IP分片重组的分析和常见碎片攻击 v0.2

IP分片重组的分析和常见碎片攻击 v0.2
http://www.nsfocus.net/index.php?act=magazine&do=view&mid=584

作者：yawl (mailto:yawl@nsfocus.com)
主页：http://www.nsfocus.com
日期：2000-09-12

一 前言

本文对linux的IP组装算法进行了分析，因为IP碎片经常用于DOS等攻击，在文章后面我结合
了一些攻击方法进行了更进一步的说明。内核主要参考版本是2.2.16，另外简要的介绍了
2.4.0-test3中的一些变化.

二 目录

1- 概述
2- 关键数据结构
3- 重要函数说明
4- 2.4系列的变化
5- 常见碎片攻击

1. 概述

在linux源代码中，ip分片重组的全部程序几乎都在都在\net\ipv4\ip_fragment.c
文件中。其对外提供一个函数接口ip_defrag()。其函数原型如下：

struct sk_buff *ip_defrag(struct sk_buff *skb)

众所周知，网络数据报在linux的网络堆栈中是以sk_buff的结构传送的，ip_defrag()的
功能就是接受分片的数据包(sk_buff)，并试图进行组合，当完整的包组合好时，将新的
sk_buff返还，否则返回一个空指针。

此函数在其他文件中的调用如下：

ip层接收主函数为ip_rcv()(\net\ipv4\ip_input.c),任何IP包都需经过此函数处理。
如果此包是发往本机，则调用ip_local_deliver()函数（\net\ipv4\ip_input.c）进行
处理，一般的系统碎片只有在到达最终目的的时候才进行重组（尽管在传输过程中可
能被进一步分成更小的片）。在ip_local_deliver()中我们可发现如下代码：

if (sysctl_ip_always_defrag == 0 &&           /*编译时未设置提前组装*/
(iph->frag_off & htons(IP_MF|IP_OFFSET))) {   /*判断是否是分片包*/
        skb = ip_defrag(skb);         /*条件满足，进行组装*/  
        if (!skb)                     /*若组装好则进行下一步处理，出错
            return 0;             或仍未组装完返回*/
        iph = skb->nh.iph;            /*重新定位ip头的指针*/
}

iph->frag_off只有在设置MF（more fragment）或offset!=0才意味着是分片包，因此
此处的检验理所当然，但为什么判断sysctl_ip_always_defrag == 0呢？
在看ip_rcv()时我们应该已经注意到在刚进行了版本号，长度，校验和等判断后，有如下
一段代码：

if (sysctl_ip_always_defrag != 0 &&
            iph->frag_off & htons(IP_MF|IP_OFFSET)) {
        skb = ip_defrag(skb);
        if (!skb)
            return 0;
        iph = skb->nh.iph;
        ip_send_check(iph);
}

即如果sysctl_ip_always_defrag==1的话，ip_defrag()的调用位置将有变化，对任何
进来的IP分片都要进行重组，可以想像，如果此机器作路由器的话，将对所有的分片
组装好后，才会进行转发。此举一般是没有必要的。这个值可以通过sysctl命令动态
设置，用sysctl -a可以看到在一般的系统中，此值被设为0：

#sysctl -a
......
net.ipv4.ip_always_defrag = 0
......

2. 关键数据结构（2.2系列）

每一个分片用ipfrag结构表示：

/* Describe an IP fragment. */
struct ipfrag {
    int        offset;        /* offset of fragment in IP datagram    */
    int        end;        /* last byte of data in datagram    */
    int        len;        /* length of this fragment        */
    struct sk_buff    *skb;        /* complete received fragment        */
    unsigned char    *ptr;        /* pointer into real fragment data    */
    struct ipfrag    *next;        /* linked list pointers            */
    struct ipfrag    *prev;
};

这些分片形成一个双向链表（在linux内核中，若需要使用链表，除非有特殊需要，否则推荐
双向链表，见document\CodingStyle）,表示一个未组装完的分片队列（属于一个ip包）。
这个链表的头指针要放在ipq结构中：

