七種IP擁塞控制算法需改進(jìn)

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DDoS攻擊引起的網(wǎng)絡(luò)擁塞，是由惡意主機(jī)控制大量傀儡機(jī)所造成的，并非傳統(tǒng)意義上的端到端擁塞，所以只能在路由器上進(jìn)行控制，即基于IP擁塞控制來實(shí)現(xiàn)的。而目前主流的七種IP擁塞控制算法都需要在改進(jìn)后，才能有效地應(yīng)用于防范DDoS攻擊。

分布式拒絕服務(wù)DDoS（Distributed Denial of Service）攻擊被認(rèn)為是目前Internet所面臨的最大威脅之一。

目前有一些常用的DDoS攻擊防護(hù)機(jī)制和方法包括: 通過修改配置和協(xié)議預(yù)防攻擊、反向查找攻擊源頭、攻擊檢測(cè)和過濾、分布式攻擊檢測(cè)和過濾(主機(jī)端/路由器端)等。

DDoS攻擊與網(wǎng)絡(luò)擁塞

網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生擁塞的根本原因在于用戶提供給網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載超過了網(wǎng)絡(luò)的存儲(chǔ)和處理能力，表現(xiàn)為無效數(shù)據(jù)包增加、報(bào)文時(shí)延增加與丟失、服務(wù)質(zhì)量降低等。如果此時(shí)不能采取有效的檢測(cè)和控制手段，就會(huì)導(dǎo)致?lián)砣饾u加重，甚至造成系統(tǒng)崩潰，在一般情況下形成網(wǎng)絡(luò)擁塞的三個(gè)直接原因是:

● 路由器存儲(chǔ)空間不足。幾個(gè)輸入數(shù)據(jù)流需要同一個(gè)輸出端口，如果入口速率之和大于出口速率，就會(huì)在這個(gè)端口上建立隊(duì)列。如果沒有足夠的存儲(chǔ)空間，數(shù)據(jù)包就會(huì)被丟棄，對(duì)突發(fā)數(shù)據(jù)流更是如此。增加存儲(chǔ)空間在表面上似乎能解決這個(gè)矛盾，但根據(jù)Nagel的研究，如果路由器有無限存儲(chǔ)量時(shí)，擁塞只會(huì)變得更壞。

● 帶寬容量相對(duì)不足。直觀地說，當(dāng)數(shù)據(jù)總的輸入帶寬大于輸出帶寬時(shí)，在網(wǎng)絡(luò)低速鏈路處就會(huì)形成帶寬瓶頸，網(wǎng)絡(luò)就會(huì)發(fā)生擁塞，相關(guān)證明可參考香農(nóng)信息理論。

● 處理器處理能力較弱。如果路由器的CPU在執(zhí)行排隊(duì)緩存、更新路由表等操作時(shí)，處理速度跟不上高速鏈路，會(huì)產(chǎn)生擁塞。同理，低速鏈路對(duì)高速處理器也會(huì)產(chǎn)生擁塞。

以上是早期Internet網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞的三個(gè)主要原因。對(duì)此，TCP擁塞控制給出了較好的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，如果所有的端用戶均遵守或兼容TCP擁塞控制機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)的擁塞能得到很好的控制。但是，當(dāng)DDoS攻擊造成網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，TCP基于窗口的擁塞控制機(jī)制對(duì)此無法加以解決。原因是攻擊帶來的擁塞是由大量惡意主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)所造成的，這些主機(jī)不但不會(huì)完成TCP擁塞控制機(jī)制所規(guī)定的配合工作，甚至本身就可能包含了偽造源地址、加大數(shù)據(jù)發(fā)送量、增加連接數(shù)等攻擊方式。在此情況下，對(duì)DDoS攻擊所造成的網(wǎng)絡(luò)擁塞就必須在路由器上進(jìn)行處理，這只能是基于IP擁塞控制來實(shí)現(xiàn)的。

需要注意的是，DDoS攻擊所造成的網(wǎng)絡(luò)擁塞不同于上面所分析的普通情況，它們之間存在著本質(zhì)差異。相比之下，DDoS攻擊所造成的擁塞，其攻擊數(shù)據(jù)常常在分組大小、到達(dá)時(shí)間、協(xié)議類型等諸多方面具有一定相關(guān)性，這是由分布式拒絕服務(wù)自身特點(diǎn)所決定的。而普通情況下的網(wǎng)絡(luò)擁塞，其數(shù)據(jù)并非由多個(gè)受控攻擊者發(fā)送，因而不具有類似的相關(guān)性。對(duì)攻擊所造成的擁塞進(jìn)行防護(hù)，就應(yīng)首先找到這個(gè)相關(guān)性，在此基礎(chǔ)上引入傳統(tǒng)擁塞控制機(jī)制并加以完善，才能進(jìn)行高效、準(zhǔn)確的檢測(cè)和控制工作。

