DoS攻击的原理以及监测与防御初探[zt]

DoS攻击的原理以及监测与防御初探

第一部分 SYN Flood的基本原理

 

SYN Flood是当前最流行的DoS（拒绝服务攻击）与DDoS（分布式拒绝服务攻击）的方式之一，这是一种利用TCP协议缺陷，发送大量伪造的TCP连接请求，从而使得被攻击方资源耗尽（CPU满负荷或内存不足）的攻击方式。

 

要明白这种攻击的基本原理，还是要从TCP连接建立的过程开始说起：

大家都知道，TCP与UDP不同，它是基于连接的，也就是说：为了在服务端和客户端之间传送TCP数据，必须先建立一个虚拟电路，也就是TCP连接，建立TCP连接的标准过程是这样的：

首先，请求端（客户端）发送一个包含SYN标志的TCP报文，SYN即同步（Synchronize），同步报文会指明客户端使用的端口以及TCP连接的初始序号；

第二步，服务器在收到客户端的SYN报文后，将返回一个SYN+ACK的报文，表示客户端的请求被接受，同时TCP序号被加一，ACK即确认（Acknowledgement）。

第三步，客户端也返回一个确认报文ACK给服务器端，同样TCP序列号被加一，到此一个TCP连接完成。

以上的连接过程在TCP协议中被称为三次握手（Three-way Handshake）。

 

问题就出在TCP连接的三次握手中，假设一个用户向服务器发送了SYN报文后突然死机或掉线，那么服务器在发出SYN+ACK应答报文后是无法收到客户端的ACK报文的（第三次握手无法完成），这种情况下服务器端一般会重试（再次发送SYN+ACK给客户端）并等待一段时间后丢弃这个未完成的连接，这段时间的长度我们称为SYN Timeout，一般来说这个时间是分钟的数量级（大约为30秒-2分钟）；一个用户出现异常导致服务器的一个线程等待1分钟并不是什么很大的问题，但如果有一个恶意的攻击者大量模拟这种情况，服务器端将为了维护一个非常大的半连接列表而消耗非常多的资源----数以万计的半连接，即使是简单的保存并遍历也会消耗非常多的CPU时间和内存，何况还要不断对这个列表中的IP进行SYN+ACK的重试。实际上如果服务器的TCP/IP栈不够强大，最后的结果往往是堆栈溢出崩溃---即使服务器端的系统足够强大，服务器端也将忙于处理攻击者伪造的TCP连接请求而无暇理睬客户的正常请求（毕竟客户端的正常请求比率非常之小），此时从正常客户的角度看来，服务器失去响应，这种情况我们称作：服务器端受到了SYN Flood攻击（SYN洪水攻击）。

   

从防御角度来说，有几种简单的解决方法，第一种是缩短SYN Timeout时间，由于SYN Flood攻击的效果取决于服务器上保持的SYN半连接数，这个值=SYN攻击的频度 x  SYN Timeout，所以通过缩短从接收到SYN报文到确定这个报文无效并丢弃改连接的时间，例如设置为20秒以下（过低的SYN Timeout设置可能会影响客户的正常访问），可以成倍的降低服务器的负荷。

    第二种方法是设置SYN Cookie，就是给每一个请求连接的IP地址分配一个Cookie，如果短时间内连续受到某个IP的重复SYN报文，就认定是受到了攻击，以后从这个IP地址来的包会被一概丢弃。

    可是上述的两种方法只能对付比较原始的SYN Flood攻击，缩短SYN Timeout时间仅在对方攻击频度不高的情况下生效，SYN Cookie更依赖于对方使用真实的IP地址，如果攻击者以数万/秒的速度发送SYN报文，同时利用SOCK_RAW随机改写IP报文中的源地址，以上的方法将毫无用武之地。

第二部分 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。（这正是我撰写本文的主要目的）

    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图所示：

 

外部TCP连接                内部TCP连接

    [客户机] =================>[防火墙] =================>[服务器]

   

    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、客户机的关系如下图所示：

[防火墙] 数据包修改转发

    [客户机]========|=======================>[服务器]

TCP连接

 

    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：

SYN                           SYN+ACK                           ACK

    [客户机]---- >[防火墙]   =>   [防火墙]-------- >[客户机]   =>   [客户机]--- >[防火墙]

 

第二阶段，防火墙伪装成客户机与后台的服务器建立连接

[防火墙]< =========== >[服务器]

TCP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

防火墙转发

[客户机]< ======|======= >[服务器]

                     TCP连接

    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。

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