Giải mã Rate Limiting: Lá chắn bảo vệ API khỏi các cuộc tấn công mạng

Trong thời đại số, máy chủ back-end chính là trái tim của các ứng dụng hiện đại. Tuy nhiên, việc đảm bảo an ninh cho hệ thống này là vô cùng quan trọng, đặc biệt là trước các cuộc tấn công mạng ngày càng tinh vi.

Máy chủ Back-End - trái tim dễ bị tổn thương

Máy chủ back-end đóng vai trò then chốt trong hoạt động của các ứng dụng hiện đại. Chính vì thế, việc xây dựng và phát triển chúng đòi hỏi trình độ chuyên môn cao. Tuy nhiên, điều quan trọng là phải đảm bảo các máy chủ back-end này được bảo mật tốt trước các tác nhân xấu (tin tặc, kẻ lừa đảo).

Những yếu tố bất lợi này có thể truy cập máy chủ back-end thông qua các điểm dễ bị tấn công trong cổng kết nối để gây hại. Chúng có thể đánh cắp thông tin, ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất và hiệu quả của ứng dụng thông qua nhiều hình thức tấn công API khác nhau. Một số ví dụ điển hình bao gồm tấn công SQL injection, tấn công DDoS (Distributed Denial-of-Service), phần mềm độc hại và các phương pháp khác nhằm khai thác lỗ hổng bảo mật.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung tìm hiểu về rate limiting, một kỹ thuật quan trọng giúp bảo vệ API back-end khỏi bị tin tặc khai thác thông qua các cuộc tấn công DDoS, tấn công Brute-force và các hoạt động độc hại khác. Nhưng trước tiên, rate limiting là gì?

Định nghĩa Rate Limiting và tầm quan trọng của nó

Rate limiting là một cơ chế được thiết lập để điều chỉnh tần suất các yêu cầu được thực hiện bởi một máy khách đến máy chủ back-end. Nó ngăn chặn việc lặp lại yêu cầu của máy khách trong một khoảng thời gian xác định. Vậy tại sao chúng ta phải triển khai rate limiting trong phát triển API?

Dưới đây là một số lý do tại sao rate limiting được sử dụng trong phát triển ứng dụng back-end.

1. Ngăn chặn tấn công DDoS

Đầu tiên, rate limiting đóng vai trò như một biện pháp phòng ngừa để giảm thiểu các cuộc tấn công DDoS. Tấn công DDoS là các cuộc tấn công độc hại vào máy chủ, liên quan đến việc làm ngập các điểm cuối máy chủ với nhiều yêu cầu, thường là hàng triệu yêu cầu. Điều này dẫn đến giảm hiệu quả của máy chủ và gián đoạn chức năng của máy chủ. Trong hầu hết các trường hợp, chúng xảy ra với việc sử dụng các bot tự động.

Các cuộc tấn công này có thể là tấn công dựa trên khối lượng, dựa trên giao thức hoặc dựa trên lớp ứng dụng. Một ví dụ điển hình về hình thức tấn công này đã xảy ra trên trang web GitHub vào năm 2018.

2. Bảo vệ dữ liệu khỏi Web Scraping

Rate limiting cũng đóng một vai trò trong việc bảo vệ các ứng dụng web và máy chủ web khỏi các chương trình cào web và trình thu thập thông tin web trái phép. Các công cụ này, cũng được tự động hóa, thường phát ra các yêu cầu liên tục để thu thập dữ liệu trang web có liên quan. Việc có một bộ giới hạn tốc độ tốt sẽ giúp ngăn chặn tất cả những điều này.

3. Chống lại tấn công Brute Force

Tấn công Brute Force liên quan đến việc cố gắng giành quyền truy cập vào tài nguyên của máy chủ bằng cách thử tất cả các cấu hình có thể có để có quyền truy cập vào tài nguyên. Điều này có thể được thực hiện thủ công nhưng chủ yếu được tự động hóa bằng cách sử dụng bot vì nó tiêu tốn tài nguyên. Rate limiting cũng được chứng minh là hiệu quả trong việc ngăn chặn các hình thức tấn công này bằng cách vô hiệu hóa các yêu cầu nếu chúng vượt quá số lượng yêu cầu cần thiết trong một khung thời gian cụ thể.

4. Tối ưu hóa tài nguyên và ứng dụng thực tiễn

Yêu cầu máy chủ thường khiến chủ sở hữu API phải trả một số chi phí về chi phí chạy và bảo trì. Việc có một bộ giới hạn tốc độ sẽ giúp điều chỉnh số lượng yêu cầu mà máy chủ có thể xử lý, giúp tiết kiệm chi phí và tối đa hóa hiệu quả.

