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使用 Nginx 三方扩展 ngx_waf 快速实现一个高性能的 Web 应用防火墙

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缓存策略为 LRU，IP 检查和 CC 防御花费常数时间，其它的检查花费 O(nm) 的时间，其中 n 是相关规则的条数，m 为执行正则匹配的时间复杂度，但是每次检查过后会自动缓存本次检查的结果，下次检查相同的目标时就可以使用缓存而不是检查全部的规则。不会缓存 POST 请求体的检查结果。

​​

1工具特点

该 Nginx 的第三方扩展工具，可以防御 CC 攻击(超出限制后自动拉黑对应 IP 一段时间或者使用验证码做人机识别)，可以支持多种黑白名单(IP/POST/URL/UA等等)，还可以提供防护 SQL 注入和 XSS 工具。

  • 使用简单
    • 配置文件和规则文件书写简单，可读性强
  • 基础防护
    • 如 IP 或 IP 网段的黑白名单、URI 黑白名单和请求体黑名单等
  • 高性能
    • 使用高效的 IP 检查算法和缓存机制，支持 IPV4 和 IPV6
  • 高级防护
    • 兼容 ModSecurity 的规则，你可以使用 OWASP 的核心规则库
  • 友好爬虫验证
    • 支持验证 Google、Bing、Baidu 和 Yandex 的爬虫并自动放行，避免错误拦截，主要是基于 User-Agent 和 IP 的识别规则
  • 验证码
    • 支持三种验证码：hCaptcha、reCAPTCHAv2 和 reCAPTCHAv3

2模块安装

Nginx 提供两种安装模块的方式，即「静态链接」和「动态加载」，通过两种方式安装的模块也分别称为「静态模块」和「动态模块」，可以通过运行脚本 assets/guide.sh 来选择使用静态模块还是动态模块。

# 执行如下命令
$ sh assets/guide.sh

# 如果输出下面这行，则建议使用动态模块
# It is recommended that you use dynamic modules.

# 如果输出下面这行，则建议使用静态模块
# It is recommended that you use static modules.
  • [1] 静态模块

编译安装一个新的模块需要知道当前的 Nginx 的 configure 脚本的参数，您可以通过运行 nginx -V 来获取，务必记住 configure arguments: 后面的内容。安装静态模块需要重新编译整个 Nginx，花费的时间相对于安装动态模块比较长。如果不想在替换二进制文件时，关闭 Nginx 服务的话，可以参考官方文档的热部署方案。

# 下载对应的Nginx版本
# http://nginx.org/en/download.html
$ cd /usr/local/src
$ wget https://nginx.org/download/nginx-1.20.1.tar.gz
$ tar -zxf nginx-1.20.1.tar.gz

# 使用稳定版的源码
$ cd /usr/local/src
$ git clone -b lts https://github.com/ADD-SP/ngx_waf.git

# 运行配置脚本
$ cd /usr/local/src/nginx-1.20.1
$ ./configure ARG --add-module=/usr/local/src/ngx_waf
$ sed -i 's/^(CFLAGS.*)/1 
    -fstack-protector-strong -Wno-sign-compare/' 
    objs/Makefile

# 编译(非并行/并行)
$ make
$ make -j$(nproc)

# 替换Nginx二进制文件(假设已经安装过)
$ cp objs/nginx /usr/local/nginx/sbin/nginx
  • [2] 动态模块 - 下载预构建的模块

通过执行脚本 assets/download.sh 来下载动态模块。

# 用于nginx-1.20.1的LTS版的模块
$ sh assets/download.sh 1.20.1 lts

# 用于nginx-1.20.1的最新版的模块
$ sh assets/download.sh 1.20.1 current

# 执行成功后会有如下输出
checking for command ... yes
checking for libc implementation ... yes
 + GNU C libary
Pulling remote image addsp/ngx_waf-prebuild:ngx-1.20.1-module-beta-glibc
......
Download complete!

