Algorithmische Grundlagen des Internets II

Transkript

1 Vorlesung Sommersemester 2003 Algorithmische Grundlagen des Internets II Fakultät für Elektrotechnik, Informatik und Mathematik Institut für Informatik AG Theoretische Informatik Algorithmen, Komplexitätstheorie, Paralleles Rechnen 1

2 Motivation und Ziel o Algorithmen und Probleme des Internets Die Struktur des Internets ist historisch gewachsen Von kleinen Anfängen zum globalen umfassenden Rechnernetzerk Das Internet vernetzt viele heterogene lokale Netzwerke (LAN) Ständig verändernde Nutzung Unterschiedliche Absichten der Nutzer Interessante algorithmische Problemstellungen und entsprechend originelle Lösungen. Ziel dieser Veranstaltung Theoretische Hintergründe hinter beispielhaften Problemstellungen und algorithmischen Lösungen vorstellen und diskutieren. 2

3 Inhalte 2. Kurzübersicht TCP/IP 4. IP: Der Kampf gegen DoS-Angriffe (denial of service) 6. TCP: Verteilte faire und effiziente Durchsatzoptimierung 8. Der Webgraph: Struktur und Aufbau Suchalgorithmen für das Internet 9. P2P (Peer to Peer-Netzwerke): Effizientes File-sharing 11.Web-Caching: Surfen ohne Engpässe 3

4 Eine Kurzeinführung von TCP/IP Das Internet-Schichtenmodell Das Internet (von worldwide inter-networking) ist das weltweite, offene WAN (wide area network) verbindet LANs (local area networks) ist systemunabhängig Anwendung z.b. Telnet, FTP, HTTP, Transport Netzwerk Link TCP (transmission control protocol) UDP (user datagramm protocol) IP (internet protocol) + ICMP (internet control message protocol) + IGMP (internet group management protocol) LAN (z.b. Ethernet, Token Ring etc.) 4

5 Netzwerkschicht (II) (network layer) o o IP ist ein Datagrammauslieferungsdienst Soweit möglich direkte Übergabe von Sender zu Empfänger Sonst: Hop-Routing über Router IP ist unzuverlässig Fehlerbehandlung: Falls Problem beim Routing: - Lösche Datagramm - Schicke Fehlermeldung durch ICMP an Absender Falls Problem beim Routing von ICMP-Fehlermeldung - Lösche Fehlermeldungspaket Keine Redundanz vorgesehen TTL-Feld begrenzt Anzahl der Hops eines Datagramms 5

6 Routing im Internet durch IP o o Routing-Prinzip für Datagramm im Router: Falls Ziel = eigene ID, dann Übergabe an Transportschicht Ansonsten falls Ziel-Netz = lokales Netz, dann verschicke Datagramm direkt an Zielrechner Ansonsten suche gemäß Ziel-IP-Adresse den nächsten Router aus lokaler Routingtabelle und sende Datagramm zum nächsten Router Unterhalt von Routingtabellen manuell (LAN) oder automatisch durch RIP (Routing Information Protocol), OSPF (Open Shortest Path First)... 6

7 Beispiel zum Zusammenspiel 7

8 Netzwerkschicht (I) (network layer) o IP (Internet Protocol) + Hilfsprotokolle ICMP (Internet Control Management Protocol) IGMP (Internet Group Management Protocol) Ermöglicht Verbund von (lokalen) Netzwerken IP ist ein unzuverlässiger verbindungsloser Datagrammauslieferungsdienst o Datagramm besteht aus Anwendungsdaten und Header: Absender, Zieladresse TOS-Feld (type of service) TTL-Feld (time to live)... (z.b. Paketlänge, Checksum für Header) 8

