TCP/IP协议安全性能

 

互连网技术屏蔽了底层网络硬件细节，使得异种网络之间可以互相通信。TCP／IP协议组是目前使用最广泛 的网络互连协议。但TCP／IP协议组本身存在着一些安全性问题。这就给“黑客”们攻击网络以可乘之机。由于大量重要的应用程序都以TCP作为它们的传输 层协议，因此TCP的安全性问题会给网络带来严重的后果。

§1 TCP状态转移图和定时器

TCP状态转移图控制了一次连接的初始化、建立和终止，该图由定义的状态以及这些状态之间的转移弧构成。TCP状态转移图与定时器密切相关，不同的定时器对应于连接建立或终止、流量控制和数据传输。几类主要的定时器及其功能如下：

●连接定时器：在连接建立阶段，当发送了SYN包后，就启动连接定时器。如果在75秒
内没有收到应答，则放弃连接建立。

●FIN-WAIT-2定时器：当连接从FIN-WAIT-1状态转移到FIN-WAIT-2状态时，将一个
FIN-WAIT-2定时器设置为10分钟。如果在规定时间内该连接没有收到一个带有置位
FIN的TCP包，则定时器超时，再定时为75秒。如果在该时间段内仍无FIN包到达，
则放弃该连接。

●TIME-WAIT定时器：当连接进入TIME-WAIT状态时，该定时器被激活。当定时器超时
时，与该连接相关的内核数据块被删除，连接终止。

●维持连接定时器：其作用是预测性地检测连接的另一端是否仍为活动状态。如果设
置了SO-KEEPALIVE套接字选择项，则TCP机状态是ESTABLISHED或CLOSE-WAIT。

下面我们就着重讨论TCP状态转移图和定时器所带来的网络安全性问题。

§2 网络入侵方式

§2.1 伪造IP地址
入侵者使用假IP地址发送包，利用基于IP地址证实的应用程序。其结果是未授权的远端用户进入带有防火墙的主机系统。

图1 TCP状态转移图

假设有两台主机A、B和入侵者控制的主机X。假设B授予A某些特权，使得A能够获得B所执行的一些操作。X的目标就是得到与B相同的权利。 为了实现该目标，X必须执行两步操作：首先，与B建立一个虚假连接；然后，阻止A向B报告网络证实系统的问题。主机X必须假造A的IP地址，从而使B相信 从X发来的包的确是从A发来的。
我们同时假设主机A和B之间的通信遵守TCP／IP的三次握手机制。握手方法是：

A→：SYN（序列号=M）

B→A：SYN（序列号＝N），ACK（应答序号=M+1）

A→B：ACK（应答序号＝N+1）

主机X伪造IP地址步骤如下：首先，X冒充A，向主机B发送一个带有随机序列号的SYN包。主机B响应，向主机A发送一个带有应答号的 SYN+ACK包、该应答号等于原序列号加1。同时，主机B产生自己发送包序列号，并将其与应答号一起发送。为了完成三次握手，主机X需要向主机B回送一 个应答包，其应答号等于主机B向主机A发送的包序列号加1。假设主机X与A和B不同在一个子网内，则不能检测到B的包，主机X只有算出B的序列号，才能创 建TCP连接。其过程描述如下：

X→B：SYN（序列号=M），SRC=A

B→A：SYN（序列号=N），ACK（应答号=M+1）

X→B：ACK（应答号＝N+1），SRC＝A

同时，主机X应该阻止主机A响应主机B的包。为此，X可以等到主机A因某种原因终止运行，或者阻塞主机A的操作系统协议部分，使它不能响应主机B。
一旦主机X完成了以上操作，它就可以向主机B发送命令。主机B将执行这些命令，认为他们是由合法主机A发来的。

§2.2 TCP状态转移的问题

上述的入侵过程，主机X是如何阻止主机A向主机B发送响应在的，主机调通过发送一系列的SYN包，但不让A向调发送SYN-ACK包而中止 主机A的登录端口。如前所述，TCP维持一个连接建立定时器。如果在规定时间内（通常为75秒）不能建立连接，则TCP将重置连接。在前面的例子中，服务 器端口是无法在75秒内作出响应的。

图2 TCP状态图的一个外部转移

下面我们来讨论一下主机X和主机A之间相互发送的包序列。X向A发送一个包，其SYN位和FIN位置位，A向X发送ACK包作为响应：

X→A：SYN FIN（系列号=M）

A→X：ACK（应答序号＝M+1）

从图2的状态转移可以看出，A开始处于监听（LISTEN）状态。当它收到来自X的包后，就开始处理这个包。值得注意的是，在TCP协议 中，关于如何处理SYN和FIN同时置位的包并未作出明确的规定。我们假设它首先处理SYN标志位，转移到SYN-RCVD状态。然后再处理FIN标志 位，转移到CLOSE-WAIT状态。如果前一个状态是ESTABLISHED，那么转移到CLOSE-WAIT状态就是正常转移。但是，TCP协议中并 未对从SYN-RCVD状态到CLOSE-WAIT状态的转移作出定义。但在几种TCP应用程序中都有这样的转移，例如开放系统SUN OS4.1.3，SUR4和ULTRX4.3。因此，在这些TCP应用程序中存在一条TCP协议中未作定义的从状态SYN-RCVD到状态CLOSE- WAIT的转移弧，如图2所示。
在上述入侵例子中，由于三次握手没能彻底完成，因此并未真正建立TCP连接，相应的网络应用程序并未从核心内 获得连接。但是，主机A的TCP机处于CLOSE-WAIT状态，因此它可以向X发送一个FIN包终止连接。这个半开放连接保留在套接字侦听队列中，而且 应用进程不发送任何帮助TCP执行状态转移的消息。因此，主机A的TCP机被锁在了CL0SE-WAIT状态。如果维持活动定时器特征被使用，通常2小时 后TCP将会重置连接并转移到CLOSED状态。
当TCP机收到来自对等主机的RST时，就从ESTABLISHED，FINWAIT-1和 FIN-WAIT-2状态转移到CLOSED状态。这些转移是很重要的，因为它们重置TCP机且中断网络连接。但是，由于到达的数据段只根据源IP地址和 当前队列窗口号来证实。因此入侵者可以假装成已建立了合法连接的一个主机，然后向另一台主机发送一个带有适当序列号的RST段，这样就可以终止连接了！
从上面的分析我们可以看到几种TCP应用程序中都存在外部状态转移。这会给系统带来严重的安全性问题。