如果看到 Download complete! 的话，则说明下载成功，模块会被保存在当前目录下。你可以将其拷贝到一个目录下，然后在 nginx.conf 的顶部添加一行。然后关闭 Nginx 服务并运行 nginx -t。如果没有出错则说明模块被正常加载，反之则说明您的 Nginx 不支持预构建的模块，请编译安装模块。

load_module "/path/to/ngx_http_waf_module.so";


  • [3] 动态模块 - 编译动态模块

编译安装动态模块并不需要重新编译整个 Nginx，只需要重新编译所有的模块，所以速度相对静态模块快一些，这也是本文档推荐的方式。

# 下载对应的Nginx版本
# http://nginx.org/en/download.html
$ cd /usr/local/src
$ wget https://nginx.org/download/nginx-1.20.1.tar.gz
$ tar -zxf nginx-1.20.1.tar.gz

# 使用稳定版的源码
$ cd /usr/local/src
$ git clone -b lts https://github.com/ADD-SP/ngx_waf.git

# 运行配置脚本
$ cd /usr/local/src/nginx-1.20.1
$ ./configure --add-dynamic-module=/usr/local/src/ngx_waf --with-compat
$ sed -i 's/^(CFLAGS.*)/1 
    -fstack-protector-strong -Wno-sign-compare/' 
    objs/Makefile

# 开始编译动态模块
$ make modules

# 将动态模块拷贝到模块目录(关闭服务)
$ cp objs/*.so /usr/local/nginx/modules

最后，在 Nginx 的配置文件顶部添加一行，表示加载这个编译好的模块。

load_module "/usr/local/nginx/modules/ngx_http_waf_module.so";

3模块使用

现在就可以在 nginx.conf 内的一个 server 块中添加配置来开启 ngx_waf 模块来配置服务的防火墙了，下面是一个例子。

  • [1] LTS 版本
http {
    ...
    server {
        ...
        # on/off 表示启用和关闭
        waf on;

        # 规则文件所在目录的绝对路径，必须以/结尾
        waf_rule_path /usr/local/src/ngx_waf/assets/rules/;

        # 防火墙工作模式，STD表示标准模式
        waf_mode STD;

        # CC防御参数
        # 1000表示每分钟请求次数上限，超出上限后封禁对应ip地址60分钟
        waf_cc_deny rate=1000r/m duration=60m;

        # 最多缓存50个检测目标的检测结果
        # 对除了IP黑白名单检测、CC防护和POST检测以外的所有检测生效
        waf_cache capacity=50;
        ...
    }
    ...
}
  • [2] Current 版本
http {
    # 声明一块共享内存
    waf_zone name=waf size=20m;
    ...
    server {
        ...
        # on/off 表示启用和关闭
        waf on;

        # 规则文件所在目录的绝对路径，必须以/结尾
        waf_rule_path /usr/local/src/ngx_waf/assets/rules/;

        # 防火墙工作模式，STD表示标准模式
        waf_mode STD;

        # CC防御参数
        # 1000表示每分钟请求次数上限，超出上限后封禁对应ip地址60分钟
        waf_cc_deny on rate=1000r/m duration=60m zone=waf:cc;

        # 对除了IP黑白名单检测、CC防护和POST检测以外的所有检测生效
        waf_cache on capacity=50;
        ...
    }
    ...
}

4常用设置

因为模块的配置比较复杂，为了降低使用难度，在这里列出了一些常见用法。

  • [1] 针对路径或文件限流

有时你可能想要限制不同的路径或文件的请求速率，比如静态资源和动态资源使用不同的速率限制。

# LTS

# 将静态资源的请求速率限制到10,000次/分钟
location /static/ {
    waf_cc_deny rate=10000r/m duration=1h;
}

# 将动态资源的请求速率限制到2,000次/分钟
location /dynamic/ {
    waf_cc_deny rate=2000r/m duration=1h;
}
# Current

http {
    waf_zone name=waf size=20m;
    server {
        # 将静态资源的请求速率限制到10,000次/分钟
        location /static/ {
            waf_cc_deny rate=10000r/m duration=1h zone=waf:cc_static;
        }

        # 将动态资源的请求速率限制到2,000次/分钟
        location /dynamic/ {
            waf_cc_deny rate=2000r/m duration=1h zone=waf:cc_dynamic;
        }
    }
}
  • [2] 开启验证码
    • hCaptcha
    • reCAPTCHAv2
    • reCAPTCHAv3

当你的站点受到 CC 攻击时开启验证码是不错的选择，因为验证码可以帮助你进行人机识别。本模块目前支持三种验证码，你应该选择一个并从其网站上申请到 Sitekey 和 Secret。配置完成之后，重启 nginx 服务。

# 下载对应的Nginx版本
# http://nginx.org/en/download.html
$ cd /usr/local/src
$ wget https://nginx.org/download/nginx-1.20.1.tar.gz
$ tar -zxf nginx-1.20.1.tar.gz