Rate limiting như một biện pháp bảo mật đã được rất nhiều sản phẩm công nghệ áp dụng, từ ứng dụng quy mô lớn đến ứng dụng quy mô nhỏ. Ví dụ: Twitter (X) có một tính năng giới hạn rale được triển khai trong các giao diện lập trình ứng dụng mà họ cung cấp cho các nhà phát triển.

Các giao diện này cho phép truy cập vào tiện ích mở rộng đăng ký Twitter và các tính năng khác do Twitter cung cấp. Để đảm bảo hoạt động hiệu quả của các giao diện này, Twitter đã áp đặt giới hạn tốc độ là 50 yêu cầu đăng tweet cho mỗi người dùng sau mỗi 24 giờ.

Việc sử dụng giao diện lập trình ứng dụng không chỉ giới hạn ở những gì các trang web phổ biến như Twitter sử dụng. Dưới đây là một số ứng dụng thực tế khác của việc giới hạn tốc độ API trong thế giới ngày nay.

5. Giảm tỷ lệ spam

Nghiên cứu cho thấy rằng hơn 160 tỷ email spam được gửi mỗi ngày. Do đó, điều này đã thúc đẩy việc triển khai giới hạn tốc độ để hạn chế sự lan truyền của các tin nhắn không mong muốn và nội dung spam qua các nền tảng nhắn tin và gửi email trong một khoảng thời gian cụ thể. Bằng cách đó, nó khuyến khích việc sử dụng có trách nhiệm các nền tảng này.

6. Xử lý các hoạt động gian lận

Giới hạn tốc độ hiện đang được triển khai trên các ứng dụng web để giúp phát hiện các hoạt động ứng dụng web bất thường của một số người dùng có thể có ý định gian lận. Biện pháp này nhằm ngăn chặn và giảm thiểu các giao dịch gian lận đang diễn ra được thực hiện trên máy chủ ứng dụng.

7. Vô hiệu hóa xác thực người dùng độc hại

Các cá nhân có ý định xấu có thể muốn xâm phạm các máy chủ web bằng cách thực hiện một số biện pháp như tấn công brute force, DDoS và các kỹ thuật khác để chiếm đoạt tài khoản của người dùng khác.

Tuy nhiên, một số trang web có hệ thống giới hạn tốc độ hiệu quả, giới hạn số lần đăng nhập của một cá nhân vào trang web trong một khoảng thời gian cụ thể. Điều này cũng góp phần vào các biện pháp bảo mật web.

8. Cơ chế hoạt động của Rate Limiting

Các công cụ giới hạn tốc độ được sử dụng trong các ứng dụng được triển khai dựa trên các cấu trúc thuật toán khác nhau. Các thuật toán này hướng dẫn chức năng của công cụ giới hạn tốc độ có mục tiêu cuối cùng là giới hạn số lượng yêu cầu mà máy chủ nhận được trên mỗi lần để nâng cao hiệu quả của nó.

Các thuật toán Rate Limiting phổ biến

Dưới đây là một số thuật toán phổ biến nhất hiện đang được sử dụng.

1. Thuật toán cửa sổ cố định (Fixed Window Algorithm)

Thuật toán này dựa trên việc cố định một khoảng thời gian xác định tĩnh bởi máy chủ cho tất cả máy khách, điều chỉnh số lượng yêu cầu có thể được thực hiện cho máy chủ, bất kể số lượng máy khách truy cập API.

Ví dụ: việc đặt giới hạn yêu cầu là 5 phút sẽ ngăn bất kỳ máy khách nào truy cập điểm cuối cho đến khi hết khoảng thời gian 5 phút. Mô hình này không hiệu quả về chi phí.

2. Thuật toán cửa sổ trượt (Sliding Window Algorithm)

Thuật toán này tương tự như cấu hình với thuật toán cửa sổ cố định nhưng nó cung cấp giải pháp cho thuật toán cửa sổ cố định bằng cách cá nhân hóa quyền truy cập của máy khách vào một số lượng yêu cầu nhất định trong một khoảng thời gian cụ thể bằng cách tạo khoảng thời gian độc lập cho mỗi máy khách.

Ví dụ: nếu Máy khách A truy cập yêu cầu vào lúc 10:00, máy khách được phép thực hiện 10 yêu cầu cho đến khi hết thời gian vào lúc 10:03, trong khi Máy khách B truy cập yêu cầu vào lúc 10:02 được phép thực hiện 10 yêu cầu cho đến khi hết hạn vào lúc 10:05.

