TCP SYN泛洪攻击

尽管这种攻击已经出现了十四年，但它的变种至今仍能看到。虽然能有效对抗SYN洪泛的技术已经存在，但是没有对于TCP实现的一个标准的补救方法出现。你可以在如今的操作系统和设备中找到保护应用层和网络层的不同解决方案的不同实现。本篇论文详细描述这种攻击并展望和评估现在应用于终端主机和网络设备的对抗SYN洪泛方法。

1 基本的漏洞

SYN洪泛攻击首次出现在1996年。当时Phrack杂志中描述了这种攻击并用代码实现了它[1]。这些信息被迅速应用于攻击一个网络服务提供商(ISP)的邮件和Telnet服务，并造成了停机。CERT(Computer Emergency Response Team)不久就发布了对于这种攻击技术的初步评估与解决方案[2]。

SYN洪泛攻击的基础是依靠TCP建立连接时三次握手的设计。第三个数据包验证连接发起人在第一次请求中使用的源IP地址上具有接受数据包的能力，即其返回是可达的。图1显示了一次普通的TCP连接开始时交换数据包的过程。





TCB(TCP 传输控制块)是一种包含一个连接所有信息的传输协议数据结构(实际上在许多操作系统中它是用于处理进站(inbound)连接请求的一个队列,该队列保存那些处于半开放(half-open)状态的TCP连接项目，和已建立完整连接但仍未由应用程序通过accept()调用提取的项目)。一个单一的TCB所占内存大小取决于连接中所用的TCP选项和其他一些功能的实现。通常一个TCB至少280字节，在某些操作系统中已经超过了1300字节。TCP的SYN-RECEIVED状态用于指出这个连接仅仅是半开连接，请求是否合法仍被质疑。这里值得注意的一个重要方面就是TCB分配空间的大小取决于接收的SYN包——在连接被完全建立或者说连接发起人的返回可达性被证实之前。

这就导致了一个明显潜在的DoS攻击，到达的SYN包将被分配过多的TCB而导致主机的内核内存被耗尽。为了避免这种内存耗尽，操作系统通常给监听接口关联了一个"backlog"队列参数，它同时维护连接的TCB上限数量和SYN-RECEIVED状态。尽管这种方案使主机的可用内存免遭攻击，但是backlog队列本身就带来了一个(小的)受攻击源。当backlog中没有空间时，就不可能再响应新的连接请求，除非TCB能被回收或者从SYN-RECIEVE状态中移除。

试图发送足够多的SYN包而耗尽backlog是TCP SYN洪泛的目的。攻击者在SYN包中加入源IP地址，这样就不会导致主机将已分配的TCB从SYN-RECEVIED状态队列中移除(因为主机将响应SYN-ACK)。因为TCP是可靠的，目的主机在断开半开连接并在SYN-RECIEVED队列中移除TCB之前将等待相当长的时间。在此期间，服务器将不能响应其他应用程序合法的新TCP连接请求。图2显示了简单的TCP SYN洪泛攻击的过程。



图3显示了目前网络中检测到的一些SYN攻击变种。





2 直接攻击

如果攻击者用他们自己的没有经过伪装的IP地址快速地发送SYN数据包，这就是所谓的直接攻击。这种攻击非常容易实现，因为它并不涉及攻击者操作系统用户层以下的欺骗或修改数据包。例如，他可以简单地发送很多的TCP连接请求来实现这种攻击。然而，这种攻击要想奏效攻击者还必须阻止他的系统响应SYN-ACK包，因为任何ACK、RST或ICMP(Internet Control Message Protocol)包都将让服务器跳过SYN-RECEIVED状态(进入下一个状态)而移除TCB(因为连接已经建立成功或被回收了)。攻击者可以通过设置防火墙规则来实现，让防火墙阻止一切要到达服务器的数据包(SYN除外)，或者让防火墙阻止一切进来的包来使SYN-ACK包在到达本地TCP处理程序之前就被丢弃了。

一旦被检测到，这种攻击非常容易抵御，用一个简单的防火墙规则阻止带有攻击者IP地址的数据包就可以了。这种方法在如今的防火墙软件中通常都是自动执行的。

3 欺骗式攻击

SYN洪泛攻击的另一种方式是IP地址欺骗。它比直接攻击方式更复杂一点，攻击者还必须能够用有效的IP和TCP报文头去替换和重新生成原始IP报文。如今，有很多代码库能够帮助攻击者替换和重新生成原始IP报文。

