陳石，劉金生
（中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司 網(wǎng)絡運維部互聯(lián)網(wǎng)處,北京 100033）
摘要：BGP (Border Gateway Protocol)協(xié)議是Internet中應用最廣泛的自治系統(tǒng)間路由協(xié)議，它通過面向連接的TCP (Transfer Control Protocol)協(xié)議保障路由信息的可靠轉(zhuǎn)發(fā)。然而，以DDoS（Distributed Denial of Service）為代表的網(wǎng)絡攻擊對基于TCP 的應用協(xié)議產(chǎn)生了嚴重的威脅。保護BGP協(xié)議較為常見的方法是在網(wǎng)絡邊緣添加防火墻、流量分析儀等安全設備。從分析BGP鄰居的建立過程及DDoS的攻擊特點入手，提出一種新的思路，在不增加運營成本的前提下，實現(xiàn)BGP協(xié)議對DDoS的防御。
關(guān)鍵詞：BGP鄰居；TCP連接方向；分布式拒絕服務攻擊; 互聯(lián)網(wǎng)服務提供商
中圖分類號：TP393文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.16747720.2016.24.002
引用格式：陳石，劉金生. BGP協(xié)議防御DDoS攻擊的方法淺析［J］.微型機與應用，2016,35（24）：5-7.
0引言
根據(jù)中國聯(lián)通公眾互聯(lián)網(wǎng)CHINA169的統(tǒng)計，截至2016年5月，Internet上自治系統(tǒng)間路由條目數(shù)已經(jīng)達到62萬條，如此龐大的數(shù)據(jù)信息都是依賴于路由協(xié)議進行計算和轉(zhuǎn)發(fā)，而以分布式拒絕服務攻擊（Distributed Denial of Service，DDoS）為代表的網(wǎng)絡攻擊卻對路由協(xié)議的安全產(chǎn)生了嚴重的威脅。本文提出一種基于TCP連接方向的方法對抗DDoS攻擊。
1基于TCP的邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議
Internet是由眾多相互聯(lián)在一起的自治系統(tǒng)（Autonomous System，AS）組成的，而負責傳遞AS之間網(wǎng)絡層可達性信息（Network Layer Reachability Information, NLRI）的協(xié)議稱為BGP(Border Gateway Protocol)。為了確保NLRI的可靠轉(zhuǎn)發(fā)，BGP使用TCP協(xié)議作為它的下層承載協(xié)議。
TCP［1］ (Transfer Control Protocol)是開放系統(tǒng)互聯(lián)（Open System Interconnect, OSI）參考模型中唯一面向連接的傳輸層協(xié)議，它使用“三次握手”機制建立面向連接的虛電路，每一條TCP連接都被通信鏈路的兩個端點（IP地址：端口號）唯一確定：TCP連接={(IP1：port1),(IP2：port2)}。BGP對應的port值（端口號）為179。BGP協(xié)議在進行路由信息的交換與轉(zhuǎn)發(fā)前，需要建立鄰居（PEER）關(guān)系，BGP建立鄰居的過程可以分為兩個階段。
階段一： TCP通道的建立。這個階段的主要任務是在希望建立BGP鄰居的路由器之間搭建起一條數(shù)據(jù)通道。TCP的 “按序重傳”和“滑動窗口”機制能夠確保BGP承載的路由信息在互聯(lián)網(wǎng)中可靠地傳輸，而不必進行周期性的全部泛洪。
階段二：BGP報文的協(xié)商。在這個階段，將要建立BGP鄰居的兩臺路由器利用TCP的數(shù)據(jù)通道，使用OPEN報文以單播方式進行能力協(xié)商（包括版本號、保持時間、BGP標識、可選參數(shù)等），決定最終是否能夠成功建立BGP鄰居關(guān)系。
2防御DDoS攻擊的常用方法