# 使用稳定版的源码
$ cd /usr/local/src
$ git clone -b lts https://github.com/ADD-SP/ngx_waf.git

# 运行配置脚本
$ cd /usr/local/src/nginx-1.20.1
$ ./configure ARG --add-module=/usr/local/src/ngx_waf
$ sed -i 's/^(CFLAGS.*)/1 
    -fstack-protector-strong -Wno-sign-compare/' 
    objs/Makefile

# 编译(非并行/并行)
$ make
$ make -j$(nproc)

# 替换Nginx二进制文件(假设已经安装过)
$ cp objs/nginx /usr/local/nginx/sbin/nginx
0
# 下载对应的Nginx版本
# http://nginx.org/en/download.html
$ cd /usr/local/src
$ wget https://nginx.org/download/nginx-1.20.1.tar.gz
$ tar -zxf nginx-1.20.1.tar.gz

# 使用稳定版的源码
$ cd /usr/local/src
$ git clone -b lts https://github.com/ADD-SP/ngx_waf.git

# 运行配置脚本
$ cd /usr/local/src/nginx-1.20.1
$ ./configure ARG --add-module=/usr/local/src/ngx_waf
$ sed -i 's/^(CFLAGS.*)/1 
    -fstack-protector-strong -Wno-sign-compare/' 
    objs/Makefile

# 编译(非并行/并行)
$ make
$ make -j$(nproc)

# 替换Nginx二进制文件(假设已经安装过)
$ cp objs/nginx /usr/local/nginx/sbin/nginx
1
# 下载对应的Nginx版本
# http://nginx.org/en/download.html
$ cd /usr/local/src
$ wget https://nginx.org/download/nginx-1.20.1.tar.gz
$ tar -zxf nginx-1.20.1.tar.gz

# 使用稳定版的源码
$ cd /usr/local/src
$ git clone -b lts https://github.com/ADD-SP/ngx_waf.git

# 运行配置脚本
$ cd /usr/local/src/nginx-1.20.1
$ ./configure ARG --add-module=/usr/local/src/ngx_waf
$ sed -i 's/^(CFLAGS.*)/1 
    -fstack-protector-strong -Wno-sign-compare/' 
    objs/Makefile

# 编译(非并行/并行)
$ make
$ make -j$(nproc)

# 替换Nginx二进制文件(假设已经安装过)
$ cp objs/nginx /usr/local/nginx/sbin/nginx
2
  • [3] 拦截请求时启用验证码

如今，许多攻击者都会使用自动工具攻击服务器，这些自动工具会尝试每一个漏洞，有的会被安全措施所拦截，有的则可以躲避检测。如果攻击者觉得你的价值比较高，可能会手动攻击你的服务。我们并不能完美地防御这些攻击，但却能很简单地提高攻击的成本。

当一个请求被拦截时，ngx_waf 会对该 IP 启用验证码，此时该 IP 想要继续访问就必须完成验证码。这基本可以废掉多数的自动攻击工具，因为这些工具会尝试每一个漏洞，而我们总能识别一些明显的攻击请求并启用验证码，而自动工具时难以通过验证的。对于手动攻击者，这也能提高他们的时间成本。

# 下载对应的Nginx版本
# http://nginx.org/en/download.html
$ cd /usr/local/src
$ wget https://nginx.org/download/nginx-1.20.1.tar.gz
$ tar -zxf nginx-1.20.1.tar.gz

# 使用稳定版的源码
$ cd /usr/local/src
$ git clone -b lts https://github.com/ADD-SP/ngx_waf.git

# 运行配置脚本
$ cd /usr/local/src/nginx-1.20.1
$ ./configure ARG --add-module=/usr/local/src/ngx_waf
$ sed -i 's/^(CFLAGS.*)/1 
    -fstack-protector-strong -Wno-sign-compare/' 
    objs/Makefile

# 编译(非并行/并行)
$ make
$ make -j$(nproc)

# 替换Nginx二进制文件(假设已经安装过)
$ cp objs/nginx /usr/local/nginx/sbin/nginx
3


  • [4] 被攻击时降低带宽占用

当你受到 CC 攻击时，攻击者的 IP 已经被 CC 防护拉黑，但是你的上下行带宽依然很高， 这是因为 CC 防护会返回一个 503 状态码，因此占用了你的带宽，你可以使用下面的配置来降低带宽占用。