对于欺骗式攻击，首先需要考虑的就是选择地址。要使攻击成功，位于伪装IP地址上的主机必须不能响应任何发送给它们的SYN-ACK包。攻击者可以用的一个非常简单的方法，就是仅需伪装一个源IP地址，而这个IP地址将不能响应SYN-ACK包，或许因为这个IP地址上根本就没有主机，或许因为对主机的地址或网络属性进行了某些配置。另一种选择是伪装许多源地址，攻击者会假想其中的一些伪装地址上的主机将不会响应SYN-ACK包。要实现这种方法就需要循环使用服务器希望连接的源IP地址列表上的地址，或者对一个子网内主机做相同的修改。

如果一个源地址被重复地伪装，这个地址将很快被检测出来并被过滤掉。在大多数情况下运用许多不同源地址伪装将使防御变得更加困难。在这种情况下最好的防御方法就是尽可能地阻塞源地址相近的欺骗数据包。

假设攻击者是在一个“互联”的网络中(例如一个自治系统(Autonomous System))，由其ISP限制攻击者所在网络流量的输入输出过滤将能够制止这种欺骗攻击——如果这种方法能被机构部署到正确位置的话。这种流量输入输出过滤的防御方式将限制一些合法的通信，比如移动IP三角路由运作模式，因此不可能被普遍部署。IP安全协议(IPsec)同样也提供了一种抵御欺骗包的优秀方式，但是这协议因为部署限制还不能被使用。由于对于服务器方通常不可能要求链接发起人的ISP去实施地址过滤或者要求其使用IP安全协议，因此抵御这种用多地址伪装的欺骗攻击还需要更加复杂的解决方案，将在后文讨论到。

4 分布式攻击

对于单个运用欺骗式攻击的攻击者真正的限制因素是如果这些伪装数据包能够以某种方式被回溯到其真正的地址，攻击者将被简单地击败。尽管回溯过程需要一些时间和ISP之间的配合，但它并不是不可能的。但是攻击者运用在网络中主机数量上的优势而发动的分布式SYN洪泛攻击将更加难以被阻止。如图3所示，这些主机群可以用直接攻击，也可以更进一步让每台主机都运用欺骗攻击。

如今，分布式攻击才是真正可行的，因为罪犯拥有数以千计的主机供他来进行拒绝服务(DoS)攻击。由于这些大量的主机能够不断地增加或减少，而且能够改变他们的IP地址和其连接，因此要阻止这类攻击目前还是一个挑战。

5 攻击的一些参数

SYN洪泛攻击能够比一般的仅仅是向目标网络发送大量数据包的蛮力DoS攻击用更少的数据包进行攻击。但是这需要对服务器的操作系统有一定了解，比如它分配了多少的backlog队列空间，在超时并丢弃TCB前它会将TCB在SYN-RECIEVED状态里保持多久。例如，攻击者可以发送刚好是backlog队列大小的一定数量的SYN包，并且其周期刚好是TCB被回收的时间，这样就可以让服务器永远不可用。

最近的一些系统基本都是默认backlog大小为1024字节，但是网络上的很多服务器都将其配置为128字节或更少。通常重传SYN-ACK的时间阈值时5秒，是通常成功接收时间的两倍，默认超时时间是3秒，在第一个SYN-ACK发出到其TCB被回收的时间是189秒。

6 网络终端的对策

6.1增加TCP backlog队列

由于其基本攻击原理是依赖于终端主机连接套接字的backlog溢出，因此一个显然的基于终端主机的解决方案是增加backlog队列大小，而且这种方法已经广泛的运用于大多数服务器了。增加backlog队列通常是通过修改应用的listen()函数调用和一个操作系统内核参数SOMAXCONN——它用于设置一个应用程序能够接收的backlog上限值。这种方法本身并不能被完全认为是抵御SYN洪泛的有效方法，即使在一些能够有效支持超大backlog队列分配的操作系统中，因为攻击者能够任意生成比其操作系统支持的backlog还大得多的数据报。

