Linux SYN攻击原理及措施解决

SYN攻击原理图：

TCP在传递数据前需要经过三次握手，SYN攻击的原理就是向服务器发送SYN数据包，并伪造源IP地址。

服务器在收到SYN数据包时，会将连接加入backlog队列，并向源IP发送SYN-ACK数据包，并等待ACK数据包，以完成三次握手建立连接。

由于源IP地址是伪造的不存在主机IP，所以服务器无法收到ACK数据包，并会不断重发，同时backlog队列被不断被攻击的SYN连接占满，导致无法处理正常的连接。
SYN攻击的应对措施

针对SYN攻击的几个环节，提出相应的处理方法：

方式1：减少SYN-ACK数据包的重发次数（默认是5次）：
sysctl -w net.ipv4.tcp_synack_retries=3
sysctl -w net.ipv4.tcp_syn_retries=3

方式2：使用SYN Cookie技术：
sysctl -w net.ipv4.tcp_syncookies=1

方式3：增加backlog队列（默认是1024）：
sysctl -w net.ipv4.tcp_max_syn_backlog=2048

方式4：限制SYN并发数：
iptables -A INPUT -p tcp --syn -m limit --limit 1/s -j ACCEPT --limit 1/s

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SYN 攻击原理以及防范技术

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SYN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。

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SYN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。

1、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SYN攻击：

# 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系统中看到的，很多连接处于SYN_RECV状态（在WINDOWS系统中是SYN_RECEIVED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，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。

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。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：

HKLMSYSTEMCurrentControlSetServicesTcpipParameters

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。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。

SYN cookies应用于linux、FreeBSD等操作系统，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。

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 window socket的应用程序，比如ftp、telnet等。AFD.SYS在注册表的位置：
HKLMSystemCurrentControlSetServicesAFDParametersEnableDynamicBacklog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TCP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MaximumDynamicBacklog内， 当半连接队列为某个TCP端囗分配的空闲连接小于MinimumDynamicBacklog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Redhat 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TcpMaxConnectResponseRetransmissions 来定义，注册表的位置是：HKLMSYSTEMCurrentControlSetServicesTcpipParameters 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。