基于Linux平臺防止IP欺騙的SYN攻擊防火墻的設計與實現

夏躍偉　牛文倩　劉金廣

摘 要： 目前，SYN FLOOD攻擊占70%～80%。IP欺騙是常用的方式，如何防止IP欺騙的SYN攻擊成為研究熱點。設計是以redhat 5.0 為平臺，結合RED算法設計并實現一個抗SYN攻擊的包過濾防火墻，該防火墻在輕度和中度攻擊的情況下判斷一個數據包的丟棄概率，當被丟棄則保存該數據包到哈希表中，主機等待客戶機重傳TCP連接請求，檢測是否是真實性的IP地址，經過分析研究和實驗的驗證具有較好的吞吐量，同時正常數據包的通過率很高。當遭受的是重度攻擊時，則直接采用的是RED中的隨機丟棄數據包。

關鍵詞： 防火墻； SYN攻擊； RED算法； 哈希表

中圖分類號： TN915.08?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）09?0083?03

0 引 言

隨著網絡的發展，網絡攻擊的手段越來越多，其中以IP欺騙形式的SYN攻擊所占的比例較大，眾多的專家學者都致力于研究如何有效控制SYN攻擊[1]。也提出了較多的方法，例如狀態檢測算法，該算法主要是利用TCP連接過程中的幾個狀態[2]，判斷是否是攻擊性數據包，但是該算法存在一些缺陷，對每個數據包都要檢測其狀態，而且要保存較多的數據包信息，這對系統的吞吐量和內存都有較大的影響。因此，本實驗防火墻致力于提高正常包的通過率，以及系統吞吐量。對于輕度和中度攻擊時的系統性能有很大的提高。

1 系統相關知識

1.1 防火墻

防火墻是防止網絡攻擊的主要手段之一，目前的防火墻得到很大的發展，它防止外部網絡對內部網絡的攻擊，一個防火墻的參考模型如圖1所示。

圖1 防火墻模型

1.2 RED算法

RED算法[3]利用當前隊列的平均長度計算數據包的丟棄概率，如圖2所示，具體由三個原則確定：

（1） 當平均隊列長度[Lav]小于給定的數據包隊列長度最小門限值minth時，數據包丟棄概率[P=0；]

（2） 當平均隊列長度[Lav]大于給定的數據包隊列長度最大門限值maxth時，數據包的丟棄概率[P=1；]

（3） 當平均隊列長度在minth和maxth之間，數據包的丟棄概率在0～1之間。而且[P=max*][（Q-Min）（maxth-minth）。]

圖2 數據包丟棄概率[P]和兩個門限值的關系圖

2 總體設計

因為IP欺騙形式的SYN攻擊，是采用的偽造IP地址和端口，主機發送ACK數據包，攻擊機器是不會做出回應的[4]。所以判斷正常包就可以讓客戶機其超時重傳，從而檢測是否是真實IP。防火墻的設計主要是針對SYN請求數據包，利用RED算法計算當前的TCP連接請求數據包到來時的TCP緩沖區的平均隊列長度[Q，]如果平均隊列長度[Q]小于給定的最小隊列門限值minth，則說明當前沒有SYN攻擊或者只有少數的SYN數據包，這種情況下不會影響本機性能，可以直接接收數據包。如果平均隊列長度大于最大門限值maxth，說明當前遭受到較強的SYN攻擊，則隨機的丟棄數據包。如果平均隊列長度在最小門限minth和最大門限值maxth之間，則計算當前數據包的隨機丟棄概率[P，]如果[P]小于給定的閾值[Pm，]則接收數據包，如果[P]大于給定的閾值，則先到哈希表中查找是否存在相同數據包信息的元素（哈希表存放的是被丟棄的數據包的相關信息），如果找到則接收數據包到本機，如果沒有找到則保存數據包相關信息到哈希表中，同時丟棄該數據包。總體設計如圖3所示。

