[Перевод] Как работает атака TCP Reset02.05.2020 16:48

Атака TCP reset выполняется при помощи одного пакета данных размером не более нескольких байт. Подменённый спуфингом TCP-сегмент, созданный и переданный атакующим, хитростью заставляет двух жертв завершить TCP-соединение, прервав между ними связь, которая могла быть критически важной.

Эта атака имела последствия и в реальном мире. Опасения её использования вызвали внесение изменений в сам протокол TCP. Считается, что атака является важнейшим компонентом Великого китайского файрвола («Золотого щита»), который используется китайским правительством для цензурирования Интернета за пределами Китая. Несмотря на её впечатляющую биографию, для понимания механизмов этой атаки необязательно обладать глубокими знаниями работы TCP. Разумеется, понимание её тонкостей способно многому научить вас об особенностях реализации протокола TCP, и, как мы вскоре убедимся, вы даже сможете провести эту атаку против себя при помощи одного только ноутбука.

В этом посте мы:

Изучим основы протокола TCP
Узнаем, как работает атака
Проведём атаку против себя при помощи простого скрипта на Python.

Прежде чем приступать к анализу механики атаки, давайте сначала посмотрим, как она используется в реальном мире.

Как атака TCP reset используется в Великом файрволе?

Великий файрвол (Great Firewall, GFW) — это комплекс систем и техник, используемых китайским правительством для цензурирования Интернета для внутренних китайских пользователей. GFW активно блокирует и разрывает соединения с серверами внутри и снаружи страны, а также пассивно отслеживает Интернет-трафик запрещённого контента.

Чтобы не позволить пользователям даже подключаться к запрещённым серверам, GFW использует такие техники, как DNS pollution и IP blocking (обе они стоят отдельных статей). Однако иногда файрволу GFW требуется позволить совершить соединение, но затем разорвать его посередине. Например, это необходимо, если требуется выполнить медленный, отложенный анализ подключения, допустим, его корреляцию с другими действиями. Или это используется, если файрволу нужно проанализировать данные, которыми обменивались в процессе соединения, а затем использовать эту информацию, чтобы принять решение о его продолжении или блокировке. Например, может быть разрешён трафик на новостной веб-сайт, но цензурированы видео, содержащие запрещённые ключевые слова.

Для этого GFW необходимы инструменты, способные прерывать уже установленные соединения. Один из таких инструментов — это атака TCP reset.

Как работает атака TCP reset?

При атаке TCP reset нападающий разрывает соединение между двумя жертвами, отправляя одной или обеим фальшивые сообщения, приказывающие им немедленно прервать соединение. Такие сообщения называются сегментом сброса TCP. При обычной работе без участия злоумышленника компьютеры отправляют сегменты сброса TCP, когда они получают неожиданный TCP-трафик и хотят, чтобы отправитель прекратил его передавать.

Атака TCP reset злонамеренно эксплуатирует этот механизм, хитростью заставляя жертв преждевременно завершить TCP-соединения, отправляя им фальшивые сегменты сброса. Если фальшивый сегмент сброса изготовлен правильно, то получатель примет его за настоящий сегмент и закроет соединение со своей стороны, прерывая дальнейшую передачу информации по этому соединению. Чтобы продолжить обмен данными, жертвы могут попытаться создать новое TCP-соединение, но у атакующего может быть возможность сбросить и это новое соединение. К счастью, поскольку для сборки и отправки поддельного пакета атакующему нужно время, атаки сбросом по-настоящему эффективны только против долговременных соединений. Кратковременные соединения. например, используемые для передачи небольших веб-страниц, обычно успевают выполнить своё предназначение к тому времени, когда у атакующего появится возможность их сбросить.

Отправка фальшивых TCP-сегментов в каком-то смысле является лёгким процессом, потому что ни TCP, ни IP не имеют никаких собственных способов проверки личности отправителя. Существует расширение IP под названием IPSec, обеспечивающее аутентификацию, однако оно используется не так широко. Интернет-провайдеры должны отказывать в передаче IP-пакетов, которые поступают с очевидно ложного IP-адреса, но, как утверждается, такая проверка выполняется очень посредственно. Всё, что может получатель — принять исходный IP-адрес и порт внутри пакета или сегмента за чистую монету, и по возможности использовать для идентификации отправителя более высокоуровневые протоколы, например TLS. Однако поскольку пакеты сброса TCP являются частью самого протокола TCP, их невозможно проверить при помощи этих высокоуровневых протоколов.

