Теоретические сведения

Тема: Механизм определения состояний в пространстве пользователя

Механизм определения состояний TCP, UPD, ICMP соединений.

Цель работы: Усвоить механизм определения состояний в пространстве пользователя и механизм определения состояний TCP, UPD, ICMP соединений..

Задание:

1. Механизм определения состояний.

2. Достоинства Механизма определения состояний

3. Недостатки Механизма определения состояний

4. Заполните таблицу

Состояние	Описание	Достоинства	Недостатки

5. TCP соединения

6. Стадии установления TCP соединения

7. Закрытие TCP соединения

8. UDP соединения

9. Стадии установления UDP соединения

10. Закрытие UDP соединения

11. ICMP соединения

12. Стадии установления ICMP соединения

13. Закрытие ICMP соединения

 

Теоретические сведения

Механизм определения состояний.

Механизм определения состояния (state machine) является отдельной частью и в действительности не должен бы так называться, поскольку фактически является механизмом трассировки соединений. Однако значительному количеству людей он известен именно как "механизм определения состояния" (state machine). Трассировщик соединений создан для того, чтобы netfilter мог постоянно иметь информацию о состоянии каждого конкретного соединения. Наличие трассировщика позволяет создавать более надежные наборы правил по сравнению с брандмауэрами, которые не имеют поддержки такого механизма.

Cоединение может иметь одно из 4-х базовых состояний: NEW, ESTABLISHED, RELATED и INVALID.

Трассировка соединений производится специальным кодом в пространстве ядра -- трассировщиком (conntrack). Код трассировщика может быть скомпилирован как подгружаемый модуль ядра, так и статически связан с ядром. Поэтому трассировщик включает в себя обработчики различных протоколов, например TCP, UDP или ICMP. Собранная ими информация затем используется для идентификации и определения текущего состояния соединения. Например -- соединение по протоколу UDP однозначно идентифицируется по IP-адресам и портам источника и приемника.

Имелась возможность включения/выключения поддержки дефрагментации пакетов. Однако, после того как трассировка соединений была включена в состав iptables/netfilter, надобность в этом отпала. Причина в том, что трассировщик не в состоянии выполнять возложенные на него функции без поддержки дефрагментации и поэтому она включена постоянно. Ее нельзя отключить иначе как отключив трассировку соединений. Дефрагментация выполняется всегда, если трассировщик включен.

Состояний в пространстве пользователя.

Как вы уже наверняка заметили, в пространстве ядра, в зависимости от типа протокола, пакеты могут иметь несколько различных состояний. Однако, вне ядра пакеты могут иметь только 4 состояния. Допустимыми являются состояния NEW, ESTABLISHED, RELATED и INVALID.

NEW

Признак NEW сообщает о том, что пакет является первым для данного соединения. Это означает, что это первый пакет в данном соединении, который увидел модуль трассировщика. Например если получен N пакет являющийся первым пакетом для данного соединения, то он получит статус NEW. Однако, пакет может и не быть N пакетом и тем не менее получить статус NEW. Это может породить определенные проблемы в отдельных случаях, но может оказаться и весьма полезным, например когда желательно "подхватить" соединения, "потерянные" другими брандмауэрами или в случаях, когда таймаут соединения уже истек, но само соединение не было закрыто. Признак NEW сообщает о том, что пакет является первым для данного соединения. Это означает, что это первый пакет в данном соединении, который увидел модуль трассировщика. Например если получен N пакет являющийся первым пакетом для данного соединения, то он получит статус NEW. Однако, пакет может и не быть N пакетом и тем не менее получить статус NEW. Это может породить определенные проблемы в отдельных случаях, но может оказаться и весьма полезным, например когда желательно "подхватить" соединения, "потерянные" другими брандмауэрами или в случаях, когда таймаут соединения уже истек, но само соединение не было закрыто.

RELATED

Состояние RELATED одно из самых "хитрых". Соединение получает статус RELATED если оно связано с другим соединением, имеющим признак ESTABLISHED. Это означает, что соединение получает признак RELATED тогда, когда оно инициировано из уже установленного соединения, имеющего признак ESTABLISHED. Хорошим примером соединения, которое может рассматриваться как RELATED, является соединение FTP-data, которое является связанным с портом FTP control, а так же DCC соединение, запущенное из IRC. Обратите внимание на то, что большинство протоколов TCP и некоторые из протоколов UDP весьма сложны и передают информацию о соединении через область данных TCP или UDP пакетов и поэтому требуют наличия специальных вспомогательных модулей для корректной работы.

