黑客攻防之 SYN攻擊基本原理與防範技術

【賽迪網-IT技術報道】據統計，在所有黑客攻擊事件中，SYN攻擊是最常見又最容易被利用的一種攻擊手法。相信很多人還記得2000年YAHOO網站遭受的攻擊事例，當時黑客利用的就是簡單而有效的SYN攻擊，有些網絡蠕蟲病毒配合SYN攻擊造成更大的破壞。本文介紹SYN攻擊的基本原理、工具及檢測方法，並全面探討SYN攻擊防範技術。

一、TCP握手協議

在TCP/IP協議中，TCP協議提供可靠的連接服務，採用三次握手建立一個連接。

第一次握手：建立連接時，客戶端發送syn包(syn=j)到伺服器，並進入SYN_SEND狀態，等待伺服器確認；

第二次握手：伺服器收到syn包，必須確認客戶的SYN（ack=j+1），同時自己也發送一個SYN包（syn=k），即SYN+ACK包，此時伺服器進入SYN_RECV狀態；

第三次握手：客戶端收到伺服器的SYN＋ACK包，向伺服器發送確認包ACK(ack=k+1)，此包發送完畢，客戶端和伺服器進入ESTABLISHED狀態，完成三次握手。

完成三次握手，客戶端與伺服器開始傳送資料，在上述過程中，還有一些重要的概念：

未連接隊列：在三次握手協議中，伺服器維護一個未連接隊列，該隊列為每個客戶端的SYN包（syn=j）開設一個條目，該條目表明伺服器已收到SYN包，並向客戶發出確認，正在等待客戶的確認包。這些條目所標識的連接在伺服器處於Syn_RECV狀態，當伺服器收到客戶的確認包時，刪除該條目，伺服器進入ESTABLISHED狀態。

Backlog參數：表示未連接隊列的最大容納數目。

SYN-ACK 重傳次數　伺服器發送完SYN－ACK包，如果未收到客戶確認包，伺服器進行首次重傳，等待一段時間仍未收到客戶確認包，進行第二次重傳，如果重傳次數超過系統規定的最大重傳次數，系統將該連接信息從半連接隊列中刪除。注意，每次重傳等待的時間不一定相同。

半連接存活時間：是指半連接隊列的條目存活的最長時間，也即服務從收到SYN包到確認這個報文無效的最長時間，該時間值是所有重傳請求包的最長等待時間總和。有時我們也稱半連接存活時間為Timeout時間、SYN_RECV存活時間。

二、SYN攻擊原理

SYN攻擊屬於DOS攻擊的一種，它利用TCP協議缺陷，通過發送大量的半連接請求，耗費CPU和記憶體資源。SYN攻擊除了能影響主機外，還可以危害路由器、防火牆等網絡系統，事實上SYN攻擊並不管目標是什麼系統，只要這些系統打開TCP服務就可以實施。從上圖可看到，伺服器接收到連接請求（syn=j），將此信息加入未連接隊列，並發送請求包給客戶（syn=k,ack=j+1），此時進入SYN_RECV狀態。當伺服器未收到客戶端的確認包時，重發請求包，一直到超時，才將此條目從未連接隊列刪除。配合IP欺騙，SYN攻擊能達到很好的效果，通常，客戶端在短時間內偽造大量不存在的IP地址，向伺服器不斷地發送syn包，伺服器回復確認包，並等待客戶的確認，由於源地址是不存在的，伺服器需要不斷的重發直至超時，這些偽造的SYN包將長時間佔用未連接隊列，正常的SYN請求被丟棄，目標系統運行緩慢，嚴重者引起網絡堵塞甚至系統癱瘓。

三、SYN攻擊工具

SYN攻擊實現起來非常的簡單，互聯網上有大量現成的SYN攻擊工具。

Windows系統下的SYN工具：

以synkill.exe為例，運行工具，選擇隨機的源地址和源端囗，並填寫目標機器地址和TCP端囗，激活運行，很快就會發現目標系統運行緩慢。如果攻擊效果不明顯，可能是目標機器並未開啟所填寫的TCP端囗或者防火牆拒絕訪問該端囗，此時可選擇允許訪問的TCP端囗，通常，Windows系統開放tcp139端囗，UNIX系統開放tcp7、21、23等端囗。

