TCP协议

之前已经介绍过TCP三次握手相关知识.本文主要介绍利用TCP协议栈三次握手弱点来进行网络攻击的SYN攻击。

TCP协议建立连接的时候需要双方相互确认信息，来防止连接被伪造和精确控制整个数据传输过程数据完整有效。这样就造成TCP连接的资源消耗，其中包括：数据包信息、条件状态、序列号等。SYN攻击通过故意不完成建立连接所需要的三次握手过程，造成连接一方的资源耗尽。

握手协议中的相关概念

半连接

在三次握手过程中，服务器发送SYN-ACK之后，收到客户端的ACK之前的TCP连接称为半连接(half-open connect).此时服务器处于Syn_RECV状态.当收到ACK后，服务器转入ESTABLISHED状态.

半连接队列

在三次握手协议中，服务器维护一个半连接队列，存放半连接。该队列为每个客户端的SYN包(syn=j)开设一个条目，该条目表明服务器已收到SYN包，并向客户发出确认，正在等待客户的ACK确认包。这些条目所标识的连接在服务器处于Syn_RECV状态，当服务器收到客户的确认包时，删除该条目，服务器进入ESTABLISHED状态。

Backlog参数

表示半连接队列的最大容纳数目。

SYN-ACK 重传次数

服务器发送完SYN－ACK包，如果未收到客户确认包，服务器进行首次重传，等待一段时间仍未收到客户确认包，进行第二次重传，如果重传次数超过系统规定的最大重传次数，系统将该连接信息从半连接队列中删除。注意，每次重传等待的时间不一定相同。

半连接存活时间

是指半连接队列的条目存活的最长时间，也即服务从收到SYN包到确认这个报文无效的最长时间，该时间值是所有重传请求包的最长等待时间总和。有时我们也称半连接存活时间为Timeout时间、SYN_RECV存活时间。

SYN攻击

SYN攻击属于DoS攻击的一种，它利用TCP协议缺陷，通过发送大量的半连接请求，耗费CPU和内存资源。

SYN攻击原理与实现

TCP三次握手的第二次握手时服务器接收到连接请求(syn= j)，将此信息加入未连接队列，并发送请求包给客户(syn=k,ack=j+1)，此时进入SYN_RECV状态。当服务器未收到客户端的确认包时，重发请求包，一直到超时或半连接数量超过半连接队列的最大值时，将此条目从未连接队列删除。

SYN攻击利用TCP协议三次握手的原理，大量发送伪造源IP的SYN包也就是伪造第一次握手数据包，服务器每接收到一个SYN包就会为这个连接信息分配核心内存并放入半连接队列，如果短时间内接收到的SYN太多，半连接队列就会溢出，操作系统会把这个连接信息丢弃造成不能连接，当攻击的SYN包超过半连接队列的最大值时，正常的客户发送SYN数据包请求连接就会被服务器丢弃。目标系统运行缓慢，严重者引起网络堵塞甚至系统瘫痪。每种操作系统半连接队列大小(Backlog参数)不一样所以抵御SYN攻击的能力也不一样。

SYN攻击+IP欺骗

配合IP欺骗，SYN攻击能达到很好的效果，通常，客户端在短时间内伪造大量不存在的IP地址，向服务器不断地发送syn包，服务器回复确认包，并等待客户的确认，由于源地址是不存在的，服务器需要不断的重发直至超时，这些伪造的SYN包将长时间占用未连接队列，正常的SYN请求被丢弃，目标系统运行缓慢，严重者引起网络堵塞甚至系统瘫痪。

检测SYN攻击

检测SYN攻击非常的方便，当你在服务器上看到大量的半连接状态时，特别是源IP地址是随机的，基本上可以断定这是一次SYN攻击.在Linux下可以如下命令检测是否被Syn攻击

netstat -n -p TCP | grep SYN_RECV

SYN攻击除了能影响主机外，还可以危害路由器、防火墙等网络系统，事实上SYN攻击并不管目标是什么系统，只要这些系统打开TCP服务就可以实施。

SYN攻击防范技术

关于SYN攻击防范技术.归纳起来，主要有两大类，一类是通过防火墙、路由器等过滤网关防护，另一类是通过加固TCP/IP协议栈防范.但必须清楚的是，SYN攻击不能完全被阻止，我们所做的是尽可能的减轻SYN攻击的危害，除非将TCP协议重新设计。

过滤网关防护

这里，过滤网关主要指明防火墙，当然路由器也能成为过滤网关。防火墙部署在不同网络之间，防范外来非法攻击和防止保密信息外泄，它处于客户端和服务器之间，利用它来防护SYN攻击能起到很好的效果。过滤网关防护主要包括超时设置，SYN网关和SYN代理三种。

网关超时设置：

防火墙设置SYN转发超时参数(第二次握手后的等待时间)，该参数远小于服务器的timeout时间。当客户端发送完SYN包，服务端发送确认包后(SYN＋ACK)，防火墙如果在计数器到期时还未收到客户端的确认包(ACK)，则往服务器发送RST包，以使服务器从队列中删去该半连接。值得注意的是，网关超时参数设置不宜过小也不宜过大，超时参数设置过小会影响正常的通讯，设置太大，又会影响防范SYN攻击的效果，必须根据所处的网络应用环境来设置此参数。

