TCP 安全与攻击防御

TCP 层攻击面

TCP 的设计年代（1981 年 RFC 793）互联网还是学术网络，安全不是首要考虑。现代 TCP 实现需要防御多种攻击：

攻击原理

攻击者伪造大量源 IP，发送 SYN 但不回复 ACK，占满服务端半连接队列：

服务端收到 SYN 后不分配 TCB，而是计算 Cookie 放入 SYN-ACK 的序列号：

Cookie = Hash(客户端IP, 客户端端口, 服务端IP, 服务端端口, 时间戳, 秘密密钥)

合法客户端回复 ACK（Ack = Cookie + 1），服务端验证 Cookie 后才分配 TCB。

# Linux 开启 SYN Cookie
sysctl net.ipv4.tcp_syncookies=1

注意：SYN Cookie 有副作用：

  • 不支持 TCP 选项（如 Window Scale、SACK）的协商
  • 高负载时可能降低性能

序列号预测与连接劫持

攻击原理

如果 ISN 可预测，攻击者可以：

  1. 嗅探到客户端与服务端的连接
  2. 预测下一个 ACK 的序列号
  3. 伪造报文注入数据或 RST 切断连接

防御：ISN 随机化

现代操作系统使用强随机化策略：

  • Linux：基于密钥的伪随机生成器
  • 每个新连接使用不同 ISN
  • 增加 32 位秘密密钥，使预测计算上不可行
# Linux ISN 生成方式（不可调，内核自动处理）
# 旧版本可能使用较弱算法，建议保持内核更新

RST 攻击

攻击者伪造 RST 报文切断连接：

防御：

  • 现代系统要求 RST 的序列号落在接收窗口内才处理
  • 窗口外的 RST 被静默丢弃
  • 结合 ISN 随机化，攻击者难以构造有效序列号

TCP MD5 签名与 TCP-AO

BGP 等关键协议使用 TCP 连接，需要防止中间人篡改。

TCP MD5（RFC 2385，已废弃）

在 TCP 选项中加入 MD5 签名，验证报文完整性。但 MD5 已被破解，不再安全。

TCP-AO（TCP Authentication Option，RFC 5925）

替代 TCP MD5，使用更安全的 HMAC 算法（如 SHA-1、AES）。

# Linux 支持 TCP_MD5SIG（用于 BGP 等）
setsockopt(sockfd, TCP_MD5SIG, ...)

TIME_WAIT 与端口耗尽攻击

攻击者快速建立并关闭大量连接，让服务端进入大量 TIME_WAIT，耗尽端口：

# 攻击者脚本（示意）
for i in {1..65535}; do
    nc target_ip target_port &
done

防御：

  • tcp_tw_reuse=1：允许复用 TIME_WAIT 连接
  • 限制单 IP 连接数（iptables connlimit）
  • 应用层限流（Rate Limiting）

本篇小结

  • SYN Flood：伪造 SYN 占满半连接队列，用 SYN Cookie 防御
  • 序列号预测：ISN 随机化，现代系统已免疫
  • RST 攻击：伪造 RST 切断连接，窗口检查 + ISN 随机化防御
  • TCP-AO：替代 TCP MD5，为关键连接提供认证
  • TIME_WAIT 攻击：快速建连拆连耗尽端口，用 reuse + 限流防御

动手实践

  1. 查看 SYN Cookie 是否开启：

    sysctl net.ipv4.tcp_syncookies

  2. 用 hping3 模拟 SYN Flood（测试环境！）：

    sudo hping3 -S -p 80 --flood --rand-source target_ip

  3. 观察半连接队列状态：

    watch -n 1 'ss -tan | grep SYN-RECV | wc -l'

  4. 思考：为什么 SYN Cookie 不支持 TCP 选项协商？如果客户端在 SYN 中请求 Window Scale，服务端用 SYN Cookie 回复，后续连接会怎样？