四、檢測SYN攻擊

檢測SYN攻擊非常的方便，當你在伺服器上看到大量的半連接狀態時，特別是源IP地址是隨機的，基本上可以斷定這是一次SYN攻擊。我們使用系統自帶的netstat 工具來檢測SYN攻擊：

　　# netstat -n -p TCP tcp　0　 0 10.11.11.11:23124.173.152.8:25882　 SYN_RECV　- tcp　0 0 10.11.11.11:23236.15.133.204:2577　 SYN_RECV　- tcp　0　 0 10.11.11.11:23127.160.6.129:51748　 SYN_RECV　- tcp　0　 0 10.11.11.11:23222.220.13.25:47393　 SYN_RECV　- tcp　0　 0 10.11.11.11:23212.200.204.182:60427 SYN_RECV　- tcp　0　 0 10.11.11.11:23232.115.18.38:278 SYN_RECV　- tcp　0　 0 10.11.11.11:23239.116.95.96:5122SYN_RECV　- tcp　0　 0 10.11.11.11:23236.219.139.207:49162 SYN_RECV　- ...

上面是在LINUX系統中看到的，很多連接處於SYN_RECV狀態（在WINDOWS系統中是SYN_RECEIVED狀態），源IP地址都是隨機的，表明這是一種帶有IP欺騙的SYN攻擊。

我們也可以通過下面的命令直接查看在LINUX環境下某個端囗的未連接隊列的條目數：

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

顯示TCP端囗22的未連接數有324個，雖然還遠達不到系統極限，但應該引起管理員的注意。

五、SYN攻擊防範技術

關於SYN攻擊防範技術，人們研究得比較早。歸納起來，主要有兩大類，一類是通過防火牆、路由器等過濾網關防護，另一類是通過加固TCP/IP協議棧防範.但必須清楚的是，SYN攻擊不能完全被阻止，我們所做的是盡可能的減輕SYN攻擊的危害，除非將TCP協議重新設計。

1、過濾網關防護

這裡，過濾網關主要指明防火牆，當然路由器也能成為過濾網關。防火牆部署在不同網絡之間，防範外來非法攻擊和防止保密信息外洩，它處於客戶端和伺服器之間，利用它來防護SYN攻擊能起到很好的效果。過濾網關防護主要包括超時設置，SYN網關和SYN代理三種。

・網關超時設置：

防火牆設置SYN轉發超時參數（狀態檢測的防火牆可在狀態表裡面設置），該參數遠小於伺服器的timeout時間。當客戶端發送完SYN包，服務端發送確認包後（SYN＋ACK），防火牆如果在計數器到期時還未收到客戶端的確認包（ACK），則往伺服器發送RST包，以使伺服器從隊列中刪去該半連接。值得注意的是，網關超時參數設置不宜過小也不宜過大，超時參數設置過小會影響正常的通訊，設置太大，又會影響防範SYN攻擊的效果，必須根據所處的網絡應用環境來設置此參數。

・SYN網關：

SYN網關收到客戶端的SYN包時，直接轉發給伺服器；SYN網關收到伺服器的SYN/ACK包後，將該包轉發給客戶端，同時以客戶端的名義給伺服器發ACK確認包。此時伺服器由半連接狀態進入連接狀態。當客戶端確認包到達時，如果有資料則轉發，否則丟棄。事實上，伺服器除了維持半連接隊列外，還要有一個連接隊列，如果發生SYN攻擊時，將使連接隊列數目增加，但一般伺服器所能承受的連接數量比半連接數量大得多，所以這種方法能有效地減輕對伺服器的攻擊。

・SYN代理：

當客戶端SYN包到達過濾網關時，SYN代理並不轉發SYN包，而是以伺服器的名義主動回復SYN/ACK包給客戶，如果收到客戶的ACK包，表明這是正常的訪問，此時防火牆向伺服器發送ACK包並完成三次握手。SYN代理事實上代替了伺服器去處理SYN攻擊，此時要求過濾網關自身具有很強的防範SYN攻擊能力。

