计算机攻击浅谈：原理与防护

原创于 2025-08-05 19:57:33 发布 · 1k 阅读

29 ·

CC 4.0 BY-SA版权

文章标签：

#网络

计算机攻击浅谈：原理与防护

一、计算机攻击的系统性认知框架

计算机攻击并非孤立的技术行为，而是一套围绕 “突破安全边界” 形成的动态体系。理解这一体系需从攻击的本质、维度和演化逻辑三个层面建立系统观念。

（一）攻击的本质：安全属性的破坏

所有计算机攻击的核心目标都是破坏信息系统的三大安全属性：

机密性破坏：未授权获取敏感数据，如密码、商业机密等，典型如中间人攻击、彩虹表攻击；
完整性破坏：篡改数据或系统功能，如植入恶意代码、修改交易记录；
可用性破坏：阻碍合法用户访问服务，如 DDoS 攻击导致服务器瘫痪。

这三大属性相互关联，例如 DDoS 攻击在破坏可用性的同时，可能为其他攻击（如数据窃取）创造机会。

（二）攻击的技术维度

从实施路径看，攻击可划分为四个技术维度，形成完整的攻击面：

网络层攻击：利用网络协议漏洞，如 TCP/IP、DNS、ARP 等，通过流量欺骗、资源耗尽等手段突破边界，DDoS 攻击、中间人攻击均属于此类；
应用层攻击：针对软件应用的逻辑缺陷，如 Web 应用的 SQL 注入、密码存储漏洞（彩虹表攻击的前提）；
硬件层攻击：利用硬件物理特性或设计缺陷，如 ASIC 的计算能力滥用、信道侧的物理信息泄露；
社会工程学攻击：通过欺骗、诱导等非技术手段突破人为防线，为技术攻击创造条件。

（三）攻击的演化逻辑

攻击技术随防御体系升级而迭代，呈现三大规律：

从单一到复合：早期攻击多针对单一漏洞（如缓冲区溢出），现代攻击常结合多种技术（如供应链攻击 + 后门植入 + 数据窃取）；
从通用到定向：从泛洪式攻击（如早期 DDoS）转向精准打击（如 APT 攻击针对特定机构）；
从软件到硬件：随着软件防护增强，攻击者逐渐将目标转向硬件（如信道侧攻击、ASIC 加速攻击）。

二、典型攻击的深度解析

（一）网络层核心攻击：DDoS 与中间人攻击

1. DDoS 攻击：资源耗尽的底层逻辑

核心原理：利用网络协议的 “资源分配对称性缺陷”—— 攻击者用极小成本发起请求，却迫使目标消耗大量资源响应。

技术拆解与实现过程：
- 流量型攻击（如 UDP Flood）：
  
  实现过程：攻击者控制大量僵尸设备，向目标服务器的随机 UDP 端口发送海量小数据包（通常为 64 字节）。由于 UDP 协议无连接特性，服务器需花费 CPU 资源判断端口是否开放、组装响应包，而攻击者无需建立连接，仅需持续发送数据包即可。当每秒数据包量超过服务器处理能力（如 100 万 PPS），服务器网卡缓冲区被占满，合法流量无法进入。
- 连接型攻击（如 SYN Flood）：
  
  实现过程：攻击者伪造大量源 IP 地址，向目标服务器发送 TCP SYN 请求（连接建立第一步）。服务器收到后，会在半连接队列中分配资源并回复 SYN-ACK（第二步），等待客户端回复 ACK（第三步）。但攻击者从不发送 ACK，导致半连接队列被无效请求填满（如 Linux 默认半连接队列大小为 1024），新的合法 SYN 请求被直接丢弃，无法建立连接。
- 反射放大攻击：
  
  实现过程：攻击者先扫描互联网上开放 DNS 递归查询、NTP 服务的服务器（反射源），然后伪造源 IP 为目标 IP，向这些服务器发送特殊请求（如 DNS 查询 “ANY” 类型记录、NTP 的 monlist 命令）。反射源服务器会向目标 IP 返回大量响应数据，例如一个 10 字节的 DNS 请求可触发 1000 字节的响应，实现 100 倍流量放大。当大量反射源同时响应，目标带宽会被瞬间塞满。