DDoS［2］攻擊是互聯(lián)網(wǎng)上常見的攻擊手段，黑客借助客戶/服務器技術(shù)，將多個計算機聯(lián)合起來作為攻擊平臺，對目標發(fā)動持續(xù)性攻擊，耗盡目的主機資源，最終使正常的用戶請求得不到應答。評估DDoS的攻擊強度，可以采用“中間網(wǎng)絡檢測法［3］”數(shù)學模型：首先在核心路由器上以Δt為標準時間間隔對數(shù)據(jù)流量進行采樣，然后分別計算出(源地址、目的地址、目的端口)相同的數(shù)據(jù)包的集合，得到與以上三元組相同的數(shù)據(jù)包α隨時間變化的序列。當時間間隔很大時計算該序列的自相關(guān)系數(shù)：
βk=［∑N=ki=1(ai-)(ai+k-)］/［∑Ni=1(ai-)2］
其中：αi(i=1,2,…,k)為k個Δt時間內(nèi)α的序列；為α的數(shù)學期望；βk為自相關(guān)系數(shù)。如果自相關(guān)系數(shù)不為0，則說明發(fā)生了DDoS攻擊，偏離值越高，說明遭到的攻擊強度越大，以此判斷是否需要在核心路由器上部署分布式的DDoS防御系統(tǒng)。
理論上說，所有基于TCP的應用都面臨DDoS攻擊的威脅，BGP協(xié)議自然也不例外。開啟了BGP協(xié)議的路由器抵御DDoS攻擊的常用手段有：在前端增設防火墻或流量過濾與清洗設備，互聯(lián)地址隱藏（或者直接使用私網(wǎng)地址互聯(lián)），源地址識別，限制SYN/ICMP流量等。這些方法在實施過程中，要么需要增加新的硬件，提高了運營維護成本；要么需要在全網(wǎng)部署新的路由協(xié)議和安全策略，擴展性較差。
3防御DDoS攻擊的新思路
DDoS攻擊最常用的手段是同步泛洪（SYNFLOOD）,向攻擊目標發(fā)起大量的同步連接請求，卻不回復ACK，最終耗盡目標服務器的資源。這種攻擊方式必須有明確的攻擊目標，也就是說攻擊是有方向性的。順著這個思路，如果能夠在BGP鄰居建立的第一階段控制住TCP連接的建立方向，就可以有效降低有效連接請求的數(shù)量，抑制DDoS對系統(tǒng)的資源占用，達到保護BGP協(xié)議的效果。
如圖1所示，企業(yè)網(wǎng)AS100希望通過ISP（網(wǎng)絡服務提供商）將AS200接入互聯(lián)網(wǎng)。物理層面：邊界路由器A與B通過一條物理鏈路相連；網(wǎng)絡層面：A與B使用邏輯接口（環(huán)回口）建立BGP鄰居進行路由信息交換。
圖中ISP為避免受到來自外部的DDoS攻擊，在與企業(yè)網(wǎng)建立BGP鄰居的第一個階段（即TCP建立階段），拒絕所有始發(fā)于A的外部TCP連接請求，僅允許本地作為發(fā)起端。
那么，這樣做是否會影響B(tài)GP鄰居的建立呢？如前所述，在建立BGP鄰居的第一個階段，雙方都會發(fā)起TCP連接請求，雖然ISP一側(cè)的路由器B拒絕了來自企業(yè)網(wǎng)路由器A的TCP建立請求，但始發(fā)于B的TCP建立請求并不會受到任何影響。根據(jù)TCP的建立機制［4］，如果B端的TCP activedelay延時小于A端，在完成三次握手之后，TCP連接就會建立成功；若B端的TCP activedelay延時大于A端，則此次連接建立失敗，但TCP兩端會重新生成隨機的activedelay延時并發(fā)出第二次、第三次……連接請求，一旦B端的activedelay延時小于A端，TCP連接就會成功建立，并進入到BGP鄰居建立的下一階段。所以控制TCP的連接方向并不會影響B(tài)GP鄰居的正常建立。
事實上，不論是否限制TCP的連接方向， BGP鄰居建立完成后，同一對BGP鄰居之間都只會保存一條TCP鏈路的連接。
4控制TCP連接方向具體方法
在實際網(wǎng)絡環(huán)境中，控制TCP連接方向的方法有三種：
(1)擴展型訪問控制列表（EACL: Extended Access Control List）
B端配置實例：
ip accesslist extended 100
deny tcp any any eq bgp
permit ip any any
擴展的訪問控制列表可以針對TCP協(xié)議的各種應用（端口號）進行數(shù)據(jù)包的過濾，圖1中，在B端的互聯(lián)接口入向應用本策略，可以拒絕所有向B端BGP端口發(fā)起的TCP連接，而對B端出向的TCP連接不做任何限制。