2、加固tcp/ip協議棧

防範SYN攻擊的另一項主要技術是調整tcp/ip協議棧，修改tcp協議實現。主要方法有SynAttackProtect保護機制、SYN cookies技術、增加最大半連接和縮短超時時間等。tcp/ip協議棧的調整可能會引起某些功能的受限，管理員應該在進行充分瞭解和測試的前提下進行此項工作。

・SynAttackProtect機制

為防範SYN攻擊，Windows2000系統的tcp/ip協議棧內嵌了SynAttackProtect機制，Win2003系統也採用此機制。SynAttackProtect機制是通過關閉某些socket選項，增加額外的連接指示和減少超時時間，使系統能處理更多的SYN連接，以達到防範SYN攻擊的目的。默認情況下，Windows2000操作系統並不支持SynAttackProtect保護機制，需要在註冊表以下位置增加SynAttackProtect鍵值：

HKLM/SYSTEM/CurrentControlSet/Services/Tcpip/Parameters

當SynAttackProtect值（如無特別說明，本文提到的註冊表鍵值都為十六進制）為0或不設置時，系統不受SynAttackProtect保護。

當SynAttackProtect值為1時，系統通過減少重傳次數和延遲未連接時路由緩衝項（route cache entry）防範SYN攻擊。

當SynAttackProtect值為2時（Microsoft推薦使用此值），系統不僅使用backlog隊列，還使用附加的半連接指示，以此來處理更多的SYN連接，使用此鍵值時，tcp/ip的TCPInitialRTT、window size和可滑動窗囗將被禁止。

我們應該知道，平時，系統是不啟用SynAttackProtect機制的，僅在檢測到SYN攻擊時，才啟用，並調整tcp/ip協議棧。那麼系統是如何檢測SYN攻擊發生的呢？事實上，系統根據TcpMaxHalfOpen,TcpMaxHalfOpenRetried 和TcpMaxPortsExhausted三個參數判斷是否遭受SYN攻擊。

TcpMaxHalfOpen 表示能同時處理的最大半連接數，如果超過此值，系統認為正處於SYN攻擊中。Windows2000　server默認值為100，Windows2000 Advanced server為500。

TcpMaxHalfOpenRetried定義了保存在backlog隊列且重傳過的半連接數，如果超過此值，系統自動啟動SynAttackProtect機制。Windows2000 server默認值為80，Windows2000 Advanced server為400。

TcpMaxPortsExhausted　是指系統拒絕的SYN請求包的數量，默認是5。

如果想調整以上參數的默認值，可以在註冊表裡修改（位置與SynAttackProtect相同）

・ SYN cookies技術

我們知道，TCP協議開闢了一個比較大的記憶體空間backlog隊列來儲存半連接條目，當SYN請求不斷增加，並這個空間，致使系統丟棄SYN連接。為使半連接隊列被塞滿的情況下，伺服器仍能處理新到的SYN請求，SYN cookies技術被設計出來。

SYN cookies應用於linux、FreeBSD等操作系統，當半連接隊列滿時，SYNcookies並不丟棄SYN請求，而是通過加密技術來標識半連接狀態。

在TCP實現中，當收到客戶端的SYN請求時，伺服器需要回復SYN＋ACK包給客戶端，客戶端也要發送確認包給伺服器。通常，伺服器的初始序列號由伺服器按照一定的規律計算得到或採用隨機數，但在SYN cookies中，伺服器的初始序列號是通過對客戶端IP地址、客戶端端囗、伺服器IP地址和伺服器端囗以及其他一些安全數值等要素進行hash運算，加密得到的，稱之為cookie。當伺服器遭受SYN攻擊使得backlog隊列滿時，伺服器並不拒絕新的SYN請求，而是回復cookie（回復包的SYN序列號）給客戶端， 如果收到客戶端的ACK包，伺服器將客戶端的ACK序列號減去1得到cookie比較值，並將上述要素進行一次hash運算，看看是否等於此cookie。如果相等，直接完成三次握手（注意：此時並不用查看此連接是否屬於backlog隊列）。