/* Describe an entry in the "incomplete datagrams" queue. */
struct ipq {
    struct iphdr    *iph;        /* pointer to IP header            */
    struct ipq    *next;        /* linked list pointers            */
    struct ipfrag    *fragments;    /* linked list of received fragments    */
    int        len;        /* total length of original datagram    */
    short        ihlen;        /* length of the IP header        */    
    struct timer_list timer;    /* when will this queue expire?        */
    struct ipq    **pprev;
    struct device    *dev;        /* Device - for icmp replies */
};

注意每个ipq保留了一个定时器（即struct timer_list timer;）。

ipq也会形成一个链表，它们是内核当前未组装完的所有IP包。为了便于查找，保留了一个
hash表：
#define IPQ_HASHSZ    64
struct ipq *ipq_hash[IPQ_HASHSZ];
#define ipqhashfn(id, saddr, daddr, prot) \
    ((((id) >> 1) ^ (saddr) ^ (daddr) ^ (prot)) & (IPQ_HASHSZ - 1))

--------_____________    
    |   1  |         |    
    --------        -----------      ------------        ------------
Hash表    |   2  |    |  ipq1       |---->|  ipfrag1  |----->| ipfrag2  |------>.......    
    --------    ------------     -------------      ------------
         ......             |
         --------         \/
    |  63  |    ------------     -------------        -----------
    --------    |  ipq2       |---->|  ipfrag1  |----->| ipfrag2 |------>.......    
            ------------     -------------      -----------
                 |
                      \/
            ------------     -------------        -----------
            |  ipq3    |---->|  ipfrag1  |----->| ipfrag2 |------>.......    
            ------------     -------------      -----------
                      |
                      \/
                  ........

每个IP包用如下四元组表示：（id,saddr,daddr,protocol）,四个值都相同的碎片保留在一个IPQ中，
即可组装成一个完整的IP包。
                                         
此结构在2.4内核中有了改动，具体将在下文中声明。

3. 重要函数说明（2.2系列）

3.1 ip_defrag()
ip_defrag()是整个流程的入口，下面我们首先对ip_defrag()作一定的说明。

(1)为了防止因保留分片而造成内存消耗过大，linux设置了界限来防止这种情况，如果超过了
内存使用的上限，则清空内存中最老的队列（ipq）.所用内存的大小保存在变量ip_frag_mem中，
当然，对它的读写都应是“原子”操作（atomic_sub，atomic_add，atomic_read，etc）。
其定义在文件ip_fragment.c前部：

atomic_t ip_frag_mem = ATOMIC_INIT(0);        /* Memory used for fragments */

if (atomic_read(&ip_frag_mem) > sysctl_ipfrag_high_thresh)
        ip_evictor();
        
ip_evicator的具体操作将在下文中描述。

（2）以id, saddr, daddr, protocol为标志检索是否已经建立了相应的ipq，若发现，则返回
ipq的指针，并重置定时器。

qp = ip_find(iph, skb->dst);

（3）此时有一个if/else对，其作用是：
如果ipq已经存在，则证明已经有同一个包的其他分片到达。检查此片是不是第一个分片（因为
分片到达顺序可能错乱），若是，将ip头信息和头长度保留在ipq结构中（）；
if (offset == 0) {
/* Fragmented frame replaced by unfragmented copy? */
if ((flags & IP_MF) == 0)
    goto out_freequeue;
qp->ihlen = ihl;
memcpy(qp->iph, iph, (ihl + 8));
}

如果不存在，当然要建立一个了：
qp = ip_create(skb, iph);
if (!qp)
    goto out_freeskb;
    
ip_create便是分配出一块内存，初始化这个ipq，并在hash表中登记。

到此为止ipq已经肯定存在了，不管是已经存在的，还是我们刚才生成的。

（4）对包的长度进行检测，如果超过了ip包的最大范围，则报警，并丢弃此包。jolt2
便是利用这点将window系统打瘫的。由于linux做了这种检查，所以基本免受其害。

（5）调节end值（数据的结尾位置），如果是最后一个包，则最终整个ip包的长度便可以知
道了，为了组装时方便，将其记录到ipq中。
/* Determine the position of this fragment. */
end = offset + ntohs(iph->tot_len) - ihl;

/* Is this the final fragment? */
if ((flags & IP_MF) == 0)
        qp->len = end;
        
（6）接下来很长一段代码（line481-line586）便是定位这份分片在整个数据包中的位置。
如果分片之间有重合（恶意攻击和其他异常），则能归并便归并。这个问题我们将在后面
（常见碎片攻击中）详谈。