6.2减少SYN-RECEIVED的时间

另一个基于终端主机的解决方法是缩短一个TCB从进入SYN-RECEIVED状态到因未进入下一个状态而被回收之间的时间。但这个方案的一个明显缺点是攻击可以利用因拥塞而丢包的ACK-SYN或者握手完成的ACK包，这样合法连接的TCB就会由于主机忙于重传这些包(因为SYN-RECEIVED时间减少)而被回收。此外，在管理员减少SYN-RECEIVED状态时间多少和攻击者的发包率之间仅仅是一个线性关系而已。基于上述原因，此方案并不建议采用。

6.3 SYN缓存

另外两种方案是基于SYN缓存和SYN cookies(见6.4)的，简化因接收SYN而生成TCB时初始化的状态，推迟全状态的实例化[4]。在采用SYN缓存的主机中，一个带有被限制大小的HASH表空间被用于存放那些将被分配给TCB的数据的一个子集。如果当握手完成的ACK接收到了，这些数据将被复制到一个完整的TCB中，否则超出存活时间的HASH值将会在需要时被回收。在Lemon的FreeBSD中，对于一个半开连接的SYN缓存是160字节，而一个完整的TCB是736字节，并且支持15359个SYN缓存空间。

SYN缓存的数据结构对于那些试图让HASH表空间溢出的攻击者是健壮的。因为在其HASH值里面包含了对方的端口号和一些密码比特。由于堆栈相对于链表是一种更加高效的数据结构，因此堆栈被用于SYN缓存以提高速度。在Lemon的测试中，处于活跃攻击下的主机用SYN缓存能够建立连接且仅仅比正常时间延缓了15%的时间。

6.4 SYN Cookies

对比SYN缓存的方法，SYN Cookies技术做到了接收到一个SYN时完全不需要分配空间。因为构成连接状态的最基本数据都被编码压缩进SYN-ACK的序列号比特位里了。对于一个合法连接，服务器将收到一个带有序列号(其实序列号已经加1)的ACK报文段，然后基本的TCB数据将被重新生成，一个完整的TCB通过解压确认数据将被安全的实例化。这种解压即使在重度攻击下仍然能够成功，因为在主机端根本没有任何存储负载，只有计算编码数据到ACK序列号中的负载。其不足之处就是，不是所有的TCB数据都能添加到32位的序列号段中，所以一些高性能要求的TCP选项将不能被编码。其另一个问题是这样的SYN-ACK报文段将不能被转发(因为转发需要完整的状态数据)。

Andre Oppermann最近的一些研究是运用TCP时间戳选项结合序列号字段编码更多的状态信息，保存那些高性能选项的应用，比如TCP窗口大小,TCP选择性确认选项(TCP Selective Acknowledgment Options )以及TCP MD5摘要对SYN cookies的支持。这使SYN Cookies向前迈进了一步，他消除了之前SYN cooikes实现不能支持这些功能的缺陷。

TCP SYN cookies 的规范格式并不涉及互操作性问题，因为它们仅在本地被处理，对于生成和验证的规范和过程在不同实现中会稍有不同。

6.4.1 SYN cookies的生成

为了在使用SYN cookies时计算出SYN-ACK序列号(就是SYN cookies)，主机首先要结合一些本机的密码比特，一个包括IP地址和TCP端口号的数据结构，SYN初始序列号，和一些标识密码比特的索引数据。在所有上述字节之上生成一个MD5摘要，然后一些比特位从hash值里被截断以便将其放入到SYN-ACK序列号中。由于序列号的大小大约是全部hash值的四分之一，因此这种截断是必要的，但是通常验证的时候至少要用3字节大小的hash比特位，这意味着在不知道密码比特位的情况下仍然有将近2^24种可能性去猜测验证cookies。为了将hash值发送出去，cookies的一些比特位将使SYN包含的MSS(最大报文段长度)的上限值变小，并影响在hash值中标识本机密码位的索引位。

6.4.2 SYN cookies的验证

为了验证SYN cookies，首先要将收到的ACK报文段中的确认号减1以便重新生成SYN cookies。对于这些已被截断过的hash位验证值的计算是基于双方IP地址，端口号，序列号减1和与cookie中索引号对应的密码池中的值。如果被计算出来的这些值与cookie中的值相同，此时TCB才初始化并开始建立连接。被编码的MSS上界被用来设置一个不超过最初值的合理大小的MSS值。MSS通常由3个比特位来实现，这三个比特位对应8个由一般链路的MTU(最大传输单元)和以太网头部计算出的MSS值。