七種主流IP擁塞控制算法及評(píng)價(jià)

根據(jù)DDoS攻擊的原理和機(jī)制，對(duì)各種機(jī)制的防護(hù)能力做評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)參照以下標(biāo)準(zhǔn): 條件一，是否能按一定規(guī)則進(jìn)行特征設(shè)定; 條件二，是否能根據(jù)一定規(guī)則對(duì)流經(jīng)的數(shù)據(jù)加以區(qū)分; 條件三，針對(duì)不同類型的數(shù)據(jù)包，是否能提供不同優(yōu)先級(jí)的服務(wù)。如果一個(gè)擁塞控制機(jī)制滿足了以上三個(gè)條件，就基本上具備了防護(hù)DDoS攻擊的能力。

下面將簡(jiǎn)略地分析當(dāng)前一些主流IP擁塞控制算法，并對(duì)其防護(hù)DDoS攻擊的可行性進(jìn)行評(píng)價(jià):

● 先進(jìn)先出FIFO（First In First Out）

傳統(tǒng)的先進(jìn)先出策略是目前Internet上使用最廣泛的一種服務(wù)模型。它的最大優(yōu)點(diǎn)是便于實(shí)施，但由于FIFO本質(zhì)上是一種“去尾”（Drop-tail）的算法，所以當(dāng)突發(fā)性數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)容易出現(xiàn)包丟失現(xiàn)象，其公平性較差，對(duì)上層的TCP快速恢復(fù)的效率也較低。

對(duì)照評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可知，該算法沒有滿足任何一個(gè)條件，過于簡(jiǎn)單且缺乏智能性，完全不能用于DDoS攻擊防護(hù)。

● 隨機(jī)早期檢測(cè)算法RED（Random Early Detection）

RED算法是按一定概率丟棄進(jìn)入路由器的數(shù)據(jù)包。RED的早期設(shè)計(jì)思路是避免丟棄屬于同一連接的連續(xù)數(shù)據(jù)包，從而提高連接的吞吐量。通過分?jǐn)偘鼇G失率，RED可以在各連接之間獲得較好的公平性，對(duì)突發(fā)業(yè)務(wù)的適應(yīng)性較強(qiáng)。RED也存在一些不足，例如可能會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定，而且選擇合適的配置參數(shù)也不是一件容易的事。近年來，研究者提出了許多RED的改進(jìn)算法，這些算法都在一定程度上，從不同方面改善了RED的性能。

對(duì)照評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可知，該方法對(duì)DDoS攻擊的防護(hù)作用不大，由于其思路是分?jǐn)偘鼇G失率，對(duì)正常業(yè)務(wù)和攻擊數(shù)據(jù)“過分公平”，不能做到有所區(qū)分，從而使得大量正常業(yè)務(wù)在攻擊發(fā)生時(shí)無法得到服務(wù)。

● 顯示擁塞指示算法ECN（Explicit Congestion Notification）

前面兩種擁塞控制算法都是通過包丟失來告訴端系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)發(fā)生擁塞。而顯示擁塞指示算法通過明確的擁塞提示（RFC2481）來實(shí)現(xiàn)擁塞控制，對(duì)一次性大批量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男Ч容^理想，但對(duì)時(shí)延有一定要求。

該算法在源端數(shù)據(jù)包中嵌入ECN，由路由器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況設(shè)置CE（Congestion Experienced）比特位。源端接收到從網(wǎng)絡(luò)中反饋回來的這種CE置位數(shù)據(jù)包后，將隨后發(fā)出的數(shù)據(jù)包標(biāo)記為可丟棄的數(shù)據(jù)包。ECN的優(yōu)勢(shì)在于不需要超時(shí)重傳，也不依賴于粗粒度的TCP定時(shí)，所以在對(duì)時(shí)延有一定要求的應(yīng)用場(chǎng)合性能較好。在此基礎(chǔ)上還提出了另一種改進(jìn)算法，它通過調(diào)整擁塞窗口CWND的大小，糾正有長(zhǎng)時(shí)間RTT的TCP連接的偏差，來改進(jìn)共享瓶頸處帶寬的公平性。

對(duì)照評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可知，該方法對(duì)防護(hù)DDoS攻擊效果不大，原因在于無攻擊特征識(shí)別和區(qū)分功能，在攻擊發(fā)生時(shí)智能性較差。

