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关于 TCP/IP协议安全性能问题的分析


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。

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。

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)

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。

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。