概述
在目前以IPv4爲支撐的網絡協議上搭建的網絡環境中，SYN Flood是一種非常危險而常見的DoS***方式。到目前爲止，能夠有效防範SYN Flood***的手段並不多，而SYN Cookie就是其中最著名的一種。SYN Cookie原理由D. J. Bernstain和 Eric Schenk發明。在很多操作系統上都有各種各樣的實現。其中包括Linux。本文就分別介紹一下SYN Flood***和SYN Cookie的原理，更重要的是介紹Linux內核中實現SYN Cookie的方式。最後，本文給出一種增強目前Linux中SYN Cookie功能的想法。
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一 SYN Flood***
SYN Flood***是一種典型的拒絕服務型（Denial of Service）***。所謂拒絕服務型***就是通過進行***，使受害主機或網絡不能夠良好的提供服務，從而間接達到***的目的。
SYN Flood***利用的是IPv4中TCP協議的三次握手（Three-Way Handshake）過程進行的***。大家知道協議規定，如果一端想向另一端發起TCP連接，它需要首先發送TCP SYN 包到對方，對方收到後發送一個TCP SYN+ACK包回來，發起方再發送TCP ACK包回去，這樣三次握手就結束了。我們把TCP連接的發起方叫作"TCP客戶機（TCP Client）"，TCP連接的接收方叫作"TCP服務器（TCP Server）"。值得注意的是在TCP服務器收到TCP SYN request包時，在發送TCP SYN+ACK包回TCP客戶機前，TCP服務器要先分配好一個數據區專門服務於這個即將形成的TCP連接。一般把收到SYN包而還未收到ACK包時的連接狀態成爲半開連接（Half-open Connection）。
在最常見的SYN Flood***中，***者在短時間內發送大量的TCP SYN包給受害者，這時***者是TCP客戶機，受害者是TCP服務器。根據上面的描述，受害者會爲每個TCP SYN包分配一個特定的數據區，只要這些SYN包具有不同的源地址（這一點對於***者來說是很容易僞造的）。這將給TCP服務器系統造成很大的系統負擔，最終導致系統不能正常工作。
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二 SYN Cookie原理
SYN Cookie是對TCP服務器端的三次握手協議作一些修改，專門用來防範SYN Flood***的一種手段。它的原理是，在TCP服務器收到TCP SYN包並返回TCP SYN+ACK包時，不分配一個專門的數據區，而是根據這個SYN包計算出一個cookie值。在收到TCP ACK包時，TCP服務器在根據那個cookie值檢查這個TCP ACK包的合法性。如果合法，再分配專門的數據區進行處理未來的TCP連接。
從上面的介紹可以看出，SYN Cookie的原理比較簡單。到實際的應用中，它有多種不同的實現方式。
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三 Linux內核中的SYN Cookie實現
Linux內核中對SYN Flood有很好的防護。以下的討論都是針對Linux2.4.20內核進行的。在每一個sock都有一個tcp_opt即這個sock的TCP選項。在tcp_opt其中有一個tcp_listen_opt，這裏存儲的是這個sock在LISTEN狀態下時保存的一些選項，其中有一個open_request結構的數組，數組長度爲TCP_SYNQ_HSIZE（512）。所有這些表示在一個sock，最多可以同時開啓512個半開連接（這是在不考慮其他約束條件時的最大值，實際情況中不會達到這個值）。當這個數組滿了時，新來的open_request會頂替掉一個老的open_request。這樣，即使沒有啓動SYN Cookie，也能夠在SYN Flood發生時保護系統免於癱瘓。問題是這種處理方法會在面對SYN Flood***時丟掉正常的TCP連接請求。SYN Cookie的作用恰恰是保證在面對SYN Flood***時，一方面能夠拒絕非法的TCP連接請求，一方面正常連接可以被建立。
Linux內核對TCP流程的處理主要在tcp_ipv4.c文件中的函數實現。具體的，當處理TCP SYN包時，系統進入tcp_v4_conn_request函數。其中調用cookie_v4_init_sequence生成一個ISN（Initial Sequence Number）。Linux內核把它作爲SYN Cookie流程中的cookie。
cookie_v4_init_sequence函數在syncookies.c文件中定義，它又調用random.c文件中的secure_tcp_syn_cookie函數。cookie的實質計算是在這個函數中進行的。
在random.c文件裏給出secure_tcp_syn_cookie函數的定義之前給出兩個宏，它們的定義分別爲
#define COOKIEBITS 24
#define COOKIEMASK (((__u32)1 << COOKIEBITS) - 1)
