无心插柳还是有意为之：TCP反射DDoS攻击手法深入分析2.0
作者：[宙斯盾团队] 暴雪
我们常听说UDP反射攻击，那你听说过TCP反射攻击吗？
我们对TCP三次握手谙熟于心，但你确定服务器收到SYN包之后一定返回SYN/ACK吗？
现网的DDoS对抗中，基于TCP协议的反射攻击手法已经悄然兴起，而且出现了多次手法变种，对DDoS防护方带来严峻的挑战。新场景下的技术对抗如约而至...
笔者之前曾撰写过一篇关于利用TCP协议发起的反射攻击的文章《小隐隐于野：基于TCP反射DDoS攻击分析》。分享的是一种新型的攻击手法 —— TCP反射攻击：黑客伪造目的服务器IP向公网的TCP服务器发起连接请求(SYN)，以使得被攻击服务器收到大量SYN/ACK报文，最终造成拒绝服务的手法。而由于这种反射攻击存在协议栈行为，传统的TCP防护算法难以奏效，这也使得这种攻击手法有愈演愈烈之势。
经过我们团队研究人员长期的跟踪分析，发现这种攻击手法出现了两个新的特征：
1）黑客逐渐趋向利用CDN厂商的服务器资源发起TCP反射攻击，因为通过扫描CDN厂商网段，可以快速、高效地获得丰富的TCP服务器资源；
2）TCP反射攻击流量从SYN/ACK转变成ACK，防护难度进一步增大。
黑客逐渐趋向于利用CDN厂商的服务器资源发起TCP发射攻击
我们在整理分析现网的TCP反射攻击时，发现会经常出现攻击源几乎全部来源海外CDN厂商的情况。如图2、图3所示，某次TCP反射攻击事件中有99.88%的IP来源美国，而且88.39%属于某个著名CDN厂商。
显而易见这是黑客开始倾向于扫描CDN厂商的IP网段，以获取大批量反射源的思路。由于CDN厂商的IP资源主要用于为用户提供加速服务，不可避免地会开放TCP端口，黑客便可以通过这种方式快速地获取到有效的TCP反射源。例如笔者随机探测一个CDN厂商的C段IP，结果为：整个C段所有IP全部均有开放TCP端口。
这种方法为黑客提供大量可用的TCP反射源，能够让攻击者的资源实现最大化，而且TCP反射攻击由于具备协议栈行为，传统策略难以防护，所以不难推测后面这种攻击手法将越来越盛行，为DDoS防护方带来不小的挑战。
反射流量从SYN/ACK报文转变为ACK报文，防护难度进一步增大
这里给人的第一反应可能就是颠覆了我们TCP三次握手的印象，一个服务器(反射源)收到一个SYN请求，不应该是返回SYN/ACK吗？怎么会返回ACK包？为了解答这个问题，容笔者从黑客伪造SYN请求的过程说起...
首先如上文描述TCP反射的原理，黑客会控制肉鸡伪造成被攻击服务器的IP对公网的TCP服务器发起SYN请求，而公网TCP服务器的端口都是固定的，所以为了实现反射，SYN请求中的目的端口也同样固定。与此同时，为了达到更好的攻击效果，黑客需要使反射出来的报文的目的端口为被攻击服务器的业务端口(绕过安全设备将非业务端口的流量直接拦截的策略)，也就是说SYN请求报文中的源端口也是固定的。就是基于这些原因，攻击者伪造SYN请求报文的五元组通常都会出现集聚，这个结论其实很重要，因为它就是引发服务器反弹ACK的前提条件。
举例如图5所示：黑客需要攻击的服务器IP为183.*.*.45，其业务端口为80，而黑客掌握的TCP反射服务器的IP是104.*.*.35，开放的端口是8080，那么攻击时构造SYN包的五元组就会集聚在Protocol: TCP、DST_IP: 104.*.*.35、SRC_IP: 183.*.*.45、DST_PORT: 8080、SRC_PORT: 80。
而我们都知道五元组决定了一个会话，所以当黑客短时时间构造大量相同五元组的SYN包发送到同一台TCP服务器时，就会造成大量的“会话冲突”。也就是说从TCP服务器的角度来看，接收到第一个SYN包后，服务器返回SYN/ACK等待ACK以建立TCP连接，而此时又再接收到同一个会话的SYN。那TCP服务器会怎么处理呢？再次返回SYN/ACK？RST？还是其他？
