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发信人: weibin (weibin), 信区: Network
标  题: SYN攻击的基本原理、工具及检测方法以及防范技术
发信站: 哈工大紫丁香 (2004年04月13日15:14:55 星期二), 站内信件

SYN攻击的基本原理、工具及检测方法以及防范技术

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http://www.pcdog.com　天极网　2004-2-4 人气:1118

   据统计，在所有黑客攻击事件中，SYN攻击是最常见又最容易被利用的一种攻击手法。
相信很多人还记得2000年YAHOO网站遭受的攻击事例，当时黑客利用的就是简单而有效的SY
N攻击，有些网络蠕虫病毒配合SYN攻击造成更大的破坏。本文介绍SYN攻击的基本原理、工
具及检测方法，并全面探讨SYN攻击防范技术。

    一、TCP握手协议

    在TCP/IP协议中，TCP协议提供可靠的连接服务，采用三次握手建立一个连接。

    第一次握手：建立连接时，客户端发送syn包(syn=j)到服务器，并进入SYN_SEND状态
，等待服务器确认；

    第二次握手：服务器收到syn包，必须确认客户的SYN（ack=j+1），同时自己也发送一
个SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态；

    第三次握手：客户端收到服务器的SYN＋ACK包，向服务器发送确认包ACK(ack=k+1)，
此包发送完毕，客户端和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。

    完成三次握手，客户端与服务器开始传送数据，在上述过程中，还有一些重要的概念
：

    未连接队列：在三次握手协议中，服务器维护一个未连接队列，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：表示未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。

    二、SYN攻击原理

    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。从上图可看
到，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，才将此条目从未连接队列删除。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。

    三、SYN攻击工具

    SYN攻击实现起来非常的简单，互联网上有大量现成的SYN攻击工具。

    windows系统下的SYN工具

    以synkill.exe为例，运行工具，选择随机的源地址和源端囗，并填写目标机器地址和
TCP端囗，激活运行，很快就会发现目标系统运行缓慢。如果攻击效果不明显，可能是目标
机器并未开启所填写的TCP端囗或者防火墙拒绝访问该端囗，此时可选择允许访问的TCP端
囗，通常，windows系统开放tcp139端囗，UNIX系统开放tcp7、21、23等端囗。

    四、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。我们使用系统自带的netstat 工具来检测SY
N攻击：

　　# netstat -n -p TCP
　　tcp　0　 0 10.11.11.11:23　　124.173.152.8:25882　 SYN_RECV　-
　　tcp　0　 0 10.11.11.11:23　　236.15.133.204:2577　 SYN_RECV　-
　　tcp　0　 0 10.11.11.11:23　　127.160.6.129:51748　 SYN_RECV　-
　　tcp　0　 0 10.11.11.11:23　　222.220.13.25:47393　 SYN_RECV　-
　　tcp　0　 0 10.11.11.11:23　　212.200.204.182:60427 SYN_RECV　-
　　tcp　0　 0 10.11.11.11:23　　232.115.18.38:278　　 SYN_RECV　-
　　tcp　0　 0 10.11.11.11:23　　239.116.95.96:5122　　SYN_RECV　-
　　tcp　0　 0 10.11.11.11:23　　236.219.139.207:49162 SYN_RECV　-
　　...

    上面是在LINUX系统中看到的，很多连接处于SYN_RECV状态（在WINDOWS系统中是SYN_R
ECEIVED状态），源IP地址都是随机的，表明这是一种带有IP欺骗的SYN攻击。

    我们也可以通过下面的命令直接查看在LINUX环境下某个端囗的未连接队列的条目数：

　　＃netstat -n -p TCP | grep SYN_RECV | grep :22 | wc -l
　　324

    显示TCP端囗22的未连接数有324个，虽然还远达不到系统极限，但应该引起管理员的
注意。

    五、SYN攻击防范技术

    关于SYN攻击防范技术，人们研究得比较早。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，SY
N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。