Несмотря на простоту отправки фальшивых сегментов, изготовление фальшивого сегмента и выполнение успешной атаки TCP reset всё равно может быть сложной задачей. Чтобы понять, почему так происходит, нам нужно разобраться в работе протокола TCP.

Как работает протокол TCP

Задача протокола TCP — отправка получателю точной копии блока данных. Например, если мой сервер передаёт по протоколу TCP вашему компьютеру HTML, то стек TCP вашего компьютера (часть его операционной системы, занимающаяся обработкой TCP) должна вывести мой HTML точно в том же виде и порядке, в котором его отправил мой сервер.

Однако мой HTML не передаётся по Интернету в таком идеально упорядоченном виде. Он разбивается на множество небольших фрагментов (называемых TCP-сегментами), каждый из которых по отдельности передаётся по Интернету и воссоздаётся в переданном порядке стеком TCP вашего компьютера. Этот восстановленный вывод называется потоком TCP. Каждый TCP-сегмент передаётся в собственном IP-пакете, однако для для понимания атаки нам не нужно знать никаких подробностей об IP.

Преобразование сегментов в поток требует внимательности, потому что Интернет ненадёжен. TCP-сегменты могут теряться. Они могут приходить не по порядку, отправляться дважды, повреждаться и испытывать множество других злоключений. Поэтому задача протокола TCP заключается в обеспечении надёжной передачи данных по ненадёжной сети. TCP выполняет эту задачу, требуя от обеих сторон соединения сохранения тесного контакта между друг другом и постоянной передачи сведений о том, какие блоки данных были получены. Это позволяет отправителям понять, какие данные получатель ещё не принял, и повторно передавать те данные, которые были утеряны.

Чтобы понять, как работает процесс, нам нужно разобраться, как отправители и получатели используют порядковые номера TCP для разметки и отслеживания данных, переданных по TCP.

Порядковые номера TCP

Каждый байт, переданный по TCP-соединению, имеет порядковый номер, назначаемый ему отправителем. Принимающие машины используют порядковые номера для перемещения получаемых данных в исходный порядок.

Когда две машины договариваются о TCP-соединении, каждая машина отправляет другой случайный начальный порядковый номер. Это порядковый номер, который машина назначит первому отправленному ею байту. Каждому последующему байту назначается порядковый номер предыдущего байта плюс 1. TCP-сегменты содержат TCP-заголовки, которые являются метаданными, прикреплёнными к началу сегмента. Порядковый номер первого в теле сегмента байта включается в TCP-заголовок этого сегмента.

Следует заметить, что TCP-соединения являются двунаправленными, то есть данные могут передаваться в обе стороны и каждая машина в TCP-соединении действует и как отправитель, и как получатель. Из-за этого каждая машина должна назначать и обрабатывать собственный независимый набор порядковых номеров.

Подтверждение получения данных

Когда машина получает TCP-сегмент, она сообщает отправителю сегмента, что он был получен. Получатель делает это при помощи отправления сегмента ACK (сокращение от «acknowledge» — «подтверждение»), содержащего порядковый номер следующего байта, который он ожидает получить от отправителя. Отправитель использует эту информацию, чтобы понять, что получатель успешно получил все остальные байты до этого номера.

Сегмент ACK обозначается наличием флага ACK и соответствующего номера подтверждения в TCP-заголовке сегмента. В протоколе TCP есть всего 6 флагов, в том числе и (как мы вскоре увидим) флаг RST (сокращение от «reset» — «сброс»), обозначающий сегмент сброса.

Примечание: протокол TCP также позволяет использовать выборочные ACK, которые передаются, когда получатель получил некоторые, но не все, сегменты в интервале номеров. Например, «Я получил байты 1000–3000 и 4000–5000, но не 3001–3999». Для упрощения я не буду рассматривать выборочные ACK в нашем обсуждении атак TCP reset.

