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[TCP] 4. TCP connection 沒有你想像的簡單！ 細談大量 TCP 連結的效能問題和資安問題

前言​

在建立 TCP connection 時，實際情況不是發出一個 request，server 就會馬上處理，可能同時還有許多 user 想建立 TCP connection 來做網路請求，因此，就需要 SYN Queue 的機制來幫我們處理大量的 request


但此時，也會因為此設計帶來一些可能的攻擊手段，稱作 SYN flood attack


什麼是 SYN Queue，為什麼要存在？​

在建立 TCP handshake 時，如果同時有很多 Client ，那單一個 Server 很難一瞬間處理所有的請求，因此，Client 過來的請求都會被放到 Server 的 queue 等待解讀和執行

像是 1st handshake 的 SYN segment 會被放到 SYN queue 還有 3rd handshake 的 ACK segment 會被放到 Accept queue 如下圖：


SYN Queue

Pros & Cons​

描述
Pros✅ Server 不用同一時間處理大量的 connection request，減少負擔
Cons❌ 同一時間 Client 能建立的連結有限


什麼是 SYN flood attack？​

目的：讓正常的 request 無法被處理

方法：
➡ 利用 SYN queue 有數量限制的條件，使 queue 一直是滿的，讓 queue 裡面的東西無法被消化
➡ 那怎麼讓 queue 無法被消化呢？
➡ 根據上圖，就是當 3rd handshake 一直沒有回傳 ACK 時，SYN segment 就會持續待在 SYN queue 裡無法被解出
➡ 當 Client 沒有回傳 ACK 時，Server 會一直重傳 SYN segment，重複 5 次，共 63s
➡ 當這 5 次都沒有反應時，才將此 SYN segment 丟棄
➡ 所以，就是讓 Client 在 3rd handshake 不要回傳 ACK，其中最常見的一種方式就是 短時間內，大量產生假的 IP address，這樣就實際上不會有真實的 Client 回傳 ACK segment 了



比喻

上述方法就好像餐廳與訂位客人的關係，當有一假客人訂了位，且當餐廳呼叫訂位的客人，卻找不到人，餐廳就會在 10m 內一直呼叫客人，保留客人的位置 10m，之後才取消他們的位置

如果有一堆這種假客人，這時候，餐廳就必須一直去應付這些假客人，餐廳這是就沒有正常的客人進來，餐廳就無法正常的營運，無法處理真正有訂位想吃飯的客人



如何預防 SYN flood attack?​

有以下幾種方式：

  1. 利用 SYN cookies 技術
  2. 縮短超時 ( SYN timeout ) 時間
  3. 增加 SYN Queue 的容量限制

1. 利用 SYN cookies 技術​

在 2nd handshake 送出 SYN + ACK segment 時，將連結建立成功的資訊放在 Client，Server 就不存在 SYN Queue 裡了

就好像餐廳直接給你一個號碼牌，你只要有號碼牌，就可以進入餐廳了


caution

但這個方法實際上不建議，因為這樣當所有 Client 都是真的，且有很大量的 Client 時， 我們無法限制同一時間的可發送要求的客戶量，所以，我們應該在 SYN queue 有遇到 SYN flood attack 時， 再開啟 SYN cookie 機制



2. 縮短超時 ( SYN timeout ) 時間​

就好像我們把保留位置的時間縮短到 3m ，這樣即使有假客人，我們也不會卡住整體的服務太久


3. 增加 SYN Queue 的容量限制​

就好像我們把餐廳能容量的客人數往上升，也可以解決這個問題



結論​

  • 瞭解 TCP connection 背後有 SYN queue 來處理大量的建立 TCP 的請求
  • 瞭解 hacker 可利用 SYN flood attack，短時間建立大量的假 IP address，使 SYN queue 一直是滿的，且無法正常運作
  • 瞭解可利用 SYN cookie、縮減 SYN timeout、增加 SYN Queue 容量來解決 SYN flood attack 的問題

參考資源​