9 IP versus VC Internet-Router arbeiten als autonome Systeme (AS) Treffen Wegewahl unabhängig Unterhalten Routingtabellen mit unterschiedlichen Algorithmen Eigenschaft Zustandsinformation Verbindungsaufbau IP Ja keine VC Nein Ja, für etabl. Routen IP implementiert kein Virtual Circuit (VC) Virtual circuit routing etabliert Route zwischen Quelle und Ziel Eine Route in VC definiert zustand des VC IP-Routing ist zustandslos und verbindungslos Wegewahl der Pakete einer Verbindung Routerausfall Congestion control (Staukontrolle) Verschiedene Wege möglich kein Effekt, nur Pakete auf ausgefallenen Router verloren schwierig (durch TCP) Route ist fest Alle Routen durch defekten Router sind verloren Einfach 9

10 Dienstverweigerungsangriffe (Denial of Service DoS) Denial of Service (DoS)-Angriffe verbrauchen die Ressourcen eines Rechners oder Netzwerks, um deren Verfügbarkeit zu verringern oder auszuschalten. Angriffsziel Rechner z.b. SYN-Angriffe: Angriffsziel Rechner im Internet Eine Reihe von halfopen TCP-Verbindungen wird aktiviert Ununterscheidbar von regulären Anfragen Der TCP-Server muss SYN/ACK-Pakete senden und auf Reaktion warten Rechnerangriffe können rel. gut lokal abgewehrt werden 10 Angriffsziel Netzwerk z.b. SMurf-Angriff oder distributed DoS (DDoS) Angriff gegen Internet-Service Provider (ISP) Großer Datenstrom wird auf Netzwerk gerichtet Mit gleicher Häufigkeit werden gültige wie DoS-Pakete wegen Überlastung durch IP gelöscht Netzwerkangriffe sind schwierig zu bekämpfen

11 TCP-Verbindungsaufbau o In der Regel Client-Server-Verbindungen Dann Aufbau mit drei TCP-Pakete (=Segmente) Mit ersten SYN-Segment auch Übermittlung der MSS (maximum segment size) 11

12 IP ist DoS-anfällig DoS-Angriffe auf IP-Ebene können meist nicht zurückverfolgt werden Der Angreifer erzeugt Datagramme mit falscher Quell-IP-Adresse Dem Empfänger der Datagramme steht die Routeninformation nicht zur Verfügung Es sei denn alle Router kooperieren bei der Suche, während einer Attacke DoS-Datagramme können nicht von legitimen Datatgrammen unterschieden werden Nur implizit und aus dem Kontext. Beispiele: Universitätsrechner werden oft benutzt, um DoS-Attacken mit korrekter Quellinformation zu führen. 11. September 2001 Sämtliche Nachrichtensites brachen unter der legitimer Last zusammen Wie kann man die Quelle(n) einer eingehenden Datagrammflut mit gefälschten Quell-IP-Adressen bestimmen? 12

13 Quellbestimmung einer DoS-Attacke Motivation: Im einfachsten Fall: Quelle = Angreifer Abschalten instrumentalisierter Rechner beendet (vorerst) den Angriff Problem Reflektorangriff Angreifer schickt Datagramme mit Opfer-IP-Adresse als falscher Quellinformation an unbeteiligte Netzteilnehmer (Rechner oder Drucker Die unbeteiligten Netzteilnehmer beantwortet Request an mutmaßliche Quelle Das Opfer erhält die DoS-Attacke von diesen instrumentalisierten Netzteilnehmern Gegenmaßnahme Vom instrumentalisierten Netzteilnehmer aus, muss der Angreifer gefunden werden 13

14 Lösungen gegen DoS-Attacken Ingress filtering [Ferguson, Senie 98] Router blockieren Pakete mit fehlerhafter Quellinformation Sinnvoll an Schnittstellen von ISP Effektiv nur bei universellen Einsatz Wird aber nicht bei der Mehrheit der ISP eingesetzt Link testing by input debugging Routenrückverfolgung stromaufwärts Opfer beschreibt allgemeines Merkmal der DoS-Datagramme (attack signature) Opfer kommuniziert diese Merkmal an Netzwerkbetreiber der eingehenden Datagramme Dieser wiederholt dies bis zur Quelle Einige ISP haben dieses Verfahren automatisiert [Stone 00] 14

