TCP/IP协议安全性能分析

2008-02-22 12:36:57来源：互联网阅读 ()

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）

从图2的状态转移可以看出，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，如图2所示。
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）