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COOKIEBITS表示cookie的比特長度；COOKIEMASK是一個COOKIEBITS長的比特 串，所有比特都是1。
還有兩個比特串，被定義成一個__u32的二維數組
static __u32 syncookie_secret[2][16-3+HASH_BUFFER_SIZE];
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其中所有的比特值在secure_tcp_syn_cookie中被隨機的賦予，用get_random_bytes函數。它們成爲製作cookie的密鑰。這兩個被隨機產生的比特串是整個SYN Cookie實現方案的關鍵。另外還有一個開關syncookie_init控制對這兩個密鑰的改動。
還需要指出，在文件syncookies.c中定義有一個__u16組成的表static __u16 const msstab[],這個表中保存的是一些可能的MSS（Maximum Segment Size）值。
secure_tcp_syn_cookie函數的返回值就是計算得到的ISN值，即cookie。爲了描述方便，我們給出如下定義：
tmp1 := saddr + daddr + ((sport<<16)+dport) + syncookie_secret[0]
tmp2 := saddr + daddr + ((sport<<16)+dport) + syncookie_secret[1]
tmp11 := HASH_TRANSFORM(tmp1[16], tmp1)
tmp22 := HASH_TRANSFORM(tmp2[16], tmp2)
A := tmp11[0][17]
B := tmp22[1][17]
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sseq := ntohl(skb->h.th->seq) 這裏的skb是攜帶TCP SYN的那個skb
count1 := jiffies/(HZ*60) 當前時間的分鐘值
data1 := msstab
從前往後最後一個小於skb中攜帶的MSS值的值的索引（值得注意的是兩個密鑰在第一次被初始化後，就不會再有改動，直到系統重新啓動。因此可以認爲它是一個常值。）
有了上面的定義我們可以得到cookie等於
isn := A+sseq + (count1<<COOKIEBITS) + (B+data1)&COOKIEMASK
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這個isn被賦予返回的TCP SYN+ACK包中，作爲其中的ISN值。這就是cookie 的產生過程。在這個過程中，沒有在本地爲這個連接請求分配任何存儲空間。
在TCP服務器收到TCP ACK包時，相應的要進行SYN Cookie的檢查。這個檢查 過程在函數tcp_v4_hnd_req中的cookie_v4_check函數開始。cookie_v4_check調用cookie_check函數，cookie_check函數調用check_tcp_syn_cookie函數。
check_tcp_syn_cookie函數在random.c中定義，是與前面介紹的
secure_tcp_syn_cookie函數對應的函數，檢查從TCP ACK中提取出的ISN值。
在check_tcp_syn_cookie中假定ISN的值如下
isn := A+sseq + (count2<<COOKIEBITS) + (B+data2)&COOKIEMASK
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這裏的A、B都是根據當前這個skb中的地址信息和syncookie_secret算出來的；sseq是根據這個skb中的seq值算出的。
有了上面這些值，TCP服務器就可以反算出count2和data2。理論上來說，只要這個isn是原來那個isn，應該有
count2 == count1
data2 == data1
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但是這種結論僅僅是一個理論情況。因爲在TCP服務器端並沒有保存原來的count1和data1，因此不能直接進行比較。TCP服務器採取的方法是：
1）計算出當前的分鐘值
count3 := jiffies/(HZ*60)
用count3與count2比較，如果差值超過COUNTER_TRIES（4）分鐘，則認爲這 個ACK包不合法。
2）看data2是不是一個合法的msstab的索引，也就是說是不是小於NUM_MSS， 即(sizeof(msstab)/sizeof(msstab[0]) - 1)。如果小於，則認爲這個ACK 合法，否則認爲非法。
上面介紹的就是Linux內核Linux2.4.20中對SYN Cookie的實現方式。下面討論一下它的合理性。希望得到的結論是這種方案可以有效的實現一般TCP的連接，同時可以防止SYN Flood***。