（7）此时我们已经知道这个分片的具体位置了。我们要生成一份新的ipfrag结构，并将其放到
我们刚才找到的正确位置上去。
tfp = ip_frag_create(offset, end, skb, ptr);
if (!tfp)
    goto out_freeskb;
    
/* Insert this fragment in the chain of fragments. */
tfp->prev = prev;
tfp->next = next;
if (prev != NULL)
    prev->next = tfp;
else
    qp->fragments = tfp;

if (next != NULL)
    next->prev = tfp;

（8）ip_done函数检查是否所有的分片已经到齐，如果到齐，则将其组装成一个新的sk_buff
（调用ip_glue）,并最终返回到调用ip_defrag的地方。

if (ip_done(qp)) {       /*全部到齐了么？*/
    /* Glue together the fragments. */
     skb = ip_glue(qp);
    /* Free the queue entry. */
out_freequeue:
    ip_free(qp);    /*原有的ipq结构已经不需要了，释放。*/
out_skb:
    return skb;     /*组装完成，可以返回了*/
}

如果没有到齐，则返回NULL.

至此全部组装过程结束。

3.2 ip_evictor（）

当分片所用的内存超过一定的上限时(sysctl_ipfrag_high_thresh)会调用ip_evicator以释放内存。
ip_evicator会找寻可清空的IPQ，并将其清空，直到到达到可用的下限（sysctl_ipfrag_low_thresh）
。

这个值在ip_fragment.c中按如下定义：
int sysctl_ipfrag_high_thresh = 256*1024;
int sysctl_ipfrag_low_thresh = 192*1024;

同样，用sysctl -a可可看到这两参数，同时可以动态修改。
＃sysctl -a
......
net.ipv4.ipfrag_low_thresh = 196608
net.ipv4.ipfrag_high_thresh = 262144
......

理论上ip_evicator应该采用LRU算法，将最古老的IPQ清除。但目前linux(包括2.4.0)没有实现此功能
，只是将hash表按次序清空，这样的好处是简单易行。

3.3 ip_glue（）

ip_glue（）函数将负责将一个所有分片已经到齐的的IP包组合好。当这一步进行时，所有的分片已经
按顺序排好，并解决了所有的重叠问题。因此其流程相应很简单。
首先生成一个足够大的（足以容纳所有的分片包长度的总和）新的skbuff：
skb = dev_alloc_skb(len);
if (!skb)
    goto out_nomem;
调整一些必要的指针后，就在一个while循环中依次将原有分片的内容用memcoy拷贝到新的skbuff中。
再进行一些指针调整后，过程结束，将新的skbuff返回。

3.4 ip_expire（）

前面已经提到，每个ipq保留了一个定时器，当一定时间以后组装还没有完成，将清空此队列。
定时器的值保留在sysctl_ipfrag_time中：
int sysctl_ipfrag_time = IP_FRAG_TIME;
（在/include/net/ip.h中有#define IP_FRAG_TIME    (30 * HZ) ）
此值也可以用sysctl设置。
定时器的具体实现机制的没有分析。

4. 2.4系列的变化

其实如果仔细看一下，2.4的分片组装代码的流程与2.2系列基本相同，不同的是将函数的分工变化了。
由于原ipfrag结构保留的结构均可在skbuff中得到，在2.4中将此结构取消了，并对ipq结构做了一些
修改。其他主要变化有：
1）ip_defrag分成了ip_defrag和ip_frag_queue两部分。
2）ip_glue换名成ip_frag_reasm,流程基本未动。
3）现在ipq中用meat保留现有的分片长度的累加值（已经解决重叠），如果此值到达总长度，则意味
着所有的分片到达，因此取消了ip_done函数，不必每次遍历一次链表，因此在效率上有了较大的提高
，抗小碎片攻击的能力得到加强。

5.常见碎片攻击

IP碎片经常被用来作DOS攻击，典型的例子便是teardrop和jolt2，其原理都是利用发送异常的分片，
如果操作系统的内核在处理分片重组时没有考虑到所有的异常情况，将可能引向异常的流程，造成
拒绝服务（DOS）。

我们首先要仔细考虑一下linux在处理分片重叠时的办法。
代码主要在ip_defrag中，首先要遍历链表，定位此分片的位置，具体就是给prev和next两指针赋上
正确数值。然后处理与前面的重合,代码如下：