3 防火墻關鍵技術實現

3.1 包檢測模塊

采用RED算法實現對數據包的處理，判斷進入到主機的TCP連接請求數據包的丟棄概率，首先要定義RED算法中用到的參數：

struct red_parms{

/* Parameters */

u32 limit； /*隊列長度上限*/

u32 qth_min； /*算法需要的兩個門限值*/

u32 qth_max；

u32 Rmask；

u32 Scell_max； /*最大空閑時間*/

unsigned char flags；

char Wlog； /*log（W）*/

char Plog； /*random number bits*/

char Scell_log；

u8 Stab[256]；

unsigned long qave； /*平均隊列長度*/

int qcount； /*上次丟棄分組后收到的分組個數*/

u32 qR； /*Cached random number*/

psched_time_t qidlestart； /*隊列空間開始時間*/

struct tc_red_xstats st；

}；

圖3 SYN防火墻總體設計

隊列的平均長度是判斷丟棄概率的關鍵因素，利用函數red_cmp_thresh實現RED算法的隊列長度判斷，對于不同的返回值，計算丟棄概率。

static inline int red_cmp_thresh（struct red_parms *p， unsigned long qavg）

{

if （qavg < p?>qth_min）

return RED_BELOW_MIN_THRESH；

else if （qavg >= p->qth_max）

return RED_ABOVE_MAX_TRESH；

else

return RED_BETWEEN_TRESH；

}

針對不同的隊列長度，計算出當前數據包的丟棄概率：

static inline int red_action（struct red_parms *p， unsigned long qavg）

{

switch （red_cmp_thresh（p， qavg）） {

case RED_BELOW_MIN_THRESH：

p->qcount = -1；

return RED_DONT_MARK；

case RED_BETWEEN_TRESH：

if （++p->qcount） {

if （red_mark_probability（p， qavg）） {

p->qcount = 0；

p->qR = red_random（p）；

}

} else

p->qR = red_random（p）；

}

3.2 哈希表

一個TCP連接請求數據包的丟棄概率經過上面的函數計算以后，根據和預定的概率值進行比較，如果概率小于給定的閾值，則接收數據包通過主機，如果概率大于給定閾值，則到哈希表中進行查找，哈希表中存在相同的數據包信息則接收數據包進入主機，如果不存在則刪除數據包，同時保存數據包的相關信息到哈希表中。

定義哈希結構PACK_hash，為了方便系統的快速查找，在這里將其定義為大小為4 096的哈希數組。

進行哈希函數的查找和插入的哈希函數，可以利用數據包的源地址表示，將源地址的前16位和后16位相加，得到的結果除留余數，具體的函數可以是：

hash_key（struct iphdr src）

{

u16 hashavl，hashky；

hashavl=（u16）（src->saddr>>16+src->saddr&&0x0000ffff）；

hashky=hashkvl%32；

//采用32取余數，能夠較好地防止哈希沖突

}

3.3 數據包信息結構和定時器

在后面的處理過程中，只用到了數據包的源地址和目的地址，所以可以定義數據包的信息結構：

struct PACK_info

{

struct list_head pack_list； //哈希沖突時，存儲為一個鏈表

struct iphdr src，drc； //表示數據包的源地址

struct timer_list time；

//定時器，防止哈希表一直被填滿，到達時間就刪除這個節點

u16 spt，dpt ； //數據包的源端口和目的端口

}

內核中提供了對定時器處理函數[5]如下：

void init_timer（struct timer_list *timer）

//初始化定時器隊列結構

vod add_timer（struct timer_list *timer） //啟動定時器

int del_timer（struct timer_list *timer）

//啟動定時器前將它刪除，因為在超時后系統會自動

將它刪除

3.4 數據包匹配

數據包在哈希表中查找相應的節點，匹配數據包的源地址和目的地址是否相同。

基于數據包的源IP 地址進行匹配：

static int check_spkt（struct PACK_info *skb）

{

if （！ skb ）

return NF_ACCEPT；

if （（skb->src->saddr >= htonl（fw_deny.sipf）） && （skb->src->saddr <= htonl（fw_deny.sipt）））

return NF_DROP；

return NF_ACCEPT；

}

基于數據包的目的IP地址進行匹配：

static int check_dpk（struct sk_buff *skb）

{

if （！ skb ）

return NF_ACCEPT；

if （（skb->drc->daddr >= htonl（fw_deny.sipf）） && （skb->

drc->daddr <= htonl（fw_deny.dipt）） ）

return NF_DROP；

return NF_ACCEPT；

}

4 結 論

本防火墻的設計采用的擁塞控制算法RED算法，同時利用了哈希表相關知識。構建了一個簡單實用的小型防止IP地址欺騙的SYN攻擊的防火墻，經過試驗測試，該防火墻在輕度和重度攻擊時，有較好的防御能力，正常包的通過率保持在98%左右，系統性能較好，吞吐量較大。

參考文獻

[1] 周劍嵐，馮珊.運用hook技術實現的軟件防火墻[J].華中科技大學學報：自然科學版，2004，32（3）：83?85.

[2] 毛德操，胡希明.Linux內核源代碼情景分析[M].杭州：浙江大學出版社，2001.

[3] 陳軍，陳志剛.主動隊列管理RED算法的改進與實驗仿真研究[J].計算機工程，2006，9（6）：44?47.