防护体系：

边缘防护：通过 CDN 和高防 IP 分流，将攻击流量拦截在核心网络之外；
协议加固：TCP 层启用 Syncookies、限制半连接队列大小；应用层设置请求频率阈值；
智能清洗：基于机器学习识别异常流量特征（如 IP 分布、包长分布），精准过滤恶意请求。

2. 中间人攻击：通信链路的劫持艺术

核心原理：打破 “端到端通信” 的信任基础，通过欺骗手段成为通信双方的 “数据中转站”。

技术拆解与实现过程：
- 局域网劫持（ARP 欺骗）：
  
  实现过程：在局域网中，设备通过 ARP 协议维护 “IP-MAC” 映射表（ARP 缓存）。攻击者向目标主机发送伪造的 ARP 应答包，声称 “网关 IP 的 MAC 地址是攻击者设备的 MAC”；同时向网关发送伪造的 ARP 应答包，声称 “目标主机 IP 的 MAC 地址是攻击者设备的 MAC”。目标主机和网关收到后，会更新本地 ARP 缓存，后续所有通信流量都会发送到攻击者设备，攻击者可转发流量（隐蔽监听）或篡改后转发（主动攻击）。
- 广域网劫持（DNS 缓存投毒）：
  
  实现过程：攻击者监测目标 DNS 服务器的查询请求，当发现目标服务器查询 “example.com” 时，攻击者向该服务器发送伪造的 DNS 响应，响应中包含错误的 IP 地址（指向攻击者控制的服务器），且伪造响应的 TTL（生存时间）较长。若目标 DNS 服务器未严格验证响应的来源和序列号，会将错误 IP 写入缓存。当用户查询 “example.com” 时，DNS 服务器会返回错误 IP，用户流量被引导至攻击者服务器。
- 证书伪造（SSL 劫持）：
  
  实现过程：攻击者在本地生成一个伪造的 CA 证书并安装到目标客户端（通常通过恶意软件），当客户端访问 HTTPS 网站时，攻击者拦截请求，用自己的证书与客户端建立 SSL 连接，同时用真实服务器证书与目标服务器建立连接。客户端因信任伪造 CA 而认为连接安全，攻击者则能解密、篡改两端的通信数据。

防护关键：

加密链路：用 TLS 1.3 实现端到端加密，避免中间人解密；
身份锚定：通过证书锁定（Certificate Pinning）绑定服务器证书指纹，拒绝未知证书；
路径验证：使用 BGPsec 等路由协议验证网络路径，防止流量被恶意转发。

（二）应用层核心攻击：彩虹表攻击

核心原理：针对密码存储的 “哈希可逆性漏洞”—— 利用哈希函数的确定性，通过预计算实现 “哈希→明文” 的快速反查。

技术拆解与实现过程：
- 彩虹表构造：
  
  实现过程：首先定义一个哈希函数 H（如 MD5）和一个缩减函数 R（将哈希值映射为同长度的明文候选）。对初始明文 P0，计算 P1=R (H (P0))、P2=R (H (P1))… 形成哈希链 P0→H (P0)→P1→H (P1)→…→Pn。将每条链的起点 P0 和终点 H (Pn) 存入表中，链长 n 通常设为 1000-10000。通过这种方式，原本需要存储 n+1 个值的链，只需存储 2 个值，空间压缩率达 n 倍。
- 破解流程：
  
  实现过程：获取目标哈希值 Ht，先计算 P1=R (Ht)，检查是否为某条链的起点；若不是，计算 H (P1)→R (H (P1))=P2，继续检查；重复操作直至找到链的起点或达到最大步数。若找到起点 P0，沿哈希链正向计算，当 H (Pk)=Ht 时，Pk 即为明文密码。例如，对一个 8 位数字密码的 MD5 哈希，使用彩虹表可在 1 秒内完成破解，而暴力破解需数小时。