● 公平排隊(duì)算法FQ（Fair Queuing）

在FQ算法中路由器對(duì)每個(gè)輸出線路都建有一個(gè)排隊(duì)隊(duì)列。當(dāng)一條線路空閑時(shí)，路由器就來回掃描所有隊(duì)列，依次將每隊(duì)的第一個(gè)包發(fā)出。FQ的帶寬分配獨(dú)立于數(shù)據(jù)包大小，各種服務(wù)在隊(duì)列中幾乎同時(shí)開始。因此在沒有犧牲統(tǒng)計(jì)復(fù)用的情況下提供了另外的公平性，與端到端的擁塞控制機(jī)制可以較好地協(xié)同。它的缺點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)起來很復(fù)雜，需要每個(gè)數(shù)據(jù)流的排隊(duì)處理、每個(gè)流的狀態(tài)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)包的分類以及包調(diào)度的額外開銷等。

對(duì)照評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可知，該方法對(duì)防護(hù)DDoS攻擊效果不大，原因同ECN法。

● 加權(quán)公平排隊(duì)算法WFQ（Weighted Fair Queuing）

加權(quán)公平排隊(duì)算法是FQ的改進(jìn)算法。根據(jù)不同數(shù)據(jù)流的不同帶寬要求，對(duì)每個(gè)排隊(duì)隊(duì)列采用加權(quán)方法分配緩存資源，從而增加FQ對(duì)不同應(yīng)用的適應(yīng)性，該算法還有其他一些改進(jìn)算法。

對(duì)照評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可知，該方法通過改進(jìn)后可用于防護(hù)DDoS攻擊，思路是首先對(duì)攻擊進(jìn)行檢測(cè)和分類，然后將入口數(shù)據(jù)按攻擊數(shù)據(jù)、正常數(shù)據(jù)、可疑數(shù)據(jù)三種類型分別排隊(duì)處理，對(duì)攻擊數(shù)據(jù)直接丟棄，而通過對(duì)可疑和正常數(shù)據(jù)賦予一定權(quán)值，來提供不同質(zhì)量的服務(wù)。在路由器性能良好、處理能力強(qiáng)的情況下，甚至可以采取更復(fù)雜、智能的處理策略，例如多優(yōu)先級(jí)隊(duì)列。

● 加權(quán)隨機(jī)先期檢測(cè)WRED（Weighted Random Early Detection）

是將隨機(jī)先期檢測(cè)與優(yōu)先級(jí)排隊(duì)結(jié)合起來，這種結(jié)合為高優(yōu)先級(jí)分組提供了優(yōu)先通信服務(wù)能力。當(dāng)某個(gè)接口開始出現(xiàn)擁塞時(shí)，它有選擇丟棄優(yōu)先級(jí)較低的分組，而不是簡(jiǎn)單地隨機(jī)丟棄分組。

對(duì)照評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可知，該方法通過改進(jìn)后可用于防護(hù)DDoS攻擊，思路與WFQ類似，它們都符合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的條件三，改進(jìn)應(yīng)從增加條件一和條件二著手。

● 定制排隊(duì)

定制排隊(duì)是為允許具有不同最低帶寬和延遲要求的應(yīng)用程序共享網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)的。定制排隊(duì)為不同協(xié)議分配不同的隊(duì)列空間，并以循環(huán)方式處理隊(duì)列，當(dāng)特定協(xié)議的數(shù)據(jù)流被分配了較大的隊(duì)列空間，也就獲得了較優(yōu)先的服務(wù)，定制排隊(duì)比優(yōu)先級(jí)隊(duì)列更為公平。定制排隊(duì)可以保證每一個(gè)特定的通信類型得到固定的可用帶寬，同時(shí)在鏈路緊張的情況下，避免了數(shù)據(jù)流企圖超出預(yù)分配量限制的可能。

對(duì)照評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可知，該方法通過改進(jìn)后可用于防護(hù)DDoS攻擊，都是在資源分配和使用時(shí)為不同業(yè)務(wù)提供優(yōu)先級(jí)加權(quán)，改進(jìn)思路與WFQ和WRED類似。

除了以上7種方法以外，還有其他一些方法。如將FQ與RED算法結(jié)合起來的Flow RED算法，它將緩存分成若干排隊(duì)隊(duì)列，再在每個(gè)數(shù)據(jù)流使用RED算法，仿真實(shí)驗(yàn)證明它的公平性較好; 又如核心無狀態(tài)公平排隊(duì)算法CSFQ（Core-Stateless Fair Queuing）在網(wǎng)絡(luò)邊界路由器執(zhí)行數(shù)據(jù)流管理，而在核心并不做處理等等。

可以看出，這些算法的防護(hù)能力存在著較大差異，其中的任何一種都需要在改進(jìn)后，才能有效地應(yīng)用于控制DDoS攻擊所造成的網(wǎng)絡(luò)擁塞。 (ccw)