面试题：网络编程之TCP SYN Flood攻击原理及防范优化

Question

详细阐述TCP SYN Flood攻击的原理。假设你在负责一个高流量的后端服务器网络编程项目，针对这种攻击，你会从网络层、传输层和应用层分别采取哪些优化的防范措施？

Answer 1

TCP SYN Flood攻击原理

1. 正常TCP连接过程：
   • TCP连接通过三次握手建立，客户端发送SYN包，服务器收到后回复SYN + ACK包，客户端再发送ACK包，连接建立完成。
2. 攻击原理：
   • 攻击者向服务器发送大量伪造源IP地址的SYN包，服务器为每个SYN包分配资源（如创建连接控制块等）并回复SYN + ACK包。但由于源IP地址是伪造的，客户端不会回复ACK包，导致服务器的半连接队列被填满。后续正常的连接请求到达时，由于半连接队列已满，服务器无法为其分配资源，从而拒绝服务，造成正常用户无法建立TCP连接。

防范措施

网络层

1. 配置防火墙：
   • 源IP地址过滤：配置防火墙检查源IP地址的合法性，丢弃来自非法IP段或伪造IP地址的SYN包。例如，企业网络可以只允许来自已知合法IP范围的连接请求。
   • 设置SYN包速率限制：限制单位时间内来自单个IP的SYN包数量，超过阈值的包将被丢弃。如设定每秒每个IP最多发送100个SYN包。
2. 部署入侵检测系统（IDS）/入侵防范系统（IPS）：
   • IDS/IPS可以检测异常的SYN包流量模式。例如，当检测到短时间内大量来自不同源IP的SYN包，且没有相应的ACK回复时，系统可以发出警报（IDS）或直接阻断流量（IPS）。

传输层

1. 调整TCP参数：
   • 增大半连接队列长度：在服务器端操作系统中，适当增大TCP半连接队列的长度，使服务器能容纳更多的半连接，减轻攻击影响。例如，将半连接队列长度从默认的128增加到1024。
   • 缩短SYN - ACK重传次数和时间间隔：减少SYN - ACK包的重传次数和重传时间间隔，对于长时间没有收到ACK回复的半连接，尽快释放相关资源。如将重传次数从默认的5次减少到3次，重传时间间隔从默认的3秒缩短到1秒。
2. 启用SYN Cookie：
   • SYN Cookie是一种无需在半连接队列中保存状态信息的机制。当服务器收到SYN包时，不立即分配连接资源，而是根据SYN包中的信息（如源IP、端口、时间戳等）生成一个特殊的Cookie作为SYN - ACK包的初始序列号。当客户端回复ACK包时，服务器验证该Cookie的合法性，若合法则建立连接。这样即使半连接队列被填满，服务器也能正常处理新的连接请求。

应用层

1. 采用认证机制：
   • 在应用层添加身份认证环节，如用户名/密码认证、证书认证等。在TCP连接建立后，只有通过认证的用户才能进行后续操作。这样可以避免攻击者在连接建立后进行恶意操作，同时也能减少恶意连接请求的数量，因为攻击者难以通过认证。
2. 负载均衡与资源分配：
   • 负载均衡：使用负载均衡器将流量均匀分配到多个后端服务器，当一台服务器受到SYN Flood攻击时，其他服务器仍能正常工作。例如，采用轮询、加权轮询等负载均衡算法。
   • 资源分配限制：在应用层对每个连接可占用的资源进行限制，如限制每个连接的带宽、请求频率等。对于异常的高流量连接请求进行限流或阻断，防止攻击者利用大量连接耗尽服务器资源。