防护升级路径：

盐值干预：为每个密码添加随机盐值（如 16 字节随机数），使相同密码生成不同哈希，让通用彩虹表失效；
算法强化：使用 bcrypt、Argon2 等自适应哈希算法，通过可调迭代次数（如 2¹² 次）增加计算耗时；
密钥延伸：结合 HMAC 等机制，用服务器端密钥参与哈希计算，即使盐值泄露仍能保障安全。

（三）硬件层核心攻击：ASIC 攻击与信道侧攻击

1. ASIC 攻击：专用硬件的攻防博弈

核心原理：利用 ASIC “专用计算效率优势” 或 “硬件设计缺陷” 发起攻击，呈现双刃剑效应。

技术拆解与实现过程：
- 计算加速型（密码破解）：
  
  实现过程：针对 SHA-256 哈希算法，ASIC 设计专用电路模块，每个模块可独立执行 SHA-256 运算，通过阵列式布局集成数十万个模块并行工作。例如，一款比特币挖矿 ASIC 芯片包含 100 万个运算核心，每秒可执行 14TH/s（14 万亿次）哈希计算。攻击者将其改造用于破解密码时，可同时尝试 14 万亿个密码的哈希值，与目标哈希比对，对 8 位复杂密码可在分钟级破解。
- 硬件缺陷型（木马植入）：
  
  实现过程：在 ASIC 芯片的 RTL 设计阶段，攻击者植入一段恶意逻辑，当芯片接收到特定触发信号（如连续 3 次输入 0xDEADBEEF），恶意逻辑被激活，将加密模块的中间结果（如 AES 的轮密钥）通过未公开的测试引脚输出。芯片流片生产后，外部无法通过物理检测发现木马，只有掌握触发条件的攻击者能利用其泄露敏感信息。

防护策略：

算法抗 ASIC 设计：Scrypt 等算法通过增加内存访问需求，抵消 ASIC 的并行计算优势；
硬件供应链审计：从芯片设计（如逻辑仿真检测木马）到生产（如第三方晶圆厂监督）全程验证；
动态密钥管理：即使 ASIC 破解部分密钥，通过密钥定期轮换限制攻击影响。

2. 信道侧攻击：物理泄露的隐秘通道

核心原理：利用 “信息物理对称性”—— 密码运算的每一步都会在物理世界留下痕迹（功耗、电磁、时间），这些痕迹与密钥存在数学关联。

技术拆解与实现过程：
- 功耗分析（DPA 攻击）：
  
  实现过程：攻击者将示波器探头连接到加密芯片的电源引脚，采集 AES 加密时的功耗曲线（每次加密一条曲线，共采集 1000 条）。假设密钥第 i 位为 k，选取明文第 i 位为 0 和 1 的两组曲线，计算两组曲线的平均值之差（差分功耗）。当 k=0 时，明文第 i 位与密钥第 i 位异或结果为明文第 i 位，对应的功耗特征在两组曲线中差异显著；当 k=1 时，异或结果为明文第 i 位取反，差异特征不同。通过分析差分功耗的峰值，可确定 k 的取值，逐位破解 128 位 AES 密钥。
- 电磁分析（EMA 攻击）：
  
  实现过程：用近场电磁探头贴近芯片表面移动，记录不同位置的电磁辐射信号。当探头靠近密钥寄存器区域时，辐射强度会随密钥比特变化而波动。攻击者对辐射信号进行傅里叶变换，提取特定频率的分量（与时钟频率相关），通过与假设密钥的相关性分析，定位密钥寄存器的物理位置并提取密钥信息。
- 时间分析（RSA 攻击）：
  
  实现过程：RSA 解密时需计算 M=C^d mod N（d 为私钥），采用蒙哥马利算法时，若 d 的某比特为 1 则执行乘法，为 0 则跳过，导致运算时间随 d 的比特分布变化。攻击者发送大量不同的密文 C，测量解密时间，通过统计分析时间与 C 的关系，建立私钥比特的方程组，逐步求解出完整私钥 d。