условии отсутствия TCP SYN атаки занимается ведением положительной статистики. В условиях присутствия атаки обновление статистики приостанавливается, а данная функция принимает решение о том пропускать ли этот пакет дальше или нет.

В текущей реализации статистика "положительных клиентов" ведется по учету количества успешно установленных TCP соединений с конкретного IP адреса, от которого пакеты приходят с определенным значением TTL. Учет значения TTL затрудняет возможному злоумышленнику имитацию "положительного" клиента. Например, злоумышленник знает, что у администратора системы определенный IP. В этом случае для введения системы предотвращения атаки в заблуждения он может генерировать множество TCP SYN пакетов, указывая в качестве адреса отправителя известный ему IP адрес. Если же система так же учитывает значение TTL, то злоумышленнику для успешной имитации так же необходимо знать количество маршрутизаторов находящихся между защищаемым сервером и машиной администратора.

Реализация этого модуля так же основана на использовании бинарных деревьев Snort. Внутренняя структура данных модуля имеет вид:

интернет атака программный snort

typedef struct _TcpSynFloodPreventionModule

{

// корень дерева со статистикой

ubi_btRootPtr rootStat;

long totalPacketsCount;

} TcpSynFloodPreventionModule;

Как видно из объявления структуры вся статистика хранится в одном дереве. Кроме того хранится общее количество обработанных модулем ACK пакетов. Оно используется при определении того, пропускать ли пакет или нет.

Следующая структура представляет собой данные, которые хранятся в узлах дерева:

typedef struct _TcpSynFloodPreventionStatTreeNodeData

{

// узел дерева

ubi_trNode Node;

// Поля идентифицирующие клиента

u_int8_t ttl;

struct in_addr ipSrc;

// Количество пакетов удовлетворяющих условию. TTL=ttl and IPSrc=ipSrc

long counter;

} TcpSynFloodPreventionStatTreeNodeData;

Эта структура содержит следующие поля:

·  Node – структура представляющая узел бинарного дерева Snort. Это поле должно быть первым в объявлении, т.к. это обусловлено оптимизацией во внутренней реализации деревьев.

·  ttl – значение TTL для узла

·  ipSrc – значение IP адреса клиента

·  counter – количество обработанных ACK пакетов, пришедших о клиента с IP адресом ipSrc и значением TTL=ttl.

При такой организации внутренних структур данных решение о том, стоит ли пропускать пакет в случае присутствия атаки, принимается исходя из следующего соотношения:

currNodeData->counter > (module->totalPacketsCount / ubi_trCount(module->rootStat));

5.3.3 Взаимодействие TcpConnEstTimeChecker и TcpSynFloodPreventionModule в реализации tcp_syn_flood

Для дальнейшего описания реализации следует привести структуру, в которой хранится внутреннее состояние tcp_syn_flood:

typedef struct _TcpSynFloodData

{

// текущий режим работы

int workingMode;

// IP адрес защищаемого сервера

struct in_addr serverIP;

// указатель на модуль TcpConnEstTimeChecker

TcpConnEstTimeChecker* timeChecker;

// указатель на модуль TcpSynFloodPreventionModulePtr

TcpSynFloodPreventionModulePtr preventionModule;

} TcpSynFloodData;

Как видно из объявления кроме знакомых нам TcpConnEstTimeChecker и TcpSynFloodPreventionModulePtr здесь присутствует переменная workingMode, которая хранит текущее состояние. Она может принимать следующие значения, определенные в файле sp_tcp_syn_flood.h:

/*** Режимы работы модуля ***/

#define TCP_SYN_FLOOD_DETECTION1

#define TCP_SYN_FLOOD_PREVENTION2

Очевидно, что работа каждого из модулей начинается с инициализации, которая происходит при инициализации tcp_syn_flood. Как было показано выше, за инициализацию модуля отвечает функция TcpSynFloodInit. Внутри нее происходит вызов функции TcpSynFloodRuleParseFunction, которая производит анализ параметров, указанных в правиле. Считается, что во время запуска Snort TCP SYN атака отсутствует и переменной workingMode присваивается значение TCP_SYN_FLOOD_DETECTION.

Самая важная функция это TcpSynFloodCheckFunction, которая вызывается для обработки всех пакетов. В ней первым делом определяется тип пришедшего пакета. Возможные типы представлены соответствующими макроопределениями:

/*** Поддерживаемые типы пакетов ***/

#define PACKET_TYPE_UNSUPPORTED 0

#define PACKET_TYPE_SYN_ACK 1

#define PACKET_TYPE_ACK 2

#define PACKET_TYPE_RST_FROM_SERVER 3

#define PACKET_TYPE_RST_FROM_CLIENT 4

#define PACKET_TYPE_SYN 5

Как видно из приведенного выше фрагмента на внутреннее состояние модуля влияют пришедшие от клиента пакеты с установленными комбинациями флагов SYN, ACK и RST, а от защищаемого сервера – SYN+ACK и RST. Различия между RST пакетами введены для того, чтобы корректно уменьшать количество полуоткрытых соединений. Следующий фрагмент кода демонстрирует это:

switch(packetType){

case PACKET_TYPE_ACK:

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5