/* We found where to put this one.  Check for overlap with
* preceding fragment, and, if needed, align things so that
* any overlaps are eliminated.
*/
if ((prev != NULL) && (offset < prev->end)) {
    i = prev->end - offset;
    offset += i;    /* ptr into datagram */
    ptr += i;    /* ptr into fragment data */
}

注意此处offset已经乘了8,即以byte为单位了。
举个形象一点的例子，如果有这样两个分片：

offset1=0            end1=256
-------------------------
|     Frag1(先到)     |<---------prev
-------------------------

offset2=64                         end2=640    
     ------------------------------------------
     |     Frag2（后到）                      |
     ------------------------------------------
     
处理后变为：

offset1=0            end1=256
-------------------------
|     Frag1(先到)     |<---------prev
-------------------------

offset2=256            end2=640    
                        -----------------------
                        |   Frag2（后到）     |
                        -----------------------
紧接着做与后面分片重叠的处理，代码如下：
    /* Look for overlap with succeeding segments.
    * If we can merge fragments, do it.
    */
    for (tmp = next; tmp != NULL; tmp = tfp) {
        tfp = tmp->next;
        if (tmp->offset >= end)
            break;        /* no overlaps at all    */

i = end - next->offset;    /* overlap is 'i' bytes */
        tmp->len -= i;        /* so reduce size of    */
        tmp->offset += i;    /* next fragment    */
        tmp->ptr += i;

/* If we get a frag size of <= 0, remove it and the packet
         * that it goes with.
         */
        if (tmp->len <= 0) {
            if (tmp->prev != NULL)
                tmp->prev->next = tmp->next;
            else
                qp->fragments = tmp->next;

if (tmp->next != NULL)
                tmp->next->prev = tmp->prev;
            
            /* We have killed the original next frame. */
            next = tfp;

frag_kfree_skb(tmp->skb);
            frag_kfree_s(tmp, sizeof(struct ipfrag));
        }
    }
    
其中if (tmp->len <= 0)判断后面的是为了处理teardrop攻击的，将在后面描述。

我们继续用图表示，如果有这样两个分片：

offset1=128                        end1=960
           ---------------------－－－－－－－－－－----
   next------->|            Frag1(先到)                 |
   (tmp)       -----------------------－－－－－－－－－－--

offset2=64        end2=320    
     -------------------------
     |     Frag2（后到）     |
     -------------------------
     
处理后将变为：

offset1=320                end1=960
                 --------－－－－－－－－－－----
           next------->|              Frag1(先到)        |
           (tmp)         ----------－－－－－－－－－－--

offset2=64        end2=320    
     -------------------------
     |     Frag2（后到）     |
     -------------------------

更复杂的情况不再一一列举，下面我们便可看一下具体利用分片的攻击办法：

（1）Teardrop(CERT CA-97.29，bugtraq id 124)

许多老系统在处理分片组装时存在漏洞，发送异常的分片包会使系统运行异常，teardrop
便是一个经典的利用这个漏洞的攻击程序。其原理如下（以linux为例）：
发送两个分片IP包，其中第二个IP包完全与第一在位置上重合。如下图：

<-      len1           ->
-------------------------
|     Frag1           |
-------------------------
offset1                end1

<-  len2   ->        
     -------------
     |  Frag2    |
     -------------
     offset2    end2

在linux(2.0内核)中有以下处理:
当发现有位置重合时（offset2<end1）,将offset向后调到end1（offset2=end1）, 然后更
改len2的值：
len2=end2-offset2;
注意此时len2变成了一个小于零的值，在以后处理时若不加注意便会出现系统崩溃的问题。
但具体到什么地方出现问题没有追踪过，毕竟这已经是陈年旧事了。
新的版本检查了这个值的大小，如果出现小于零的情况，则把这个分片丢掉。

（2）Jolt2(MS00-029)

jolt2是2000年五月份出现的新的利用分片进行的攻击程序，几乎可以造成当前所有的windows
平台（95,98,NT,2000）死机。原理是发送许多相同的分片包，且这些包的offset值
(8190*8=65520 bytes)与总长度(48 bytes)之和超出了单个IP包的长度限制（65536 bytes）。
如下图：