從上面的介紹來說，合法的TCP連接請求一定可以通過SYN Cookie流程。 另一方面我們看SYN Cookie在系統受到各種SYN Flood***時會採取的行爲。 最一般的SYN Flood***方式是***者作爲TCP客戶機發送大量TCP SYN包而不再發送其他的包。這時SYN Cookie會爲每個SYN包計算出相應的ISN值，並返回SYN+ACK包，而在本地將不分配任何存儲空間，因此不會被成功***。
根據SYN Cookie的原理，***者有可能直接發送大量ACK包。這時SYN Cookie提取出每個包的isn值，並假定它有下面的格式
isn := A+sseq + (count<<COOKIEBITS) + (B+data)&COOKIEMASK
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反算出count和data。
因爲***者並不知道這裏的A和B，因此經過反算出的count和data幾乎不可能都合理，因此TCP服務器也幾乎不可能爲這些ACK包分配存儲空間，這也就說明了SYN Cookie達到起到了抵擋SYN Flood***的作用。
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四 SYN Cookie Firewall
從上面的介紹可以看到，Linux內核中的SYN Cookie機制主要的功能是防止本機遭受SYN Flood***的，但是在很多情況下，僅僅實現這樣的SYN Cookie機制是不夠的。如果我們要考慮的是一個網關模式的防火牆，它不僅要保護本機免受各種網絡***，還要保護它後面的所有對外有開放TCP端口的主機免受這些***。比如一個局域網中有個服務器開放了FTP服務給外界，這個服務器主機就有可能遭受到來自互聯網上的SYN Flood***。而這時的防火牆會將所有的***SYN包轉發給受害主機。
一種杜絕這種情況的方法是SYN Cookie Firewall。它是SYN Cookie的一種擴展形式。總的來說，它是利用原來SYN Cookie的原理在內網和外網之間實現TCP三次握手過程的代理（proxy）的機制。
爲了方便描述，我們假定一個外在的TCP客戶機C希望通過防火牆F連接到局域網中的一個TCP服務器S。
在防火牆收到來自外網的SYN包時，它並不直接進行轉發，而是緩存在本地，再按照原來SYN Cookie的機制製作好一個針對這個SYN包的SYN+ACK包，注意，這個SYN+ACK包中的ack順序號爲特製的cookie值c，更重要的是這個包的的源地址被僞造成了S的地址（爲了描述方便，我們這裏暫時不考慮NAT等其他因素）。這樣C會接收到這個SYN+ACK包，並認爲是從S反饋回來的。於是C再響應一個ACK包，並認爲與S的TCP連接已經建立起來。這時防火牆F收到這個ACK包，按照前面的描述的SYN Cookie原理來檢查這個ACK中的ack順序號。如果認爲合法，F將本地緩存的來自C的SYN包發送給S，這時S會響應一個SYN+ACK包到C，其中也攜帶一個seq號， 我們設爲c`。當然這個包不會到達C，而是由防火牆F截取，F根據這個包中的序列號等信息，造一個ACK包響應到S。這時的情況是：C認爲自己已經與S建立了TCP連接；S認爲自己與C建立了TCP連接。以後的TCP數據內容可以直接穿過防火牆F，在S和C之間交互。
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上圖是SYN Cookie Firewall的工作原理，它相當於在TCP Server與TCP Client之間實現了對三次握手協議的代理。第一次"三次握手"在TCP Client與防火牆之間進行，第二次"三次握手"在防火牆與TCP Server之間。在第一次"三次握手"時使用前面介紹的SYN Cookie流程。有一個問題在進行兩次"三次握手"時出現了：如圖所示，進行第一次"三次握手"後，TCP Client認爲後續數據包的seq值從c+1開始，而進行第二次"三次握手"後，TCP Server認爲後續發來的數據包的seq值從c`+1開始， c是cookie，c`是TCP Server隨機產生的。c和c`幾乎不可能相等，也就是說在完成上面的兩個"三次握手"後，如果不進行其他操作，後續從TCP Client到TCP Server的數據包都將被認爲順序號不對而被丟掉。一種補救方法就是在防火牆本地保存一個值δ
δ ＝ |c - c`|
利用這個差值，在每個數據包經過防火牆時，將其seq值修改一下，這樣，後續的數據流量可以完美地在TCP Server和TCP Client之間傳輸了。
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總結
現在普遍使用的IPv4協議帶有很多安全上的問題，其中面對SYN Flood***的軟弱就是一點。在不改變TCP三次握手流程的情況下，TCP Server幾乎不可能有效的防範SYN Flood的***。要保證完全防範SYN Flood，必須修改三次握手協議。SYN Cookie是一種很有效的方法。它的思想比較簡單，主要是如何具體的實現，Linux系統也提供了一種實現。作者通過研讀Linux2.4.20內核中的代碼，基本瞭解了Linux內核中實現SYN Cookie的手段，將其總結成文字，與對SYN Cookie同樣感興趣的朋友分享、交流。
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