Если отправитель передаёт данные, но не получает ACK для них в течение определённого интервала времени, то он предполагает, что данные были утеряны, и отправляет их повторно, давая им те же самые порядковые номера. Это означает, что если получатель принимает одни и те же байты дважды, то он тривиальным образом использует порядковые номера для избавления от дубликатов без нарушения потока. Получатель может принимать дублирующиеся данные, потому что исходный сегмент был получен позже, уже после того, как был отправлен повторно, или потому, что исходный сегмент был успешно получен, но соответствующий ACK потерялся на пути к отправителю.

Пока такие дублирующиеся данные встречаются достаточно редко, вызываемые ими избыточные траты ресурсов не приводят к проблемам. Если все данные рано или поздно добираются до получателя, а соответствующие им ACK доходят до отправителя, то TCP-соединение справляется со своей работой.

Выбор порядкового номера для фальшивого сегмента

При создании ложного сегмента RST злоумышленнику нужно дать ему порядковый номер. Получателей вполне устраивает, что нужно принимать сегменты с непоследовательными порядковыми номерами и самостоятельно соединять их в нужном порядке. Однако их возможности ограничены. Если получатель принимает сегмент с порядковым номером, который «слишком» выбивается из порядка, то он отбрасывает такой сегмент.

Следовательно, для успешной атаки TCP reset требуется правдоподобный порядковый номер. Но что считается таким номером? Для большинства сегментов (хотя, как мы увидим позже, не для RST), ответ определяется размером TCP-окна.

Размер TCP-окна

Представьте древний компьютер начала 1990-х, подключённый к современной гигабитной волоконно-оптической сети. Сверхбыстрая сеть может передавать данные этому престарелому компьютеру с потрясающей скоростью, быстрее, чем машина сможет их обработать. Это будет нам мешать, потому что TCP-сегмент нельзя считать полученным, пока получатель не сможет его обработать.

У компьютеров есть TCP-буфер, в котором новые прибывшие данные ожидают обработки, пока компьютер работает над данными, прибывшими до них. Однако этот буфер имеет ограниченный размер. Если получатель неспособен справиться с объёмом передаваемых ему сетью данных, то буфер переполнится. Когда буфер полностью заполнен, у получателя нет другого выбора, кроме как избавляться от избыточных данных. Получатель не отправляет ACK для отброшенных данных, поэтому отправителю приходится повторно отправлять их, когда в буфере получателя найдётся свободное место. Не важно, с какой скоростью сеть может передавать данные, если получатель не успевает с ними справляться.

Представьте чрезмерно ретивого друга, который отправляет вам на почту целый поток из писем быстрее, чем вы сможете его прочитать. Внутри вашего почтового ящика есть определённое буферное пространство, но после его переполнения все непоместившиеся письма выпадут на землю, где их съедят лисы и другие твари. Другу придётся повторно отправлять сожранные письма, а пока у вас будет время на получение его предыдущих сообщений. Отправка слишком большого количества писем или объёма данных, который получатель неспособен обработать — пустая трата энергии и канала передачи.

«Слишком много» — какой это объём данных? Как отправитель понимает, когда нужно отправлять ещё данные, а когда стоит подождать? Здесь нам пригождается размер TCP-окна. Размер окна получателя — это максимальное количество неподтверждённых байтов, которое отправитель может передать ему в любой момент времени. Допустим, получатель сообщает, что его размер окна равен 100 000 (вскоре мы узнаем, как он передаёт это значение), поэтому отправитель передаёт 100 000 байт. Допустим, что ко времени, когда отправитель передал стотысячный байт, получатель отправил сегменты ACK для первых 10 000 этих байтов. Это означает, что 90 000 байтов до сих пор не подтверждено. Так как размер окна равен 100 000, отправитель может передать ещё 10 000 байт, прежде чем ему придётся ждать новых ACK. Если после отправки этих 10 000 дополнительных байтов дальнейших ACK им получено не было, то отправитель упрётся в свой лимит 100 000 неподтверждённых байтов. Следовательно, отправитель должен будет ждать и прекратит отправлять данные (кроме повторной передачи данных, которые он считает утерянными) до момента, пока не получит новые ACK.