[4] POTTER B. Open source firewall alternatives [J]. Network Security， 2006， 18（6）： 16?17.

[5] 丁曉波，桑楠，張寧.Linux 2.6內核的內核對象機制分析[J].計算機應用，2005，25（1）：76?84.

[6] 何映，覃以威，李丹.基于Windows內核態個人防火墻的設計與實現[J].現代電子技術，2012，35（6）：49?52.

{

if （qavg < p?>qth_min）

return RED_BELOW_MIN_THRESH；

else if （qavg >= p->qth_max）

return RED_ABOVE_MAX_TRESH；

else

return RED_BETWEEN_TRESH；

}

針對不同的隊列長度，計算出當前數據包的丟棄概率：

static inline int red_action（struct red_parms *p， unsigned long qavg）

{

switch （red_cmp_thresh（p， qavg）） {

case RED_BELOW_MIN_THRESH：

p->qcount = -1；

return RED_DONT_MARK；

case RED_BETWEEN_TRESH：

if （++p->qcount） {

if （red_mark_probability（p， qavg）） {

p->qcount = 0；

p->qR = red_random（p）；

}

} else

p->qR = red_random（p）；

}

3.2 哈希表

一個TCP連接請求數據包的丟棄概率經過上面的函數計算以后，根據和預定的概率值進行比較，如果概率小于給定的閾值，則接收數據包通過主機，如果概率大于給定閾值，則到哈希表中進行查找，哈希表中存在相同的數據包信息則接收數據包進入主機，如果不存在則刪除數據包，同時保存數據包的相關信息到哈希表中。

定義哈希結構PACK_hash，為了方便系統的快速查找，在這里將其定義為大小為4 096的哈希數組。

進行哈希函數的查找和插入的哈希函數，可以利用數據包的源地址表示，將源地址的前16位和后16位相加，得到的結果除留余數，具體的函數可以是：

hash_key（struct iphdr src）

{

u16 hashavl，hashky；

hashavl=（u16）（src->saddr>>16+src->saddr&&0x0000ffff）；

hashky=hashkvl%32；

//采用32取余數，能夠較好地防止哈希沖突

}

3.3 數據包信息結構和定時器

在后面的處理過程中，只用到了數據包的源地址和目的地址，所以可以定義數據包的信息結構：

struct PACK_info

{

struct list_head pack_list； //哈希沖突時，存儲為一個鏈表

struct iphdr src，drc； //表示數據包的源地址

struct timer_list time；

//定時器，防止哈希表一直被填滿，到達時間就刪除這個節點

u16 spt，dpt ； //數據包的源端口和目的端口

}

內核中提供了對定時器處理函數[5]如下：

void init_timer（struct timer_list *timer）

//初始化定時器隊列結構

vod add_timer（struct timer_list *timer） //啟動定時器

int del_timer（struct timer_list *timer）

//啟動定時器前將它刪除，因為在超時后系統會自動

將它刪除

3.4 數據包匹配

數據包在哈希表中查找相應的節點，匹配數據包的源地址和目的地址是否相同。

基于數據包的源IP 地址進行匹配：

static int check_spkt（struct PACK_info *skb）

{

if （！ skb ）

return NF_ACCEPT；

if （（skb->src->saddr >= htonl（fw_deny.sipf）） && （skb->src->saddr <= htonl（fw_deny.sipt）））

return NF_DROP；

return NF_ACCEPT；

}

基于數據包的目的IP地址進行匹配：

static int check_dpk（struct sk_buff *skb）

{

if （！ skb ）

return NF_ACCEPT；

if （（skb->drc->daddr >= htonl（fw_deny.sipf）） && （skb->

drc->daddr <= htonl（fw_deny.dipt）） ）

return NF_DROP；

return NF_ACCEPT；

}

4 結 論

本防火墻的設計采用的擁塞控制算法RED算法，同時利用了哈希表相關知識。構建了一個簡單實用的小型防止IP地址欺騙的SYN攻擊的防火墻，經過試驗測試，該防火墻在輕度和重度攻擊時，有較好的防御能力，正常包的通過率保持在98%左右，系統性能較好，吞吐量較大。

參考文獻

[1] 周劍嵐，馮珊.運用hook技術實現的軟件防火墻[J].華中科技大學學報：自然科學版，2004，32（3）：83?85.

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[3] 陳軍，陳志剛.主動隊列管理RED算法的改進與實驗仿真研究[J].計算機工程，2006，9（6）：44?47.

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[5] 丁曉波，桑楠，張寧.Linux 2.6內核的內核對象機制分析[J].計算機應用，2005，25（1）：76?84.

[6] 何映，覃以威，李丹.基于Windows內核態個人防火墻的設計與實現[J].現代電子技術，2012，35（6）：49?52.