444 状态码是 nginx定义的一个非标准的 HTTP 状态码，其作用就是直接关闭连接，不再发送任何数据。如果你使用了 444 状态码，那么在用户看来你的网站就像是不存在一样。这是因为网站出错一般都会有 HTTP 状态码用来提示错误， 如果访问一个网站连错误提示都没有，那么大概率是这个网站不存在。

# 下载对应的Nginx版本
# http://nginx.org/en/download.html
$ cd /usr/local/src
$ wget https://nginx.org/download/nginx-1.20.1.tar.gz
$ tar -zxf nginx-1.20.1.tar.gz

# 使用稳定版的源码
$ cd /usr/local/src
$ git clone -b lts https://github.com/ADD-SP/ngx_waf.git

# 运行配置脚本
$ cd /usr/local/src/nginx-1.20.1
$ ./configure ARG --add-module=/usr/local/src/ngx_waf
$ sed -i 's/^(CFLAGS.*)/1 
    -fstack-protector-strong -Wno-sign-compare/' 
    objs/Makefile

# 编译(非并行/并行)
$ make
$ make -j$(nproc)

# 替换Nginx二进制文件(假设已经安装过)
$ cp objs/nginx /usr/local/nginx/sbin/nginx
4
# 下载对应的Nginx版本
# http://nginx.org/en/download.html
$ cd /usr/local/src
$ wget https://nginx.org/download/nginx-1.20.1.tar.gz
$ tar -zxf nginx-1.20.1.tar.gz

# 使用稳定版的源码
$ cd /usr/local/src
$ git clone -b lts https://github.com/ADD-SP/ngx_waf.git

# 运行配置脚本
$ cd /usr/local/src/nginx-1.20.1
$ ./configure ARG --add-module=/usr/local/src/ngx_waf
$ sed -i 's/^(CFLAGS.*)/1 
    -fstack-protector-strong -Wno-sign-compare/' 
    objs/Makefile

# 编译(非并行/并行)
$ make
$ make -j$(nproc)

# 替换Nginx二进制文件(假设已经安装过)
$ cp objs/nginx /usr/local/nginx/sbin/nginx
5
  • [5] 抵御分布式 CC 攻击

CC 攻击(HTTP 洪水)是指发送大量的 HTTP 请求来耗尽服务器的资源。如果攻击者使用的 IP 较少则防御较为简单，因为只需要限制 IP 的请求频率，但是如果攻击者使用大量的 IP 进行攻击，仅仅限制 IP 的请求频率是无济于事的。这种使用大量 IP 进行 CC 攻击的方式称为分布式 CC 攻击或分布式 HTTP 洪水。

本模块提供了一些缓解方式，第一种开启验证码来缓解，第二种使用降低带宽占用，第三种使用五秒盾来缓解。你可能听说过 Cloudflare 的五秒盾，本模块的五秒盾和 Cloudflare 的完全不同。它的功能是检测客户端是否能够正确地支持 Cookie，比如发送 Cookie 和正确地处理 Set-Cookie 响应头。你可以从本项目的 assets/ 目录下找到 under-attack.html 并将其拷贝到某个路径下，然后通过修改 nginx 的配置文件来开启五秒盾。

# 下载对应的Nginx版本
# http://nginx.org/en/download.html
$ cd /usr/local/src
$ wget https://nginx.org/download/nginx-1.20.1.tar.gz
$ tar -zxf nginx-1.20.1.tar.gz

# 使用稳定版的源码
$ cd /usr/local/src
$ git clone -b lts https://github.com/ADD-SP/ngx_waf.git

# 运行配置脚本
$ cd /usr/local/src/nginx-1.20.1
$ ./configure ARG --add-module=/usr/local/src/ngx_waf
$ sed -i 's/^(CFLAGS.*)/1 
    -fstack-protector-strong -Wno-sign-compare/' 
    objs/Makefile

# 编译(非并行/并行)
$ make
$ make -j$(nproc)

# 替换Nginx二进制文件(假设已经安装过)
$ cp objs/nginx /usr/local/nginx/sbin/nginx
6
# 下载对应的Nginx版本
# http://nginx.org/en/download.html
$ cd /usr/local/src
$ wget https://nginx.org/download/nginx-1.20.1.tar.gz
$ tar -zxf nginx-1.20.1.tar.gz

# 使用稳定版的源码
$ cd /usr/local/src
$ git clone -b lts https://github.com/ADD-SP/ngx_waf.git

# 运行配置脚本
$ cd /usr/local/src/nginx-1.20.1
$ ./configure ARG --add-module=/usr/local/src/ngx_waf
$ sed -i 's/^(CFLAGS.*)/1 
    -fstack-protector-strong -Wno-sign-compare/' 
    objs/Makefile