SYN网关：

是一种将半连接队列的数量增长转移到容量更大的连接队列的数量增长上的方法。SYN网关收到客户端的SYN包时，直接转发给服务器；SYN网关收到服务器的SYN/ACK包后，将该包转发给客户端，同时以客户端的名义给服务器发ACK确认包。此时服务器由半连接状态进入连接状态。当客户端确认包到达时，如果有数据则转发，否则丢弃。事实上，服务器除了维持半连接队列外，还要有一个连接队列，如果发生SYN攻击时，将使连接队列数目增加，但一般服务器所能承受的连接数量比半连接数量大得多，所以这种方法能有效地减轻对服务器的攻击。

SYN代理：

当客户端SYN包到达过滤网关时，SYN代理并不转发SYN包，而是以服务器的名义主动回复SYN/ACK包给客户，如果收到客户的ACK包，表明这是正常的访问，此时防火墙向服务器发送ACK包并完成三次握手。SYN代理事实上代替了服务器去处理SYN攻击，此时要求过滤网关自身具有很强的防范SYN攻击能力。

加固tcp/ip协议栈

防范SYN攻击的另一项主要技术是调整tcp/ip协议栈，修改tcp协议实现。主要方法有SynAttackProtect保护机制、SYN cookies技术、增加最大半连接和缩短超时时间等。tcp/ip协议栈的调整可能会引起某些功能的受限，管理员应该在进行充分了解和测试的前提下进行此项工作。

SynAttackProtect机制

为防范SYN攻击，win2000系统的tcp/ip协议栈内嵌了SynAttackProtect机制，Win2003系统也采用此机制。SynAttackProtect机制是通过关闭某些socket选项，增加额外的连接指示和减少超时时间，使系统能处理更多的SYN连接，以达到防范SYN攻击的目的。

当SynAttackProtect值(如无特别说明，本文提到的注册表键值都为十六进制)为0或不设置时，系统不受SynAttackProtect保护。

当SynAttackProtect值为1时，系统通过减少重传次数和延迟未连接时路由缓冲项(route cache entry)防范SYN攻击。

当SynAttackProtect值为2时(Microsoft推荐使用此值)，系统不仅使用backlog队列，还使用附加的半连接指示，以此来处理更多的SYN连接，使用此键值时，tcp/ip的TCPInitialRTT、window size和可滑动窗囗将被禁止。

我们应该知道，平时，系统是不启用SynAttackProtect机制的，仅在检测到SYN攻击时，才启用，并调整tcp/ip协议栈。那么系统是如何检测SYN攻击发生的呢。事实上，系统根据TcpMaxHalfOpen，TcpMaxHalfOpenRetried 和TcpMaxPortsExhausted三个参数判断是否遭受SYN攻击。

TcpMaxHalfOpen 表示能同时处理的最大半连接数，如果超过此值，系统认为正处于SYN攻击中。

TcpMaxHalfOpenRetried定义了保存在backlog队列且重传过的半连接数，如果超过此值，系统自动启动SynAttackProtect机制。Win2000　server默认值为80，Win2000 Advanced server为400。

SYN cookies技术

我们知道，TCP协议开辟了一个比较大的内存空间backlog队列来存储半连接条目，当SYN请求不断增加，并这个空间，致使系统丢弃SYN连接。为使半连接队列被塞满的情况下，服务器仍能处理新到的SYN请求，SYN cookies技术被设计出来：当半连接队列满时，SYNcookies并不丢弃SYN请求，而是通过加密技术来标识半连接状态。

在TCP实现中，当收到客户端的SYN请求时，服务器需要回复SYN＋ACK包给客户端，客户端也要发送确认包给服务器。通常，服务器的初始序列号由服务器按照一定的规律计算得到或采用随机数，但在SYN cookies中，服务器的初始序列号是通过对客户端IP地址、客户端端囗、服务器IP地址和服务器端囗以及其他一些安全数值等要素进行hash运算，加密得到的，称之为cookie。当服务器遭受SYN攻击使得backlog队列满时，服务器并不拒绝新的SYN请求，而是回复cookie(回复包的SYN序列号)给客户端， 如果收到客户端的ACK包，服务器将客户端的ACK序列号减去1得到cookie比较值，并将上述要素进行一次hash运算，看看是否等于此cookie。如果相等，直接完成三次握手(注意：此时并不用查看此连接是否属于backlog队列)。

在RedHat linux中，启用SYN cookies是通过在启动环境中设置以下命令来完成：

# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/tcp_syncookies

增加最大半连接数

大量的SYN请求导致未连接队列被塞满，使正常的TCP连接无法顺利完成三次握手，通过增大未连接队列空间可以缓解这种压力。当然backlog队列需要占用大量的内存资源，不能被无限的扩大。

缩短超时时间

上文提到，通过增大backlog队列能防范SYN攻击；另外减少超时时间也使系统能处理更多的SYN请求。我们知道，timeout超时时间，也即半连接存活时间，是系统所有重传次数等待的超时时间总和，这个值越大，半连接数占用backlog队列的时间就越长，系统能处理的SYN请求就越少。为缩短超时时间，可以通过缩短重传超时时间(一般是第一次重传超时时间)和减少重传次数来实现。