{

if （qavg < p?>qth_min）

return RED_BELOW_MIN_THRESH；

else if （qavg >= p->qth_max）

return RED_ABOVE_MAX_TRESH；

else

return RED_BETWEEN_TRESH；

}

針對不同的隊列長度，計算出當前數據包的丟棄概率：

static inline int red_action（struct red_parms *p， unsigned long qavg）

{

switch （red_cmp_thresh（p， qavg）） {

case RED_BELOW_MIN_THRESH：

p->qcount = -1；

return RED_DONT_MARK；

case RED_BETWEEN_TRESH：

if （++p->qcount） {

if （red_mark_probability（p， qavg）） {

p->qcount = 0；

p->qR = red_random（p）；

}

} else

p->qR = red_random（p）；

}

3.2 哈希表

一個TCP連接請求數據包的丟棄概率經過上面的函數計算以后，根據和預定的概率值進行比較，如果概率小于給定的閾值，則接收數據包通過主機，如果概率大于給定閾值，則到哈希表中進行查找，哈希表中存在相同的數據包信息則接收數據包進入主機，如果不存在則刪除數據包，同時保存數據包的相關信息到哈希表中。

定義哈希結構PACK_hash，為了方便系統的快速查找，在這里將其定義為大小為4 096的哈希數組。

進行哈希函數的查找和插入的哈希函數，可以利用數據包的源地址表示，將源地址的前16位和后16位相加，得到的結果除留余數，具體的函數可以是：

hash_key（struct iphdr src）

{

u16 hashavl，hashky；

hashavl=（u16）（src->saddr>>16+src->saddr&&0x0000ffff）；

hashky=hashkvl%32；

//采用32取余數，能夠較好地防止哈希沖突

}

3.3 數據包信息結構和定時器

在后面的處理過程中，只用到了數據包的源地址和目的地址，所以可以定義數據包的信息結構：

struct PACK_info

{

struct list_head pack_list； //哈希沖突時，存儲為一個鏈表

struct iphdr src，drc； //表示數據包的源地址

struct timer_list time；

//定時器，防止哈希表一直被填滿，到達時間就刪除這個節點

u16 spt，dpt ； //數據包的源端口和目的端口

}

內核中提供了對定時器處理函數[5]如下：

void init_timer（struct timer_list *timer）

//初始化定時器隊列結構

vod add_timer（struct timer_list *timer） //啟動定時器

int del_timer（struct timer_list *timer）

//啟動定時器前將它刪除，因為在超時后系統會自動

將它刪除

3.4 數據包匹配

數據包在哈希表中查找相應的節點，匹配數據包的源地址和目的地址是否相同。

基于數據包的源IP 地址進行匹配：

static int check_spkt（struct PACK_info *skb）

{

if （！ skb ）

return NF_ACCEPT；

if （（skb->src->saddr >= htonl（fw_deny.sipf）） && （skb->src->saddr <= htonl（fw_deny.sipt）））

return NF_DROP；

return NF_ACCEPT；

}

基于數據包的目的IP地址進行匹配：

static int check_dpk（struct sk_buff *skb）

{

if （！ skb ）

return NF_ACCEPT；

if （（skb->drc->daddr >= htonl（fw_deny.sipf）） && （skb->

drc->daddr <= htonl（fw_deny.dipt）） ）

return NF_DROP；

return NF_ACCEPT；

}

4 結 論

本防火墻的設計采用的擁塞控制算法RED算法，同時利用了哈希表相關知識。構建了一個簡單實用的小型防止IP地址欺騙的SYN攻擊的防火墻，經過試驗測試，該防火墻在輕度和重度攻擊時，有較好的防御能力，正常包的通過率保持在98%左右，系統性能較好，吞吐量較大。

參考文獻

[1] 周劍嵐，馮珊.運用hook技術實現的軟件防火墻[J].華中科技大學學報：自然科學版，2004，32（3）：83?85.

[2] 毛德操，胡希明.Linux內核源代碼情景分析[M].杭州：浙江大學出版社，2001.

[3] 陳軍，陳志剛.主動隊列管理RED算法的改進與實驗仿真研究[J].計算機工程，2006，9（6）：44?47.

[4] POTTER B. Open source firewall alternatives [J]. Network Security， 2006， 18（6）： 16?17.

[5] 丁曉波，桑楠，張寧.Linux 2.6內核的內核對象機制分析[J].計算機應用，2005，25（1）：76?84.

[6] 何映，覃以威，李丹.基于Windows內核態個人防火墻的設計與實現[J].現代電子技術，2012，35（6）：49?52.