Каждая из сторон TCP-соединения уведомляет другую о размере своего окна в процессе установки связи (handshake), выполняемой при открытии соединения. Кроме того, размеры окон могут динамически изменяться в процессе соединения. Компьютер с большим TCP-буфером может объявить о большом размере окна, чтобы максимизировать пропускную способность. Это позволяет общающейся с ним машине постоянно передавать данные по TCP-соединению, не приостанавливаясь и не ожидая подтверждения. Компьютер с маленьким TCP-буфером может быть вынужден заявить о маленьком размере окна. Иногда отправители полностью заполняют окно и оказываются вынужденными ждать, пока какие-то из сегментов не будут подтверждены. Из-за этого страдает пропускная способность, но это необходимо, чтобы TCP-буферы не переполнялись.

Размер TCP-окна — это жёсткое ограничение на объём передаваемых неподтверждённых данных. Мы можем использовать его для вычисления максимально возможного порядкового номера (который в показанном ниже уравнении я обозначил как max_seq_no), который отправитель может отправить в текущий момент времени:

max_seq_no = max_acked_seq_no + window_size

max_acked_seq_no — это максимальный порядковый номер, для которого получатель отправил ACK. Это максимальный порядковый номер, о котором отправителю известно, что получатель точно его принял. Так как отправитель может передавать только window_size неподтверждённых байтов, максимальный порядковый номер, который он может отправить, равен max_acked_seq_no + window_size.

Из-за этого спецификация TCP гласит, что получатель должен игнорировать любые получаемые им данные, имеющие порядковые номера вне допустимого окна. Например, если получатель подтвердил все байты до 15 000, а его размер окна равен 30 000, то он будет принимать любые данные с порядковым номером в интервале от 15 000 до (15 000 + 30 000 = 45 000). При этом получатель полностью игнорирует данные с порядковыми номерами вне этого интервала. Если сегмент содержит данные, часть которых находится в пределах этого окна, а часть — за его пределами, то данные внутри окна будут приняты и подтверждены, но данные за его пределами будут отброшены. Заметьте, что мы по-прежнему игнорируем возможность выборочных ACK, которых вкратце коснулись в начале поста.

В случае большинства TCP-сегментов это правило даёт нам интервал приемлемых порядковых номеров. Однако, как было сказано ранее, накладываемые на сегменты RST ограничения ещё строже, чем ограничения для обычных сегментов передачи данных. Как мы вскоре увидим, это сделано для усложнения проведения разновидности атаки TCP reset под названием «атака TCP reset вслепую» (blind TCP reset attack).

Приемлемые порядковые номера для сегментов RST

Обычные сегменты принимаются, если их порядковый номер находится в интервале от следующего ожидаемого порядкового номера и этого номера плюс размер окна. Однако пакеты RST принимаются только тогда, когда их порядковый номер точно равен следующему ожидаемому порядковому номеру. Вернёмся к предыдущему примеру, в котором получатель отправил номер подтверждения 15 000. Чтобы пакет RST был принят, его порядковый номер должен быть точно равен 15 000. Если получатель получает сегмент RST с порядковым номером, не равным 15 000, то он не примет его.

Если порядковый номер вне интервала, то получатель полностью его игнорирует. Однако если он находится в пределах окна ожидаемых порядковых номеров, то получатель отправляет «challenge ACK» («ACK вызова»). Это сегмент, сообщающий отправителю, что сегмент RST имеет неверный порядковый номер. Также он сообщает отправителю порядковый номер, который ожидает получатель. Отправитель может использовать эту информацию из ACK вызова для воссоздания и повторной отправки своего RST.

До 2010 года протокол TCP не накладывал этих дополнительных ограничений на сегменты RST. Сегменты RST принимались или отклонялись в соответствии с теми же правилами, что и любые другие. Однако это слишком упрощало атаки TCP reset вслепую.