§2.3 定时器问题

正如前文所述，一旦进入连接建立过程，则启动连接定时器。如果在规定时间内不能建立连接，则TCP机回到CLOSED状态。
我们 来分析一下主机A和主机X的例子。主机A向主机X发送一个SYN包，期待着回应一个SYN-ACK包。假设几乎同时，主机X想与主机A建立连接，向A发送 一个SYN包。A和X在收到对方的SYN包后都向对方发送一个SYN-ACK包。当都收到对方的SYN-ACK包后，就可认为连接已建立。在本文中，假设 当主机收到对方的SYN包后，就关闭连接建立定时器。

X→A：SYN（序列号=M）

A→X：SYN（序列号=N）

X→A：SYN（序列号=M），ACK（应答号=N+1）

A→X：SYN（序列号=N），ACK（应答号＝M+1）

●主机X向主机A发送一个FTP请求。在X和A之间建立起一个TCP连接来传送控制信
号。主机A向X发送一个SYN包以启动一个TCP连接用来传输数据，其状态转移到
SYN-SENT状态。

●当X收到来自A的SYN包时，它回送一个SYN包作为响应。

●主机X收到来自A的SYN-ACK包，但不回送任何包。

●主机A期待着接收来自X的SYN-ACK。由于X不回送任何包，因此A被锁在SYN-RCVD
状态。这样，X就成功地封锁了A的一个端口。

§3 利用网络监控设备观测网络入侵

我们在局域网上安装一个网络监控设备观测通过网络的包，从而判断是否发生了网络入侵。下面我们将讨论在几种入侵过程中网络监控设备可观测到的序列包。

§3.1 伪造IP地址
最初，网络监控设备会监测到大量的TCP SYN包从某个主机发往A的登录端口。主机A会回送相应的SYN-ACK包。SYN包的目的是创建大量的与主机A的半开放的TCP连接，从而填满了主机A的登录端口连接队列。
大量的TCP SYN包将从主机X经过网络发往主机B，相应地有SYN-ACK包从主机B发往主机X。然后主机X将用RST包作应答。这个SYN／SYN-ACK／RST包序列使得入侵者可以知道主机B的TCP序列号发生器的动作。
主机A向主机B发送一个SYN包。实际上，这是主机X发送的一个“伪造”包。收到这个包之后，主机B将向主机A发送相应的SYN-ACK包。主机A向主机B发送ACK包。按照上述步骤，入侵主机能够与主机B建立单向TCP连接。

§3.2 虚假状态转移

当入侵者试图利用从SYN-RCVD到CLOSE-WAIT的状态转移长时间阻塞某服务器的一个网络端口时，可以观察到如下序列包：

●从主机X到主机B发送一个带有SYN和FIN标志位置位的TCP包。

●主机B首先处理SYN标志，生成一个带有相应ACK标志位置位的包，并使状态转移
到SYN-RCVD，然后处理FIN标志，使状态转移到CLOSE-WAIT，并向X回送ACK包。

●主机X不向主机B发送其它任何包。主机的TCP机将固定在CLOSE-WAIT状态。直到
维持连接定时器将其重置为CLOSED状态。

因此，如果网络监控设备发现一串SYN-FIN／ACK包，可推断入侵者正在阻塞主机B的某个端口。

§3.3 定时器问题

如果一入侵者企图在不建立连接的情况下使连接建立定时器无效，我们可以观察到以下序列包：

●主机X从主机B收到一个TCP SYN包。

●主机X向主机B回送一个SYN包。

主机X不向主机B发送任何ACK包。因此，B被阻塞在SYN-RCVD状态，无法响应来自其它客户机的连接请求。

§4 总结

目前还没有十分简便的方法防止伪造IP地址的和侵行为，但我们可以采取以下措施来尽可能地保护系统免受这类攻击。首先，我们可以配置路由器 和网关，使它们能够拒绝网络外部与本网内具有相同IP地址的连接请求。而且，当包的IP地址不在酝酿 网内时，路由器和网关不应该把本网主机的包发送出去。其次，在包发送到网络上之前，我们可以对它进行加密。虽然加密过程要求适当改变目前的网络环境，但它 将保证数据的完整性和真实性。
为了防止从SYN-RCVD到CLOSE-WAIT状态的伪转移，需要改变操作系统中TCP操作的部分相关代码，使得当TCP机处于SYN-RCVD状态时，忽略任何对等主机发来的FIN包。
只 有当建立连接后，才可以使连接建立定时器无效。也就是说，在同步开放连接建立过程中，当主机收到一个ACK时，定时器应置为无效，使状态转移到 ESTABLISHED。只有CLOSED等少数几种状态与定时器无关。入侵主机可能会迫使TCP机转移到这些状态，因为该状态不受任何定时器制约，如果 入侵者不发送适当的包，主机可能会被阻塞在这个状态。