    1、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（状态检测的防火墙可在状态表里面设
置），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：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。
　
    2、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S
ynAttackProtect保护机制、SYN cookies技术、增加最大半连接和缩短超时时间等。tcp/i
p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。默认情
况下，Win2000操作系统并不支持SynAttackProtect保护机制，需要在注册表以下位置增加
SynAttackProtect键值：

　　HKLM\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\Tcpip\Parameters

    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（ro
ute 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TCPIni
tialRTT、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SY
N攻击中。Win2000　server默认值为100，Win2000　Advanced server为500。

    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。

    TcpMaxPortsExhausted　是指系统拒绝的SYN请求包的数量，默认是5。

    如果想调整以上参数的默认值，可以在注册表里修改（位置与SynAttackProtect相同
）

    ■ 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S
YN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。

    SYN cookies应用于linux、FreeBSD等操作系统，当半连接队列满时，SYN　cookies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。

    WIN2000：除了上面介绍的TcpMaxHalfOpen, TcpMaxHalfOpenRetried参数外，WIN2000
操作系统可以通过设置动态backlog(dynamic backlog)来增大系统所能容纳的最大半连接
数，配置动态backlog由AFD.SYS驱动完成，AFD.SYS是一种内核级的驱动，用于支持基于wi
ndow socket的应用程序，比如ftp、telnet等。AFD.SYS在注册表的位置：
HKLM\System\CurrentControlSet\Services\AFD\ParametersEnableDynamicBacklog值为1
时，表示启用动态backlog，可以修改最大半连接数。　

    MinimumDynamicBacklog表示半连接队列为单个TCP端囗分配的最小空闲连接数，当该T
CP端囗在backlog队列的空闲连接小于此临界值时，系统为此端囗自动启用扩展的空闲连接
（DynamicBacklogGrowthDelta），Microsoft推荐该值为20。

    MaximumDynamicBacklog是当前活动的半连接和空闲连接的和，当此和超过某个临界值
时，系统拒绝SYN包，Microsoft推荐MaximumDynamicBacklog值不得超过2000。

    DynamicBacklogGrowthDelta值是指扩展的空闲连接数，此连接数并不计算在MaximumD
ynamicBacklog内，当半连接队列为某个TCP端囗分配的空闲连接小于MinimumDynamicBackl
og时，系统自动分配DynamicBacklogGrowthDelta所定义的空闲连接空间，以使该TCP端囗
能处理更多的半连接。Microsoft推荐该值为10。

    LINUX：Linux用变量tcp_max_syn_backlog定义backlog队列容纳的最大半连接数。在R
edhat 7.3中，该变量的值默认为256，这个值是远远不够的，一次强度不大的SYN攻击就能
使半连接队列占满。我们可以通过以下命令修改此变量的值：

　　# sysctl -w net.ipv4.tcp_max_syn_backlog="2048"

    Sun Solaris Sun Solaris用变量tcp_conn_req_max_q0来定义最大半连接数，在Sun
Solaris 8中，该值默认为1024，可以通过add命令改变这个值：

　　# ndd -set /dev/tcp tcp_conn_req_max_q0 2048

    HP-UX：HP-UX用变量tcp_syn_rcvd_max来定义最大半连接数，在HP-UX　11.00中，该
值默认为500，可以通过ndd命令改变默认值：

　　＃ndd -set /dev/tcp tcp_syn_rcvd_max 2048

    ■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。

    Win2000第一次重传之前等待时间默认为3秒，为改变此默认值，可以通过修改网络接
囗在注册表里的TcpInitialRtt注册值来完成。重传次数由TcpMaxConnectResponseRetrans
missions 来定义，注册表的位置是：HKLM\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\Tcpip\P
arameters registry key。

    当然我们也可以把重传次数设置为0次，这样服务器如果在3秒内还未收到ack确认包就
自动从backlog队列中删除该连接条目。

    LINUX：Redhat使用变量tcp_synack_retries定义重传次数，其默认值是5次，总超时
时间需要3分钟。

    Sun Solaris Solaris　默认的重传次数是3次，总超时时间为3分钟，可以通过ndd命
令修改这些默认值。

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