如何为云平台打造高性能CC防火墙
作者：丛磊 2015-11-23 09:38:03
云计算
云安全 作为公有云计算平台，SAE长期以来一直饱受各种攻击，这里面涉及各种类型，包括Syn-flood、UDP-floold、DNS/NTP反射、TCP flag攻击等，当然这里面最常见还是基于HTTP协议的CC攻击，因为篇幅有限，所以今天先不介绍TCP/IP防火墙，集中在HTTP层面。
作者简介
丛磊 ，SAE总负责人 SAE创始人，2006年加入新浪公司，2008年起开始带领技术团队从事云计算方面的研究和开发，2009年作为技术经理主导开发了国内首个公有云Sina App Engine。经过数年的努力，SAE已经拥有数十万开发者，成为国内云计算数一数二的PaaS平台。作为国内最早研究云计算的一线工程师，丛磊具有丰富开发和设计经验，并且拥有两项算法专利。目前，丛磊负责整个新浪公有云计算业务，同时担任可信云认证的评审专家。
需求场景
作为公有云计算平台，SAE长期以来一直饱受各种攻击，这里面涉及各种类型，包括Syn-flood、UDP-floold、DNS/NTP反射、TCP flag攻击等，当然这里面最常见还是基于HTTP协议的CC攻击，因为篇幅有限，所以今天先不介绍TCP/IP防火墙，集中在HTTP层面。
我们可以把正常的HTTP访问分为：
HTTP访问=正常访问+抓站+攻击
这三类行为有明显的区分特征，主要体现在频率和特征上，比如抓站的目的是抓取信息，而不是让你网站502，而攻击往往是要把网站Rank打下来，直接打到用户访问不了。而这三类行为又没有特别清晰的界限，比如何种访问叫正常抓站?抓到什么程度叫恶意抓站?这些定义往往是跟用户业务行为相关，从云计算平台的角度界定起来有难度。举个例子，内推网是SAE上的一个HR招聘网站，每天有上千万的访问，从内推的角度肯定希望各大搜索引擎能够合理的抓取/索引，扩大信息出口，但又不希望同行抓取，保护有价值的内容，但这个度是跟业务相关的，可能在业务初期可以松点，业务起来后可以严一点。
两层HTTP防火墙
从云计算平台，无法帮用户设定这些跟业务紧密相关的参数，只能把这个关交给用户自身，这也就形成了“应用防火墙”。但从云计算平台角度，又有义务帮用户挡住恶意的CC攻击，于是，SAE把这两类需求组成了两个产品：
SAE HTTP层防火墙组成
“应用防火墙”，用户可以从SAE操作面板看到，应用防火墙的难点在于充分自定义，包括触发阈值后的行为，这部分SAE近期将进行版本升级，功能将会更强大，今天先重点说“CC防火墙”。
CC防火墙
既然CC防火墙的定位是防护恶意HTTP攻击，那么需要解决的环节有：
1，如何实时分析海量HTTP日志?
1，从日志中，如何发现攻击?用什么策略判断是攻击?
2，断定是攻击后，用什么办法拦住后续请求?
我们先来看整体CC防火墙架构图：
CC防火墙架构图
每天SAE产生上10亿的请求，这些请求都会经过CC防火墙，由日志重定向系统发送到Storm日志分发系统，而策略中心会下发策略，触发策略的IP和应用会由trigger反馈到CC防火墙上的agent，并最终更新到CC防火墙的内存里。
策略中心
策略分成下面两个维度：
- 首先确定哪些应用可能被攻击(当前PV/IP、历史PV/IP)，这里面需要降噪处理，否则有些业务突然正常的流量突增(秒杀)可能收到影响
- 针对A筛选出来的可能被攻击的应用，分析其IP行为，这里分为两步：
- 将IP按行为进行分组，行为类似的IP为一组，组规模越大的可疑性越大(动用的资源更多)
- 针对群组IP分析，主要依靠 Feq(Request)/Num(URI)，可疑性与频率成正比，而与访问地址的离散度成反比
自学习：
任何规则都会存在误杀，所以必要的自学习是必要的，系统会跟实际情况通过梯度下降算法调整策略参数的最优点。另外，对于机器学习，准确率和召回率是一对矛盾体，针对我们遇到的场景，我们的所有参数学习都偏向准确率，因为召回率可以由应用防火墙做补充，从我们线上运行的实际情况看，准确率为100%，目前没有误报。
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防火墙的实现
防火墙本身没有用任何商用产品，完全是基于传统Linux服务器，最原始的CC防火墙是基于Nginx做的，针对触发规则的IP返回403(NGX_HTTP_FORBIDDEN)，但经过我们实验，这样在请求量大的时候会有性能问题，主要是消耗CPU，容易在带宽没有吃满的把CPU跑满，这个问题后来我们发现有个办法优化：
优化Nginx
不返回403，而直接返回444(NGX_HTTP_CLOSE)
NGX_HTTP_CLOSE是一个Nginx自定义的返回码，目的是直接关闭链接，而不进行write_handle后面的输出，换句话说，要比403等返回节约大量CPU，看这段Nginx代码：
http/ngx_http_request.c
当rc为444时，直接就把connection关闭，这对于CC防火墙来说是最理想的结果，因为不需要组装response。
iptables
Nginx 444的性能已经有了很大提升，但离我们的期望还有些距离，那么还能不能优化呢?我们想到了iptable extension string，可以根据sk_buff的data的特征进行过滤，那么效果怎么样呢?
