TCP SYN-Cookie的原理和扩展

Posted 2021-02-09 ksiwnhiwhs

SYN-Cookie概述

预防半连接攻击，SYN-Cookie是一种有效的机制，它的基本原理非常简单，那就是“完成三次握手前不为任何一个连接分配任何资源”，它是怎么做到的呢？也是非常简单。

1.编码信息

将一些本应该在本地保存的信息编码到返回给客户端的SYN-ACK的初始化序列号或者时间戳里面。握手尚未完成不分配任何资源(Linux即不分配request结构体)。

2.解码信息

等到客户端的ACK最终到来的时候，再从ACK序列号里面解码出保存的信息。

3.建立连接

利用第2步解码出来的信息建立一个TCP连接，此时因为握手已经完成，可以分配资源了。
我们接下来通过图示和代码来看一下编码和解码的过程。

编码过程图示

解码过程图示

问题

通过上面的编码解码过程中好像没有什么check/compare操作，一般而言，对于类似HASH或者摘要的算法，都需要对信息进行比对，比如对一段信息生产一个摘要，为了确保该信息没有被篡改，需要再次使用相同的算法生成摘要，如果两段摘要的值不同，说明信息被篡改了！对于上面的算法，在生产Cookie的时候，我们注意到使用hash算法对元组生产了一个值，但是对于解码的过程，它并没有再次计算这个值与原始携带的值做比对，这样合理吗？
        这事实上是Linux的一个hack！Linux将一段data做了限定，比如它的值严格在0-7之间，将这个data一同参与运算，而不是仅仅将其编码到固定的某几个bit，算法寄希望于：如果数据是伪造的或者被篡改了，那么解码出来的data的值仍然处在规定的严格区间里的可能性微乎其微！

测试代码

我们来看一个用户态的测试代码，说明一下24比特数据的编码和解码的过程：

 

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <time.h>

typedef unsigned int u32;

#define COOKIEBITS 24	/* Upper bits store count */
#define COOKIEMASK (((u32)1 << COOKIEBITS) - 1)

// 简单hash函数，只为测试！
static u32 cookie_hash(u32 saddr, u32 daddr, u32 count, int c)
{
    u32 tmp = (saddr + daddr - c) & ((u32)-1);

    return tmp;
}

// 编码过程
static u32 syn_cookie(u32 saddr, u32 daddr, u32 sseq, u32 count, u32 data)
{
    return (cookie_hash(saddr, daddr, 0, 0) +
	    sseq + (count << COOKIEBITS) +
	    ((cookie_hash(saddr, daddr, count, 1) + data) & COOKIEMASK));
}

// 解码过程
static u32 check_syn_cookie(u32 cookie, u32 saddr, u32 daddr, u32 sseq, u32 count, u32 maxdiff)
{
    u32 diff;
    cookie -= cookie_hash(saddr, daddr, 0, 0) + sseq;

    diff = (count - (cookie >> COOKIEBITS)) & ((u32) - 1 >> COOKIEBITS);
    if (diff >= maxdiff) {
	return (u32)-1;
    } 

    return (cookie - cookie_hash(saddr, daddr, count - diff, 1)) & COOKIEMASK;
}

int main()
{
    u32 saddr = 0x11223344, daddr = 0x23456789;
    u32 cnt, seq, data = 0, data2 = 0, cookie;

    int i, j, k = 0;;
 
    for (i = 0; i < 0xffffffff; i++) {
	//srandom(time(NULL));
		saddr = random()&0xffffffff;
		daddr = random()&0xffffffff;
		seq = random()&0xffffffff;
		cnt = random()&0xffffffff;
		data = random()&0xffffff;

		cookie = syn_cookie(saddr, daddr, seq, cnt, data);
		data2 = check_syn_cookie(cookie, saddr, daddr, seq, cnt + 3, 4) & 0xffffff;
	
		if (data == data2) {
			k++;
		}
    }

    printf("%0x
", k);
}

声明

到此为止，我并没有描述任何关于SYN-Cookie的HASH生成算法以及其安全性问题，并且直至文章的最后也不会描述。这是因为它们并不属于SYN-Cookie机制的核心，只是一个实现问题，因此它们甚至都不属于TCP/IP，这里的安全性指的是，SYN-Cookie伪造的难以程度，这在另一方面挑战了HASH算法的抗碰撞能力，这些HASH算法(一定程度的摘要算法)可能包括SHA1，MD5，甚至SM3，也可能只是简单的取模，JHASH等，取决于你对性能和抗碰撞能力之间的一个平衡，二者肯定是此消彼长的。
        声明到此为止，后续如果我有足够的时间，我会专门写一些关于密码，摘要，认证方面的文章的。以下我们来看一下SYN-Cookie关于实现的Tips以及其问题所在。