Атаки TCP reset вслепую

Если атакующий имеет возможность перехвата трафика, которым обмениваются его жертвы, то может считывать порядковые и подтверждающие номера TCP-пакетов жертв. Он может использовать эту информацию для того, чтобы выбирать, какие порядковые номера давать своим фальшивым сегментам RST. Однако если атакующий не может перехватывать трафик жертв, то не будет знать, какие порядковые номера вставлять. Но он всё равно может передавать любое количество сегментов RST с любым количеством разных порядковых номеров, надеясь, что один из них окажется верным. Такая атака называется атакой TCP reset вслепую.

Как мы уже говорили, в первоначальной версии протокола TCP атакующему достаточно было только подобрать порядковый номер RST в пределах TCP-окна получателя. В статье под названием «Slipping in the Window» («Протискиваемся в окно») показано, что это слишком упрощало успешные атаки вслепую, так как для почти гарантированного успеха атакующему достаточно было просто отправить несколько десятков тысяч сегментов. Чтобы противостоять этому, правило, заставлявшее получателя принимать сегмент RST, заменили на описанный выше более строгий критерий. Благодаря новым правилам для осуществления атак TCP reset вслепую нужно отправлять миллионы сегментов, что делает их практически нереализуемыми. Подробности см. в RFC-5963.

Выполняем атаку TCP reset против себя

Примечание: я тестировал этот процесс на OSX, но получил несколько комментариев, что в Linux он не работает нужным образом.

Теперь мы знаем всё о выполнении атаки TCP reset. Атакующий должен:

Наблюдать за сетевым трафиком («сниффить» его), передаваемым между двумя жертвами
Сниффить TCP-сегмент со включенным флагом ACK и считать его подтверждённый номер
Изготовить ложный TCP-сегмент со включенным флагом RST и порядковым номером, равным подтверждённому номеру перехваченного сегмента (стоит учесть, что это предполагает медленную передачу, иначе выбранный порядковый номер быстро устареет. (Чтобы повысить шансы на успех, можно передать несколько сегментов RST с большим интервалом порядковых номеров.)
Отправить фальшивые сегменты одной или обеим жертвам, надеясь, что это приведёт к разрыву их TCP-соединения

Чтобы попрактиковаться, давайте проведём TCP-атаку на самих себя на одном компьютере, общаясь сами с собой через localhost. Для этого нам требуется:

Настроить TCP-соединение между двумя окнами терминала
Написать атакующую программу, которая будет заниматься сниффингом трафика
Модифицировать программу так, чтобы она изготавливала и отправляла фальшивые сегменты RST.

Давайте приступим.

1. Установка TCP-соединения между двумя окнами терминала

Мы настроим TCP-соединение при помощи инструмента netcat, который по умолчанию имеется во многих операционных системах. Подойдёт и любой другой TCP-клиент. В первом окне терминала мы выполним следующую команду:

nc -nvl 8000

Эта команда запускает на нашей локальной машине TCP-сервер, слушающий порт 8000. Во втором окне терминала выполним такую команду:

nc 127.0.0.1 8000

Эта команда пытается создать TCP-соединение с машиной по IP-адресу 127.0.0.1 с портом 8000. Теперь между двумя окнами терминала должно установиться TCP-соединение. Попробуйте ввести что-нибудь в одном окне — данные должны будут передаться по TCP-соединению и появиться в другом окне.

2. Сниффинг трафика

Мы напишем выполняющую сниффинг трафика атакующую программу при помощи scapy — популярной сетевой библиотеки Python. Эта программа использует scapy для считывания данных, передаваемых между двумя окнами терминала, хотя и не является частью соединения.

Код программы выложен в моём репозитории на GitHub. Программа сниффит трафик соединения и выводит его на терминал. Основным ядром кода является вызов метода sniff из библиотеки scapy, расположенный в конце файла:

t = sniff(
        iface='lo0',
        lfilter=is_packet_tcp_client_to_server(localhost_ip, localhost_server_port, localhost_ip),
        prn=log_packet,
        count=50)