我们做一个实验，以相同的10000并发压测一个静态URL 100万次，在Nginx防火墙上，表现为：
nginx防火墙CPU占用率
我们换成iptabels string防火墙，表现为：
iptables防火墙
看到差距了吗，非常大!!!同样的压缩指标在iptables面前简直不算什么，原因也很简单，就是直接在netdev层根据sk_buff的data段分析，无需进行应用层协议解析，所以才会有如此巨大的性能提升。那么kmp和bm算法有区别吗?经过我们实验，在测试场景上区别微乎其微。
当然，在这里要注意两点：
- 指定from和to，因为只需要判断匹配data的部分，而不是全部
- 对于string，要匹配HTTP协议，当然这里有精确度问题，这个要改进的话，原生iptables模块是没办法了，可以写个iptabels扩展解决
drop & reject
在我们Linux系统团队具体实施时，又遇到一个有趣的问题，就是当iptables匹配这个规则后，执行的动作，我们有两个选择drop和reject，drop故名思议就是丢包，但这样会触发TCP层的重试，相当于deley每次HTTP攻击的时间，这是符合我们的预期的，因为增加了攻击者的时间成本。再来看reject，iptables user层支持大体上两种回报，一种是ICMP的控制包，一种是TCP层的reset包，这两种包在攻击方都会引起连接中断，从而可以立即发起下一个攻击请求，所以显然drop是正确选择。
但是drop带来一个附属问题，就是链接不释放的问题，因为正常的HTTP流量监测是：
step1：C<=>S建立三次握手连接
step2：C发起HTTP请求
step3：S分析数据包，匹配规则后丢弃
step4：C持续重发，直到重传定时器判断超时
在这里有一个问题，就是当drop后，S端的connection是还在的，也就是说，这时候你在S端利用netstat、ss类似的工具查看，可以发现ESTABLISHED连接存在，这样虽然攻击者的请求时间变长了，后续的包进不来了，但是会耗费大量的connection，从而占用大量内核资源，导致系统性能下降。怎么解决呢?
Netlink-Queue
我们的工程师发现，可以利用ip-queue，处理被规则匹配的攻击包，然后修改包为reset包，从而使S端释放链接，事实证明，这个办法非常有效。
TCP包处理流程
如图所示，我们所做的只是将攻击包置reset位，等待用户层进程处理，处理后，触发应用层释放socket，从而保护了服务端资源。
当Queue起作用后，我们可以监控Queue状态以获取服务状态，类似：
- [root@dev include]# cat /proc/net/ip_queue
- Peer PID : 7659
- Copy mode : 2
- Copy range : 2048
- Queue length : 0
- Queue max. length : 1024
- Queue dropped : 0
- Netlink dropped : 0
那么Queue会不会成为瓶颈呢?是有可能的，因为ip queue handler对于一个协议簇不能支持多队列，如果遇到这种情况，可以考虑采用nfqueue，它可以支持多队列，提高处理速度，当然这个可以结合实际的场景进行。另外，还可以调整netlink缓存进行优化。
总结
SAE利用CC防火墙结合应用防火墙，有效的保护了用户的HTTP请求，当然目前这套系统还存在着不足，包括Storm计算能力、应用防火墙的自定义性不足、应用防火墙重定向等方面，这也是我们后面的工作方向。
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