其实在这个情况下，TCP服务器具体怎么处理决定因素在于SYN包的seq号和服务器的window size！假设第一个SYN包的seq号为SEQ1，TCP服务器的windows size为WND，而第二个SYN的seq号为SEQ2，那么：
一、如果SEQ2==SEQ1，此时TCP服务器会认为这个是SYN包重传，则再次返回SYN/ACK(其实是在重传SYN/ACK)，如图6所示。这个攻击场景从被攻击服务器的视角来看，就是在短时间内接收到大量的SYN/ACK报文，造成拒绝服务，这也是现网最为常见的场景之一。
二、如果SEQ2>SEQ1+WND或者SEQ2<SEQ1，那么这种情况属于out-of-windows：对于不在接收窗口内的报文，需要回复一个ACK，让对方发送正确SEQ号的包过来，协议描述可以参考RFC: 793 page69（见图7）。
图7 RFC: 793 page69
所以当黑客伪造SYN报文的SEQ随机变化时，就很容易命中上述情况，TCP服务器就会返回ACK报文，如图8、图9所示。
图8 TCP反射，反弹ACK场景(SEQ2>SEQ1+WND)
图9 TCP反射，反弹ACK场景(SEQ2<SEQ1)
这个场景中，被攻击服务器会接收到少量SYN/ACK以及大量的ACK报文，这是现网最越来越常见的场景。如图10为现网中一次真实TCP反射攻击的抓包采样，表面上看跟普通的ACKFLOOD攻击没有太大区别，而实际上这些流量是具有协议栈行为，所以传统策略难以有效防护。
图10 现网TCP反射攻击采样
三、如果SEQ1<SEQ2<=SEQ1+WND，这种场景下TCP服务器会认为会话出现异常，并返回RST断开会话，如图11所示。此时被攻击服务器会收到大量SYN/ACK+RST的混合流量(当前现网中这种情况很少，而RST的防护难度较小，这里不做详细阐述)。
图11 TCP反射，反弹RST场景
综上所述，黑客为了实现TCP反射攻击，而且尽可能绕过防护策略，所以伪造的SYN报文的五元组会出现集聚，造成严重的会话冲突。而不同的SEQ号会触发TCP服务器不同的应答场景(情况汇总见图12)，所以现网中的TCP反射除了会出现大量的SYN/ACK流量以外，还有可能出现少量SYN/ACK+大量ACK的混合流量，而且后者的流量成份更为复杂，防护难度更大。
笔者整理总结了TCP反射防护的主要难点：
1.TCP反射流量具有协议栈行为，传统的防护算法难以识别和防护；
2.专业的抗D设备通常旁路部署，所以无法获得服务器出流量，这也意味着无法通过双向会话检查的方式进行防护；
3.TCP反射通常为SYN/ACK和ACK的混合流量，而且在成份占比和行为上跟正常业务流量几乎没有太大区别，所以传统的成份分析、限速等方式也难以凑效。
那既然TCP反射攻击防护难度这么大，当前有成熟有效的方案了吗？这个问题问得好！答案是有的，我们自研的腾讯宙斯盾DDoS防护平台已经具备防护能力，防护算法的核心思路是：对被攻击IP的入方向流量做会话跟踪，并分析每个会话的行为动作，以准确地区分出TCP反射攻击的会话和正常流量会话，最终对反射攻击源做拦截，实现有效防护。
防护算法具有以下特点：
1.秒级检测和精准防护：对TCP反射流量包括SYN/ACK、RST、ACK均能有效识别和清洗，保证业务稳定；
2.对正常业务流量无影响：防护算法对用户透明，用户完全不会有感知，确保用户的最佳体验；
3.可以自动适配：防护算法可以默认适配绝大部分业务场景，用户不需要额外配置定制策略，大大减轻防护门槛以及运维人力投入。
当前新算法已经完成研发和验证，当你看到本文的时候就已经上线，为腾讯自营及部分投后业务提供防护，另外还会依托大禹DDoS防护系统为腾讯云用户提供服务。
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最后特别致谢我的同事JS大神，感谢他在撰写本文时提供的给力帮助。
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