# 编译(非并行/并行)
$ make
$ make -j$(nproc)

# 替换Nginx二进制文件(假设已经安装过)
$ cp objs/nginx /usr/local/nginx/sbin/nginx
7

5效果测试

当我们部署和配置服务完成之后，需要测试下防火墙是否正常起作用了，可以通过如下方式进行简单的测试来判断规则是否正常运行。

# 下载对应的Nginx版本
# http://nginx.org/en/download.html
$ cd /usr/local/src
$ wget https://nginx.org/download/nginx-1.20.1.tar.gz
$ tar -zxf nginx-1.20.1.tar.gz

# 使用稳定版的源码
$ cd /usr/local/src
$ git clone -b lts https://github.com/ADD-SP/ngx_waf.git

# 运行配置脚本
$ cd /usr/local/src/nginx-1.20.1
$ ./configure ARG --add-module=/usr/local/src/ngx_waf
$ sed -i 's/^(CFLAGS.*)/1 
    -fstack-protector-strong -Wno-sign-compare/' 
    objs/Makefile

# 编译(非并行/并行)
$ make
$ make -j$(nproc)

# 替换Nginx二进制文件(假设已经安装过)
$ cp objs/nginx /usr/local/nginx/sbin/nginx
8
  • [1] 简易测试
    • 运行下列命令，如果输出 403 则表示模块正常工作
# 下载对应的Nginx版本
# http://nginx.org/en/download.html
$ cd /usr/local/src
$ wget https://nginx.org/download/nginx-1.20.1.tar.gz
$ tar -zxf nginx-1.20.1.tar.gz

# 使用稳定版的源码
$ cd /usr/local/src
$ git clone -b lts https://github.com/ADD-SP/ngx_waf.git

# 运行配置脚本
$ cd /usr/local/src/nginx-1.20.1
$ ./configure ARG --add-module=/usr/local/src/ngx_waf
$ sed -i 's/^(CFLAGS.*)/1 
    -fstack-protector-strong -Wno-sign-compare/' 
    objs/Makefile

# 编译(非并行/并行)
$ make
$ make -j$(nproc)

# 替换Nginx二进制文件(假设已经安装过)
$ cp objs/nginx /usr/local/nginx/sbin/nginx
9
  • [2] 自动测试
    • 项目附带了许多测试用例，你可以通过下面的指令来运行全部的用例
# 用于nginx-1.20.1的LTS版的模块
$ sh assets/download.sh 1.20.1 lts

# 用于nginx-1.20.1的最新版的模块
$ sh assets/download.sh 1.20.1 current

# 执行成功后会有如下输出
checking for command ... yes
checking for libc implementation ... yes
 + GNU C libary
Pulling remote image addsp/ngx_waf-prebuild:ngx-1.20.1-module-beta-glibc
......
Download complete!
0
# 用于nginx-1.20.1的LTS版的模块
$ sh assets/download.sh 1.20.1 lts

# 用于nginx-1.20.1的最新版的模块
$ sh assets/download.sh 1.20.1 current

# 执行成功后会有如下输出
checking for command ... yes
checking for libc implementation ... yes
 + GNU C libary
Pulling remote image addsp/ngx_waf-prebuild:ngx-1.20.1-module-beta-glibc
......
Download complete!
1

6注意事项

本模块只保证对 nginx-1.18.0 或更新的版本的兼容性，且不保证与 Linux 以外的操作系统的兼容性。这里需要注意的是，模块与 ngx_http_rewrite_module 存在兼容性问题。

  • 当 return 指令生效时，该模块不会生效
  • 当 rewrite 指令造成了返回(如 302 重定向)时，该模块不会生效
  • 所以可以使用 try_files 代替 rewrite 指令，避免上述问题的出现
# 用于nginx-1.20.1的LTS版的模块
$ sh assets/download.sh 1.20.1 lts

# 用于nginx-1.20.1的最新版的模块
$ sh assets/download.sh 1.20.1 current

# 执行成功后会有如下输出
checking for command ... yes
checking for libc implementation ... yes
 + GNU C libary
Pulling remote image addsp/ngx_waf-prebuild:ngx-1.20.1-module-beta-glibc
......
Download complete!
2

7参考链接

  • Github 代码仓库
  • 黑白名单规则说明
  • 检测项目规则优先级
  • 模块的内置变量
  • 日志相关的配置说明

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