0                       65535
------------......-------------
|    Max normal Fragment      |
------------......-------------
            
            65520          65568(>65535)
            ----------------
            |Jolt2 Fragment|
            ----------------   
在linux中这种几乎马上就会被丢掉，在ip_defrag中有：
/* Attempt to construct an oversize packet. */
if((ntohs(iph->tot_len) + ((int) offset)) > 65535)
        goto out_oversize;
尽管在后面（out_oversize出）对报警信息已经做了net_ratelimit()处理，但在遭受攻击时
每5秒便打印一条信息还是很繁人，可以更改net_ratelimit()的间隔时间和干脆关掉此条警告。

对windows系统便不知道它是怎么处理的了，一打的话CPU便会达到100%。2000的SP1号称已解决
了此问题，但没有试过。

（3）bugtraq id 376 Linux IP Fragment Overlap Vulnerability

此种攻击对2.0.33内核有效，其实此攻击事实上并不是分片组装算法的问题，而是在在实现上
出现了小的纰漏，在ip_glue中有：

if(len>65535)
    {
        printk("Oversized IP packet from %s.\n", in_ntoa(qp->iph->saddr));
        ip_statistics.IpReasmFails++;
        ip_free(qp);
        return NULL;
    }
    
问题出现在printk上，如果对方一直用超大碎片（len>65535），内核将会无节制的调用printk
报警。而printk这种操作是相当耗费资源的，因此造成DOS。
在2.0.34版中改成了：
NETDEBUG(printk("Oversized IP packet from %s.\n", in_ntoa(qp->iph->saddr)));
而/include/net/sock.h中：
#if 1
#define NETDEBUG(x)    do { } while (0)
#else
#define NETDEBUG(x)    do { x; } while (0)
#endif
即只有在调试是才打开此功能，正常时不作任何事。

而后来的版本中加入了net_ratelimit（）函数，限制成最多5秒钟发出一次内核警告：
if (net_ratelimit())
        printk(KERN_INFO
            "Oversized IP packet from %d.%d.%d.%d.\n",
            NIPQUAD(qp->iph->saddr));
这个问题不光在分片组装时用到，所有的网络部分的代码在打印调试信息时都要考虑大量日
志造成拒绝服务的问题。目前的比较好且通用解决办法便是通过net_ratelimit（）函数。

（4）bugtraq id 543 Linux IPChains Fragment Overlap Vulnerability

ipchains在处理分片包，只处理第一个（offset==0&&MF=1）,因为只有这个包有TCP,UDP的
头信息，其他后续的分片不作防火墙规则匹配，直接通过。假如防火墙之后的系统的IP分
片组装类似如下做法：若有重叠，后来的包覆盖前面来的包。这样的话攻击者可以首先造
一个可以通过防火墙规则的合法分片(如一个可访问的端口 )，再造一个与之重叠的分片，
改掉前一个片中的信息（如一个不可访问的端口），这样最终的结果便是突破了防火墙的
检测。
但此种方法只是理论上的，要依靠防火墙后面的主机的分片组装算法的具体实现。反正如
果后面也是一台linux的话便无效，因为在处理重叠的时候linux不允许改变位置在自己之
前的片的内容（详见上面的讨论）。
此方法在2.2.11以后的内核版本中更难实施，在ipchains处理分片时会检查分片的长度，
如果过小则返回FW_BLOCK，即丢弃。

（5）其他

碎片攻击不光会攻击操作系统，由于许多网络工具，如防火墙，入侵检测系统（IDS）也在
内部作了分片组装，如果处理不当，也同样会遭受攻击，如著名的checkpoint的防火墙
FW-1某些版本（最新的已经改正了）便同样会受到碎片DOS攻击（可详见nsfocus第12期月
刊《了解Check Point FW-1状态表》）.

碎片也可以用来逃避IDS检测，许多网络入侵检测系统的机理是单IP包检测，没有处理分片
，即使是象ISS这样的公司也是在最新的5.0版本中才实现了组装功能，更不用说snort了，
其IP组装插件经常造成core dump,因此大多数人都将此功能关闭了。

参考资料：

[1.] linux2.0.33,2.0.34,2.2.16,2.4.0-test3的源代码。
[2.] securityfocus的漏洞资料。
[3.] bugtraq上的一些邮件，数目众多，恕不一一列举。