3. Thuật toán Leaky Bucket

Thuật toán này dựa trên ý nghĩa đen của tên gọi của nó: leaky bucket (xô rò rỉ). Nó đảm bảo rằng chỉ một số lượng yêu cầu cụ thể có thể được máy chủ xử lý tại bất kỳ thời điểm nào. Bất kỳ yêu cầu nào vượt quá số lượng này sẽ bị loại bỏ và đưa ra thông báo "lỗi 429". Điều này nhằm đảm bảo rằng máy chủ không bị quá tải và đảm bảo duy trì hiệu quả và tốc độ của máy chủ.

4. Thuật toán Token Bucket

Mô hình này tương tự như leaky bucket vì có một bucket giả định đóng vai trò là bộ giới hạn tốc độ. Bucket này phục vụ để quản lý các token và các token mới được thêm định kỳ vào bucket.

Khi một yêu cầu được thực hiện, một token sẽ bị loại bỏ và điều này tiếp tục cho đến khi tất cả các token trong bucket bị cạn kiệt. Tại thời điểm đó, bất kỳ yêu cầu nào được thực hiện sẽ bị loại bỏ với thông báo "lỗi 429". Điều này cũng giúp ngăn ngừa tắc nghẽn máy chủ và đảm bảo hiệu quả tối đa.

Các Best Practices tốt nhất cho Rate Limiting

Việc phát triển API web hiệu quả chủ yếu có thể đạt được bằng cách tuân theo các phương pháp hay nhất để phát triển API. Để tối đa hóa việc sử dụng bộ giới hạn tốc độ như một biện pháp bảo mật API, cần triển khai những điều sau đây.

• Đầu tiên, hãy chọn một thuật toán giới hạn tốc độ tương thích. Việc có một thuật toán giới hạn tốc độ mạnh mẽ sẽ rất cần thiết để đạt được kết quả mong muốn. Việc chọn thuật toán giới hạn tốc độ tốt nhất phù hợp với điểm cuối API của bạn cũng sẽ rất cần thiết.
• Đảm bảo rằng các giới hạn được đặt nằm trong phạm vi giới hạn hợp lý. Việc đặt các tham số giới hạn tốc độ tùy ý có thể ảnh hưởng tiêu cực đến trải nghiệm của người dùng và điều đó có thể phá hỏng mục đích của nó. Việc đặt giới hạn thời gian hợp lý để tối đa hóa trải nghiệm của người dùng và giảm thiểu các cuộc tấn công đã được chứng minh là hiệu quả hơn nhiều.
• Đảm bảo xử lý lỗi hiệu quả và cung cấp phản hồi cần thiết cho máy khách. Mã lỗi giới hạn tốc độ mặc định là mã lỗi 429. Xử lý thích hợp các lỗi xảy ra trong quá trình sử dụng API, đặc biệt là do lạm dụng API, sẽ rất cần thiết để cung cấp phản hồi cần thiết cho người dùng.
• Thực hiện các cơ chế giới hạn tốc độ linh hoạt trên một số tham số. Việc đặt khoảng thời gian cố định trên tất cả các điểm cuối dường như là một thực tế tồi vì một số điểm cuối API nhạy cảm với dữ liệu hơn nhiều so với những điểm cuối khác. Do đó, việc có một bộ giới hạn tốc độ linh hoạt đặt các tham số theo thứ tự liên quan sẽ giúp tối đa hóa hiệu quả của máy chủ và đảm bảo an ninh.
• Đảm bảo việc cung cấp các công cụ ghi nhật ký, giám sát và quan sát ứng dụng phù hợp. Việc có các công cụ đo lường, ghi nhật ký, giám sát và quan sát API cũng giúp đóng vai trò như một kỹ thuật bảo mật bổ sung cho API web vì chúng giúp theo dõi hoạt động của máy chủ và thông qua việc sử dụng cảnh báo giám sát, thông báo cho nhà phát triển máy chủ khi phát hiện các yêu cầu đáng ngờ trên máy chủ.
• Đảm bảo tính đồng bộ của việc giới hạn tốc độ và các biện pháp bảo mật API khác. Nên khai thác tính đồng bộ phù hợp của bộ giới hạn tốc độ với các kỹ thuật bảo mật API khác để tăng cường các biện pháp bảo mật API. Cần phải có kiến thức đầy đủ về các biện pháp bảo mật và chuyên môn để không chống lại các biện pháp bảo mật hiện có.
• Đảm bảo tài liệu API phù hợp. Tài liệu API đầy đủ cũng cần thiết để đảm bảo người dùng, nhà phát triển và máy khách khác đều biết về thực tiễn giới hạn tốc độ được áp dụng để đảm bảo tuân thủ các quy tắc giới hạn tốc độ.

Như vậy qua bài viết này, hy vọng các bạn có thể hiểu rõ hơn về Rate Limiting cũng như cách để sử dụng nó hiệu quả nhằm giúp bảo vệ an toàn cho bạn khỏi các cuộc tấn công mạng.