在A端打開debug信息，可以看到從A端始發(fā)的TCP連接請求被拒絕（圖2）。最終建立的TCP連接一定是B的隨機高端口訪問A的179端口（圖3），即該連接始發(fā)于B。
擴展型訪問控制列表具有配置規(guī)范、部署靈活、易于維護的特點，但它對通過接口的每一個數(shù)據(jù)包都要進行拆包檢查，當一個EACL中包含的過濾條目較多時會占用大量的CPU資源，甚至會影響設備的轉(zhuǎn)發(fā)性能。因此，這種方法并不適用于中低端的路由器設備，建議應用在具有分布式CPU架構(gòu)的骨干路由器上，例如在電信級的網(wǎng)絡環(huán)境（ISP）中部署。
（2）連接模式匹配（connectionmode）
連接模式是BGP協(xié)議內(nèi)置的安全策略，針對具體的BGP鄰居部署。它分為主動和被動兩種模式，如果在B端設置了主動模式，則所有從A始發(fā)的TCP連接請求到達B端時均被拒絕，這就相當于關(guān)閉了B側(cè)的179端口，實現(xiàn)效果與擴展型訪問控制列表類似。需要注意的是：兩個BGP鄰居的連接模式必須主動與被動匹配，否則TCP連接無法建立。
B端配置實例：neighbor 1.1.1.1 transport connectionmode active
A端配置實例：neighbor 2.2.2.2 transport connectionmode passive
相比EACL的“逢包必檢”，本連接模式只針對具體的BGP鄰居進行限制，對系統(tǒng)資源的占用要小很多。但在廣播型鏈路或者多宿主的網(wǎng)絡環(huán)境中，連接模式需要分別對每個鄰居開啟此功能，部署不夠靈活，建議應用在企業(yè)網(wǎng)互聯(lián)或者企業(yè)內(nèi)網(wǎng)Intranet中。
(3)默認路由（defaultrouting）
為了更好地理解這種方法，把企業(yè)網(wǎng)AS100想象成一個末端網(wǎng)絡，路由器A是它唯一的出口網(wǎng)關(guān)。A通過默認路由指向B，而B則通過一條靜態(tài)路由指向A。
在BGP鄰居建立的第一個階段，A會收到告警信息：“Active open failedno route to peer”（即始發(fā)TCP連接失敗，沒有到達鄰居的路由），最終建立成功的TCP連接始發(fā)于B端。如此看來，使用默認路由同樣可以控制TCP連接方向。
這里需要搞清楚一個問題：A明明有一條指向B的默認路由，為什么會收到無路由的告警呢？這是因為默認路由有一個隱含的防環(huán)機制：它不能主動發(fā)起TCP連接請求；但對于接收到的TCP連接請求，默認路由可以被動地響應，按照三次握手流程返回seq和ack值，完成TCP建立。所以當一端使用了默認路由時，最終完成的TCP連接一定始發(fā)于配置默認路由的另一端。
在實際網(wǎng)絡環(huán)境中，ISP往往沒有能力監(jiān)控從接入端指向自己的是否為一條默認路由。因此，依靠對端的配置來抵御DDoS的攻擊還是有一定風險的。相對于生產(chǎn)網(wǎng)絡，這種方法更適用于教學或?qū)嶒灥木W(wǎng)絡環(huán)境。
5結(jié)論
與增加防火墻等硬件設備相比，通過控制TCP連接的方向來防御DDoS攻擊，可以不受網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的限制，除了部署靈活以外，還能夠避免增加新的故障點，降低了運營成本，不失為BGP應用的一種新的探索與嘗試。
參考文獻
［1］ STEVENS W R. TCP/TP詳解卷1：協(xié)議［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2016.
［2］ 李鋒.粒子群BP神經(jīng)網(wǎng)絡在DDoS攻擊檢測中的應用［J］.微型機與應用,2014，33(3):5054.
［3］ 孫欽東，張德運，高鵬．基于時間序列分析的分布式拒絕服務攻擊檢測［J］.計算機學報，2005，28(5)：767773
［4］ STEWART J. Bgp4: Interdomain routing in the Internet［M］.Boston: Addison Wesley,1998.