15 Quellbestimmung einer DoS-Attacke Link testing durch controlled flooding [Burch, Cheswick 99] Opfer verfügt über eine aktuelle Routingkarte Während eines DoS-Angriffs konstruiert das Opfer die Angriffsrouten stromaufwärts indem es alle Möglichkeiten der letzten unbekannten Station selber durch einen DoS-Angriff belegt Läßt die Datenmenge kurzfristig nach, ist eine Station gefunden und der Vorgang wird per Tiefensuche fortgesetzt Nachteile Opfer wird selber zum Angreifer Kaum geeignet für verteilte DoS-Angriffe (DDoS) Kann leicht von einem Angreifer überlistet werden durch eingebaute Fluktuationen 15

16 Quellbestimmung einer DoS-Attacke Logging Jeder Router zeichnet alle IP-Header auf Durch Data-Mining- Techniken kann der Angreifer bestimmt werden Aber enormer Aufwand Marking [Savage et al. 00] In ungenutzte Felder des IP- Headers schreibt jeder Router seine Adresse mit gewisser W keit Nachteil: DDoS-Pfade nur schwer rekonstruierbar ICMP Traceback Mit geringer W keit (z.b. 1/20.000) wird in einem Router ein ICMP-traceback-datagramm an den Zielknoten geschickt Der Zielknoten kann dann den Weg rekonstruieren Nachteile: ICMP-Pakete könnten bei Pufferüberlauf vor IP-datagrammen gelöscht werden 16

17 Quellbestimmung einer DoS-Attacke Routeraufwand Verwaltungsaufwand Netzwerklast Post mortem fähig Präventiv/ reaktiv Ingress filtering moderat moderat Nein präventiv Link testing by input debugging hoch hoch schlecht reaktiv Link testing by flooding hoch schlecht reaktiv Logging hoch hoch ausgezeichnet reaktiv ICMP Traceback ausgezeichnet reaktiv Markieren ausgezeichnet reaktiv 17

18 ICMP Traceback (Analyse I) Theorem 1. Wird mit Wahrscheinlichkeit p ein ICMP-Paket erzeugt, dann sind erwartet ((ln d) + O(1))/p DoS-Pakete ausreichend zur Bestimmung eines DoS Pfades aus d Routern. 2. Um mit Wahrscheinlichkeit 1 ε den Pfad zu bestimmen genügen ln(d)/p ln(ε)/p DoS Pakete. Beweis Sei t die Anzahl der DoS-Pakete. Bezeichne X i,t die Zufallsvariable die Anzahl der Pakete, die Router i nach t DoS-Paketen erzeugt. Dann ist die Wahrscheinlichkeit P[X i,t = 0], dass Router i kein ICMP-Paket erzeugt: Lemma: Für alle n>1 gilt: 18

19 ICMP Traceback (Analyse II) Sei t die Anzahl der DoS-Pakete Bezeichne X i,t die Zufallsvariable für die Anzahl der Pakete, die Router i nach t DoS-Paketen erzeugt. Die Wahrscheinlichkeit, dass einer der d Router kein Paket schickt, ist 19

20 ICMP Traceback (Analyse III) 2. Fall: Die Wahrscheinlichkeit, dass einer der d Router kein Paket schickt, soll kleiner als sein. Damit ist 1. Fall: Sei Y die Zufallsvariable, die beschreibt, wieviele Runden notwendig sind, bis jeder der d Router ein Paket verschickt hat Es gilt 20

21 ICMP Traceback (Analyse III) 1. Fall: Sei Y die Zufallsvariable, die beschreibt, wieviele Runden notwendig sind, bis jeder der d Router ein Paket verschickt hat Es gilt Der Erwartungswert von Y ist dann 21