一种抵御 DDoS 攻击的 IP 追踪技术

在拾掇家务时，发现一页我在 2008 年 10 月做的备忘录，记录了一个可用于抵御 DDoS 攻击的 IP 追踪技术。当时因为觉得 idea 太小，不值当写成文章投出去。纸张放那里总是占地方，在博客里电子化一下，然后就能销毁了。

Differential Deterministic Packet Marking

这个 idea 是在 IP 协议的基础上做一些扩展，可以帮助用户在 DDoS 攻击时识别攻击数据包和定位攻击者。在理解这个 idea 之前，可能需要先看几篇参考文献：

[1] Z. Gao and N. Ansari, "Tracing cyber attacks from the practical perspective, " IEEE Communications Magazine, vol. 43, no. 5, pp. 123-131, 2005.

[2] A. Belenky and N. Ansari, "On deterministic packet marking, " Computer Networks, vol. 51, no. 10, pp. 2677–2700, 2007.

[3] Y. Xiang, W, Zhou, and M. Guo, "Flexible deterministic packet marking: an iP traceback system to find the real source of attacks, " IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems, vol. 20, no. 4, pp. 567-580, 2009.

这个 idea 主要是在 [3] 基础上做的改进，其 motivation 是仅仅使用标记段 [3] 内容太保守，用标记段再结合 IP 头中已有的信息，可以做得更好。简单来说就是运营商的接入路由器在 IP 头中增加一些标记，服务器在遭遇到 DDoS 攻击时，可以根据接入路由器增加的标记再结合 IP 头中已有的信息，识别攻击流量，以及确认攻击源。

下文的内容基于三个假设：

1. Source IP 和 ingress router 的接入 interface 的 IP 经常在同一个网段中；
2. 大部分网络流是正常的网络流而非 DDoS 的网络流。
3. ingress router 在可控域中，未被入侵。

由图中可见，如果主机使用真实IP 的话，Host 1 发出数据包的 source IP 和 router interface 1 的 IP 仅在最后八位不同，Host 2 发出数据包的 IP 和 router interface 2 的IP 也是仅仅在最后八位不同。

由假设有大部分数据包的 source IP 与 router interface IP 在同一个网段中，这样 ingress router 只需在标记段中标记与 source IP 不同的位即可进行追踪。

在我的 idea 里，Mark 使用的是 IP 头中的 IDENTIFICATION 域，共 16 位（我们也可以用上 TOS，这样就有 19 或者 24 位），其中各个位的作用如图 3 所示：

入口路由器上执行的标记算法是：

Algorithm：（ 16-bit Mark case, RI for Router Interface)

if (SourceAddr RIAddr ) ⊕ & 0xffff8000 = 0 // Case 1
    Mark := SourceAddr ⊕ RIAddr // 1 packet
else if (SourceAddr ⊕ RIAddr ) & 0xff000000 = 0 // Case 2
    Digest := hash(RIAddr)
    for i=0 to 2 // 3 packets
        Mark[i].M := 1
        Mark[i].A := 0
        Mark[i].seg := i
        Mark[i].digest := Digest
        Mark[i].address_diff := ((SourceAddr ⊕ RIAddr) >> (i*8)) & 0xff
else // Case 3
    Digest := hash(RIAddr)
    for i=0 to 3 // 4 packets
        Mark[i].M := 1
        Mark[i].A := 1
        Mark[i].seg := i
        Mark[i].digest := Digest
        Mark[i].address_diff := ( RIAddr >> (i*8)) & 0xff

我提出的新 idea 对 [3] 的改进能够带来以下几个好处：

1. 大部分数据包仅靠 1 个包就可以 traceback。根据上面的假设，正常的数据包应该仅仅在 IP 地址的低位与路由器接口 IP 不同，这样仅仅需要在 mark 中的低 15 位与源 IP 异或就能得到路由器接口 IP（case 1）。
2. 加快路由器对正常数据包的处理速度。由于正常的数据包仅需要 1 个包就能 traceback，不需要计算地址的 hash 值，大大加快了路由器对正常数据包，也是大部分数据包的处理速度。
3. 不影响正常 IP 数据包的 fragment 策略。由于大部分正常的数据包仅仅需要一个包就能 traceback，那么修改 IDENTIFICATION 域对这些数据包的 fragment 策略毫无影响。对于非正常的数据包，本算法需要多个包才能 traceback，所以对其 fragment 策略会有影响，但由于它是非正常的数据包，不用考虑后果。

之所以觉得这个 idea 小，有两个原因：

• 第一是在别人方案基础上做的改进，创新不够；
• 第二是需要部署到全网（至少某个运营商内部）所有接入路由器上，（尤其在 IPv6 已增强安全性的前提下）不太可能实现。

这也符合我对很多研究的看法，虽然有意义，但在工程上基本价值不大，基本上就自己 YY 一下。