Syn flood
csdn DDoS攻击--Syn_Flood攻击防护详解(TCP)
Syn_Flood概述
Syn-Flood攻击是当前网络上最为常见的DDoS攻击，也是最为经典的拒绝服务攻击，它利用了TCP协议实现上的一个缺陷，通过向网络服务所在端口发送大量的伪造源地址的攻击报文，就可能造成目标服务器中的**半开连接队列**被占满，从而阻止其他合法用户进行访问。
NOTE:
上述"半开连接队列"的专业说法是: TCP syn backlog
这种攻击早在1996年就被发现，但至今仍然显示出强大的生命力。很多操作系统，甚至防火墙、路由器都无法有效地防御这种攻击，而且由于它可以方便地伪造源地址，追查起来非常困难。它的数据包特征通常是，源发送了大量的**SYN包**，并且缺少三次握手的最后一步握手ACK回复。
NOTE:
SYN包 主动建立TCP连接
Syn-Flood攻击属于TCP攻击中的一种，Flood类攻击中最常见，危害最大的是Syn-Flood攻击，也是历史最悠久的攻击之一，在了解Syn-Flood攻击之前，可以先看看TCP攻击详解。
Syn_Flood攻击原理
攻击者首先伪造地址对服务器发起SYN请求（我可以建立连接吗？），服务器就会回应一个ACK+SYN（可以+请确认）。而真实的IP会认为，我没有发送请求，不作回应。服务器没有收到回应，会重试3-5次并且等待一个**SYN Time**（一般30秒-2分钟）后，丢弃这个连接。
如果攻击者大量发送这种伪造源地址的SYN请求，服务器端将会消耗非常多的资源来处理这种半连接，保存遍历会消耗非常多的CPU时间和内存，何况还要不断对这个列表中的IP进行SYN+ACK的重试。TCP是可靠协议，这时就会重传报文，默认重试次数为5次，重试的间隔时间从1s开始每次都番倍，分别为1s + 2s + 4s + 8s +16s = 31s,第5次发出后还要等32s才知道第5次也超时了，所以一共是31 + 32 = 63s。
也就是说一共假的syn报文，会占用TCP准备队列63s之久，而半连接队列默认为1024，系统默认不同，可 cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog 查看。也就是说在没有任何防护的情况下，每秒发送200个伪造syn包，就足够撑爆半连接队列，从而使真正的连接无法建立，无法响应正常请求。 最后的结果是服务器无暇理睬正常的连接请求—拒绝服务。
攻击细节：
为了提高发送效率在服务端产生更多的SYN等待队列，攻击程序在填充包头时，IP首部和TCP首部都不填充可选的字段，因此IP首部长度恰好是20字节，TCP首部也是20字节，共40字节。
对于以太网来说，最小的包长度数据段必须达到46字节，而攻击报文只有40字节，因此，网卡在发送时，会做一些处理，在TCP首部的末尾，填充6个0来满足最小包的长度要求。这个时候，整个数据包的长度为14字节的以太网头，20字节的IP头，20字节的TCP头，再加上因为最小包长度要求而填充的6个字节的0，一共是60字节。
但这还没有结束。以太网在传输数据时，还有**CRC检验**的要求。网卡会在发送数据之前对数据包进行**CRC检验**，将**4字节**的CRC值附加到包头的最后面。这个时候，数据包长度已不再是40字节，而是变成64字节了，这就是常说的**SYN小包攻击**，数据包结构如下：
|14字节以太网头部|20字节IP头部|20字节TCP|6字节填充|4字节检验|
|目的MAC|源MAC|协议类型| IP头 |TCP头|以太网填充 | CRC检验 |
到64字节时，SYN数据包已经填充完成，准备开始传输了。攻击数据包很小，远远不够最大传输单元(MTU)的1500字节，因此不会被分片。那么这些数据包就像生产流水线上的罐头一样，一个包连着一个包紧密地挤在一起传输吗?事实上不是这样的。
以太网在传输时，还有前导码(preamble)和帧间距(inter-frame gap)。其中前导码占8字节(byte)，即64比特位。前导码前面的7字节都是10101010，1和0间隔而成。但第八个字节就变成了10101011，当主机监测到连续的两个1时，就知道后面开始是数据了。在网络传输时，数据的结构如下：
|8字节前导码|6字节目的MAC地址|6字节源MAC地址|2字节上层协议类型|20字节IP头|20字节TCP头|6字节以太网填充|4字节CRC检验|12字节帧间距|
也就是说，一个本来只有40字节的SYN包，在网络上传输时占的带宽，其实是84字节。
Syn_Flood防御
cookie源认证：
原理是syn报文首先由**DDOS防护系统**来响应syn_ack。带上特定的**sequence number （记为cookie）。真实的客户端会返回一个ack 并且Acknowledgment number 为**cookie+1。 而伪造的客户端，将不会作出响应。这样我们就可以知道那些IP对应的客户端是真实的，将真实客户端IP加入白名单。下次访问直接通过，而其他伪造的syn报文就被拦截。下面为防护示意图：
reset认证：
Reset认证利用的是TCP协议的可靠性，也是首先由DDOS防护系统来响应syn。防护设备收到syn后响应syn_ack,将Acknowledgement number (确认号)设为特定值（记为cookie）。当真实客户端收到这个报文时，发现确认号不正确，将发送reset报文，并且sequence number 为cookie + 1。 而伪造的源，将不会有任何回应。这样我们就可以将真实的客户端IP加入白名单。
TCP首包丢弃:
该算法利用了TCP/IP协议的重传特性，来自某个源IP的第一个syn包到达时被直接丢弃并记录状态(五元组)，在该源IP的第2个syn包到达时进行验证，然后放行。
当防御设备接到一个IP地址的SYN报文后:
1、接受到syn报文 -> 简单比对该IP是否存在于白名单中: 存在则转发到后端，否则进行第2步
2、不存在于白名单中 -> 检查是否是该IP在一定时间段内的首次SYN报文： 不是则进行第3步，是则进行第5步
3、不是首次SYN报文 -> 检查是否重传报文： 是重传则转发并加入白名单，不是则丢弃并加入黑名单
4、是首次SYN报文 -> 丢弃并等待一段时间以试图接受该IP的SYN重传报文，等待超时则判定为攻击报文加入黑名单。
首包丢弃方案对用户体验会略有影响，因为丢弃首包重传会增大业务的响应时间，有鉴于此发展出了一种更优的TCP Proxy方案。所有的SYN数据报文由清洗设备接受，按照SYN Cookie方案处理。和设备成功建立了TCP三次握手的IP地址被判定为合法用户加入白名单，由设备伪装真实客户端IP地址再与真实服务器完成三次握手，随后转发数据。而指定时间内没有和设备完成三次握手的IP地址，被判定为恶意IP地址屏蔽一定时间。除了SYN Cookie结合TCP Proxy外，清洗设备还具备多种畸形TCP标志位数据包探测的能力，通过对SYN报文返回非预期应答测试客户端反应的方式来鉴别正常访问和恶意行为。
清洗设备的硬件具有特殊的网络处理器芯片和特别优化的操作系统、TCP/IP协议栈，可以处理非常巨大的流量和SYN队列。