6.5混合方式

混合方式将上述的两种或更多防御方法联合起来使用。例如，一些终端机操作系统同时实现了一个超大backlog队列和SYN cookies，但是仅仅当backlog的大小超过一定阈值时SYN cookies才被使用，这样就能在不涉及SYN cookies缺点的情况下正常使用，也允许在遭受攻击时转移到SYN-cookies防御。

7 基于网络的对策

7.1过滤

网络层最基本的防御是RFC 2827[3]里描述的过滤应用。采用输入源过滤，ISP拒绝将一个源IP地址不属于其来源子网的包进行更远的路由。输入源过滤能够有效地阻止用IP伪装的SYN洪泛攻击。然而这种方法在目前是没用的，因为其很难大规模部署。而且输入源过滤同样不能抵御分布式攻击。

7.2防火墙与代理

一个有防火墙或者代理的设备在网络中就能够通过两种方法缓冲SYN洪泛攻击，一种是对连接发起人伪装SYN-ACK包，另一种是对服务器伪装ACK包[5]。





如果连接发起人是合法的，防火墙/代理就会收到ACK，然后在它自己和服务器之间建立连接并伪装连接发起人的地址。防火墙/代理将连接双方分割开。这种分割能够抵御SYN洪泛攻击，因为服务器方根本没接受收过攻击者的SYN。只要防火墙/代理实现了一些基于TCP的防御策略，比如SYN cookies或SYN 缓存，他就能够保护所有在其后面的服务器免于SYN洪泛攻击。





另一种是响应SYN-ACK的伪装ACK包通过防火墙/代理到达服务器。这种伪装防止服务器的TCB一直停留在SYN-RECEIVED状态，因此保证了backlog队列中的空余空间。防火墙/代理将会停留等待一段时间，如果连接发起人正确的ACK没有被检测到，它将会通过伪装的TCP RET报文使服务器释放TCB。对合法的连接，数据包流能够在没有防火墙/代理的影响下继续进行。这种方法相比于上面伪装SYN-ACK的方法更具吸引力，因为当合法连接建立以后防火墙/代理不需要直接参与到连接中去。

8 活动监视器

活动监视器是一种能够检测并干预发往服务器的流量的设备，跟像防火墙一样，它并不是网络路由中必须的设备。一种典型的监视器会像7中的ACK伪装的防火墙/代理一样，拥有一个附加的能力，就是如果它发现SYN包来源于它知道的攻击者源地址就会立刻发送伪装RST包给服务器。活动监视器因其便宜容易部署(相比于基于防火墙和输入源过滤的方案)而具有实用性，而且仍然能够保护整个服务器网络而不需要每台服务器操作系统都实现一个基于终端的解决方案。

9 SYN洪泛与相关一些攻击的比较

除了SYN洪泛，通过在TCP已建立的连接中伪装源IP地址和连接参数的一些其他攻击也是可能的。如果攻击者能够推测到双方的IP地址，TCP端口号和合法的序列号，就能通过重置或修改恶意数据而破坏连接。除了伪装TCP报文段，伪装ICMP数据包同样也能终止一个TCP连接。

不管是这些攻击还是SYN洪泛，其目标都是受害者的TCP应用程序，而且能够用比蛮力洪泛数据包方法小的多的代价来中断受害者的服务。然而，SYN洪泛与其他TCP欺骗攻击相比有很大的不同。SYN洪泛攻击新连接的服务而不影响已建立的连接，然而其他欺骗攻击却是打断已建立的连接不能从开始阻止新的连接。SYN攻击仅仅通过修改初始握手程序就能被制止，然而其他的欺骗攻击需要整个连接生命周期中检查每一段数据。SYN洪泛和其他TCP欺骗攻击之间的共同之处是他们都是取决于攻击者发送伪装源地址IP数据包的能力，而防御它们的相同方法都是部署更多的地址过滤或使用IP安全协议(IPsec)。

10 总结

在我看来，一些SYN缓存技术的变体应该作为固化功能将其植入到服务器操作系统中去，而且这些变体可以适当的情况下结合其他解决方案(基于地址的过滤，ACK伪装防火墙，IP安全协议等等)一起部署。目前也有许多专家正在致力于研究健壮性更强的TCP协议，也希望这些补充协议能够早日部署。