标准规范与Linux实现

注意，以上描述的仅仅是Linux的SYN-Cookie的实现，标准的实现并不是这样，以下标准的实现，摘自WIKI：
发起一个 TCP 连接时，客户端将一个 TCP SYN 包发送给服务器。作为响应，服务器将 TCP SYN + ACK 包返回给客户端。此数据包中有一个序号（sequence number，TCP头中的第二个32 bit），它被 TCP 用来重新组装数据流。根据 TCP 规范，由端点发送的第一个序号可以是由该端点决定的任何值。SYN Cookies 是根据以下规则构造的初始序号：
    令 t 为一个缓慢递增的时间戳（通常为 time() >> 6 ，提供 64 秒的分辨率）；
    令 m 为服务器会在 SYN 队列条目中存储的最大分段大小（maximum segment size，简称为 MSS）；
    令 s 为一个加密散列函数对服务器和客户端各自的 IP 地址和端口号以及 t 进行运算的结果。返回得到的数值 s 必须是一个24位值。
初始 TCP 序号，也就是所谓的 SYN cookie，按照如下算法得到：
    头五位：t mod 32；
    中三位：m 编码后的数值；【注意，Linux并不是这么实现的】
    末24位：s 本身；
注：由于 m 必须用 3 位进行编码，服务器在启用了 SYN Cookie 时只能为 m 发送八种不同的数值。
根据 TCP 规范，当客户端发回 TCP ACK 包给服务器以响应服务器的 SYN + ACK 包时，客户端必须使用由服务器发送的初始序号加1作为数据包中的确认号。服务器接着从确认号中减去 1 以便还原向客户端发送的原始 SYN Cookie。
接下来服务器进行以下检查：
    根据当前的时间以及 t 来检查连接是否过期。
    重新计算 s 来确认这是不是一个有效的 SYN Cookie。
    从 3 位编码中解码 m，以便之后用来重建 SYN 队列条目。在此之后，连接照常进行。

对照上面的编码，解码图，我们发现，标准的做法只是散列了32位序列号中的低24位，相比而言，Linux的实现可能更加安全一些，因为它在整个结果中叠加一个关于五元组的散列值分量以及counter值分量，根据向量叠加的理论，反过来你很难将其分离开来。相比Linux的实现，标准的实现方式更像是传统的方式，一段根据元组信息计算出来的摘要padding到低24位作为SYN-ACK的序列号，然后在ACK返回时，根据数据包获取元组信息，根据序列号的高5位获取conter信息，然后重新计算摘要，最后比对。这是一种标准的方式，而Linux则是一种优化的方式。

SYN-Cookie的副作用

1.针对CPU的DDOS攻击

虽然SYN-Cookie避免了内存空间被爆掉，但是却引来了CPU时间被爆掉的机会，这又是一种时间-空间之间的权衡！如果攻击者发送大量的ACK包过来，那么被攻击机器将会花费大量的CPU时间在计算Cookie上，造成正常的逻辑无法被执行，同时即便是大量的SYN包也可以将CPU爆满。
        解决之道有吗？想当然的做法是将计算Cookie这件事从CPU上卸载掉，使用硬件来完成。那么有这种硬件吗？我们知道Intel都有CPU可以做AES了，那么做HASH运算应该也不在话下，其实就是SIMD指令的支持。Linux目前在计算SYN-Cookie的时候使用的是SHA1算法，利用硬件(或者协处理器)加速的话，应该可以带来不少的收益，具体可参见这篇文章《Improving the Performance of the Secure Hash Algorithm (SHA-1)》
        如果不想用硬件加速或者不想跟硬件绑的太死，那就优化一下HASH算法吧，个人觉得使用SHA1算法有点太重了。

2.TCP选项的协商

我们知道，由于SYN-Cookie编码空间有限(标准中只有3比特)，在启用SYN-Cookie的时候，很多的TCP选项都无法支持了，但这只说对了一方面，事实上，在启用timestamps支持的情况下，TCP的选项支持信息是可以编码到时间戳里面的，也就是说，只要你能确认接下来会被客户端echo过来的字段，都可以作为信息编码的空间！
        这是不是意味着，如果没有支持时间戳选项，其它的选项也都不能支持了呢？虽然目前的Linux实现是这样的，但是我不认为它们不能支持。因为Linux并没有按照规范使用3个比特来编码MSS！这个从上面的图示和例子中都可以看出来。所有的24个比特都可以用来编码需要的数据(取模，越界，溢出并不是问题，因为计算机内所有的数据类型都是在钟表上计数的)。我们来看一下双方协商的MSS是怎么编码到Cookie中的。如上编码图所示，它将MSS的数组索引编码到了一个24BIT的空间中，但是一个索引可以用到那么大的空间吗？实际上8个比特就足够索引256个MSS了(SYN-Cookie标准中的MSS编码位只有3个比特，不过Linux并没有规定)。于是剩下的24-8=16个比特可以作为其它的用途了。我们知道，目前的TCP选项一共是9个，16个比特足够存储了。这就是将MSS索引进行一种再编码的方式，来支持TCP选项的协商。
        对24比特再编码的一个合理的图示如下：

 

 

这丝毫没有降低安全性，相反，它提升了安全性，使得伪造更加困难！

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