Этот фрагмент кода приказывает scapy выполнять сниффинг пакетов в интерфейсе lo0 и фиксировать подробности о всех пакетах как часть нашего TCP-соединения. Вызов имеет следующие параметры:

iface — приказывает scapy слушать сетевой интерфейс lo0, или localhost
lfilter — функция фильтра, приказывающая scapy игнорировать все пакеты, не являющиеся частью соединения двух IP-адресов localhost на порте сервера. Эта фильтрация необходима, потому что на машине есть множество других программ, использующих интерфейс lo0. Мы хотим игнорировать все пакеты, не являющиеся частью нашего эксперимента.
prn — функция, которую scapy должна выполнять для каждого пакета, соответствующего требованиям функции lfilter. Функция в показанном выше примере просто выводит пакет на терминал. На следующем этапе мы изменим эту функцию, чтобы она также передавала сегменты RST.
count — количество пакетов, которое scapy должна сниффить до выхода.

Чтобы протестировать эту программу, настройте TCP-соединение из этапа 1. Клонируйте мой репозиторий GitHub, выполните инструкции по настройке и запустите программу в третьем окне терминала. Введите какой-нибудь текст в один из терминалов TCP-соединения. Вы должны увидеть, что программа начнёт фиксировать информацию о сегментах соединения.

3. Отправка фальшивых пакетов `RST`

Мы установили соединение, а программа может сниффить все проходящие через неё TCP-сегменты. Единственное, что нам осталось — модифицировать программу, чтобы она выполняла атаку TCP reset передачей фальшивых сегментов RST. Для этого мы изменим функцию prn (см. список параметров выше), вызываемую scapy для пакетов, соответствующих требованиям функции lfilter. В модифицированной версии функции вместо простой фиксации соответствующего пакета мы изучаем его, извлекаем необходимые параметры, и используем эти параметры для сборки и отправки сегмента RST.

Допустим, мы перехватили сегмент, идущий от (src_ip, src_port) к (dst_ip, dst_port). У него установлен флаг ACK и номер подтверждения равен 100 000. Чтобы изготовить и отправить сегмент, мы:

Меняем местами IP-адреса отправителя и получатели, а также их порты. Это необходимо, потому что наш пакет будет ответом на перехваченный пакет. Исходная точка нашего пакета должна быть конечной точкой исходного пакета, и наоборот.
Включаем флаг RST сегмента, потому что именно он сообщает, что сегмент является RST
Присваиваем порядковому номеру точное значение номера подтверждения перехваченного пакета, так как это следующий порядковый номер, который ожидает получить отправитель
Вызываем метод send библиотеки scapy для отправки сегмента жертве — источнику перехваченного пакета.

Чтобы модифицировать нужным образом нашу предыдущую программу, раскомментируйте эту строку и закомментируйте строку над ней.

Теперь мы готовы к проведению полномасштабной атаки. Настройте TCP-соединение в соответствии с этапом 1. Запустите атакующую программу из этапа 2 в третьем окне терминала. Затем введите какой-нибудь текст в одном из терминалов TCP-соединения. В терминале, на котором вы вводили текст, TCP-соединение внезапно и загадочно прервётся. Атака выполнена!

Дальнейшая работа

Продолжите эксперименты с инструментом для атак. Проследите, что происходит, если прибавить или вычесть 1 из порядкового номера пакета RST. Убедитесь, что он должен быть точно равен значению ack перехваченного пакета.
Скачайте Wireshark и используйте его для прослушивания интерфейса lo0 во время проведения атаки. Это позволит вам увидеть подробности о каждом из передаваемых по соединению TCP-сегментов, в том числе и о ложном RST. Используйте фильтр ip.src == 127.0.0.1 && ip.dst == 127.0.0.1 && tcp.port == 8000 для фильтрации всего излишнего трафика других программ.
Усложните проведение атаки, передавая по соединению непрерывный поток данных. Это затруднит выбор скриптом правильного порядкового номера для его сегментов RST, потому что ко времени прибытия сегмента RST к жертве та уже может получить дальнейшие истинные данные, увеличив таким образом следующий порядковый номер. Чтобы противодействовать этому, мы можем передавать несколько пакетов RST, каждый из которых имеет свой порядковый номер.

Заключение

Атака TCP reset и глубока, и проста одновременно. Удачи в ваших экспериментах, и дайте мне знать, если у вас есть вопросы или комментарии.