在RedHat linux中，啟用SYN cookies是通過在啟動環境中設置以下命令來完成：

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

・ 增加最大半連接數

大量的SYN請求導致未連接隊列被塞滿，使正常的TCP連接無法順利完成三次握手，通過增大未連接隊列空間可以緩解這種壓力。當然backlog隊列需要佔用大量的記憶體資源，不能被無限的擴大。

Windows2000：除了上面介紹的TcpMaxHalfOpen, TcpMaxHalfOpenRetried參數外，Windows2000操作系統可以通過設置動態backlog(dynamic backlog)來增大系統所能容納的最大半連接數，配置動態backlog由AFD.SYS驅動完成，AFD.SYS是一種內核級的驅動，用於支持基於window socket的應用程序，比如ftp、telnet等。AFD.SYS在註冊表的位置：

HKLM/System/CurrentControlSet/Services/AFD/Parameters/EnableDynamicBacklog值為1時，表示啟用動態backlog，可以修改最大半連接數。

MinimumDynamicBacklog表示半連接隊列為單個TCP端囗分配的最小空閒連接數，當該TCP端囗在backlog隊列的空閒連接小於此臨界值時，系統為此端囗自動啟用擴展的空閒連接（DynamicBacklogGrowthDelta），Microsoft推薦該值為20。

MaximumDynamicBacklog是當前活動的半連接和空閒連接的和，當此和超過某個臨界值時，系統拒絕SYN包，Microsoft推薦MaximumDynamicBacklog值不得超過2000。

DynamicBacklogGrowthDelta值是指擴展的空閒連接數，此連接數並不計算在MaximumDynamicBacklog內，當半連接隊列為某個TCP端囗分配的空閒連接小於MinimumDynamicBacklog時，系統自動分配DynamicBacklogGrowthDelta所定義的空閒連接空間，以使該TCP端囗能處理更多的半連接。Microsoft推薦該值為10。

LINUX：Linux用變量tcp_max_syn_backlog定義backlog隊列容納的最大半連接數。在Redhat 7.3中，該變量的值默認為256，這個值是遠遠不夠的，一次強度不大的SYN攻擊就能使半連接隊列佔滿。我們可以通過以下命令修改此變量的值：

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

Sun Solaris Sun Solaris用變量tcp_conn_req_max_q0來定義最大半連接數，在Sun Solaris 8中，該值默認為1024，可以通過add命令改變這個值：

# ndd -set /dev/tcp tcp_conn_req_max_q0 2048

HP-UX：HP-UX用變量tcp_syn_rcvd_max來定義最大半連接數，在HP-UX　11.00中，該值默認為500，可以通過ndd命令改變默認值：

＃ndd -set /dev/tcp tcp_syn_rcvd_max 2048

・縮短超時時間

上文提到，通過增大backlog隊列能防範SYN攻擊；另外減少超時時間也使系統能處理更多的SYN請求。我們知道，timeout超時時間，也即半連接存活時間，是系統所有重傳次數等待的超時時間總和，這個值越大，半連接數佔用backlog隊列的時間就越長，系統能處理的SYN請求就越少。為縮短超時時間，可以通過縮短重傳超時時間（一般是第一次重傳超時時間）和減少重傳次數來實現。

Windows2000第一次重傳之前等待時間默認為3秒，為改變此默認值，可以通過修改網絡接囗在註冊表裡的TcpInitialRtt註冊值來完成。重傳次數由TcpMaxConnectResponseRetransmissions 來定義，註冊表的位置是：

HKLM/SYSTEM/CurrentControlSet/Services/Tcpip/Parameters registry key

當然我們也可以把重傳次數設置為0次，這樣伺服器如果在3秒內還未收到ack確認包就自動從backlog隊列中刪除該連接條目。

LINUX：Redhat使用變量tcp_synack_retries定義重傳次數，其默認值是5次，總超時時間需要3分鐘。

Sun Solaris Solaris　默認的重傳次數是3次，總超時時間為3分鐘，可以通過ndd命令修改這些默認值。

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