ESTABLISHED

Состояние ESTABLISHED говорит о том, что это не первый пакет в соединении. Схема установки состояния ESTABLISHED достаточна проста для понимания. Единственное требование, предъявляемое к соединению, заключается в том, что для перехода в состояние ESTABLISHED необходимо чтобы узел сети передал пакет и получил на него ответ от другого узла (хоста). После получения ответа состояние соединения NEW или RELATED будет и заменено на ESTABLISHED.

INVALID

Признак INVALID говорит о том, что пакет не может быть идентифицирован и поэтому не может иметь определенного статуса. Это может происходить по разным причинам, например при нехватке памяти или при получении ICMP-сообщения об ошибке, которое не соответствует какому либо известному соединению. Наверное наилучшим вариантом было бы применение действия DROP к таким пакетам.

Механизм определения состояния позволяет строить чрезвычайно мощную и эффективную защиту. Раньше приходилось открывать все порты выше 1024, чтобы пропустить обратный трафик в локальную сеть, теперь же, при наличии механизма определения состояния, необходимость в этом отпала, поскольку появилась возможность "открывать" доступ только для обратного (ответного) трафика, пресекая попытки установления соединений извне.

TCP соединения

TCP соединение всегда устанавливается передачей трех пакетов, которые инициализируют и устанавливают соединение, через которое в дальнейшем будут передаваться данные. Сессия начинается с передачи SYN пакета, в ответ на который передается SYN/ACK пакет и подтверждает установление соединения пакет ACK. После этого соединение считается установленным и готовым к передаче данных. Может возникнуть вопрос: "А как же трассируется соединение?". В действительности все довольно просто.

Для всех типов соединений, трассировка проходит практически одинаково. Взгляните на рисунок ниже, где показаны все стадии установления соединения. Как видите, трассировщик, с точки зрения пользователя, фактически не следит за ходом установления соединения. Просто, как только трассировщик "увидел" первый (SYN) пакет, то присваивает ему статус NEW. Как только через трассировщика проходит второй пакет (SYN/ACK), то соединению присваивается статус ESTABLISHED. Почему именно второй пакет? Сейчас разберемся. Строя свой набор правил, вы можете позволить покидать локальную сеть пакетам со статусом NEW и ESTABLISHED, а во входящем трафике пропускать пакеты только со статусом ESTABLISHED и все будет работать прекрасно. И наоборот, если бы трассировщик продолжал считать соединение как NEW, то фактически вам никогда не удалось бы установить соединение с "внешним миром", либо пришлось бы позволить прохождение NEW пакетов в локальную сеть. С точки зрения ядра все выглядит более сложным, поскольку в пространстве ядра TCP соединения имеют ряд промежуточных состояний, недоступных в пространстве пользователя.

 

 

При закрытии, TCP соединение проходит через следующие состояния.

 

Как видно из рисунка, соединение не закрывается до тех пор пока не будет передан последний пакет ACK. Обратите внимание -- эта картинка описывает нормальный процесс закрытия соединения. Кроме того, если соединение отвергается, то оно может быть закрыто передачей пакета RST (сброс). В этом случае соединение будет закрыто по истечение предопределенного времени.

При закрытии, соединение переводится в состояние TIME_WAIT, продолжительность которого по-умолчанию соответствует 2 минутам, в течение которого еще возможно прохождение пакетов через брандмауэр. Это является своего рода "буферным временем", которое дает возможность пройти пакетам, "увязшим" на том или ином маршрутизаторе (роутере).

Если соединение закрывается по получении пакета RST, то оно переводится в состояние CLOSE. Время ожидания до фактического закрытия соединения по-умолчанию устанавливается равным 10 секунд. Подтверждение на пакеты RSTне передается и соединение закрывается сразу же. Кроме того имеется ряд других внутренних состояний. В таблице ниже приводится список возможных внутренних состояний соединения и соответствующие им размеры таймаутов.

Таблица 4-2. Internal states

Состояние	Время ожидания
NONE	30 минут
ESTABLISHED	5 дней
SYN_SENT	2 минуты
SYN_RECV	60 секунд
FIN_WAIT	2 минуты
TIME_WAIT	2 минуты
CLOSE	10 секунд
CLOSE_WAIT	12 часов
LAST_ACK	30 секунд
LISTEN>	2 минуты

Эти значения могут несколько изменяться от версии к версии ядра, кроме того, они могут быть изменены через интерфейс файловой системы /proc (переменные proc/sys/net/ipv4/netfilter/ip_ct_tcp_*). Значения устанавливаются в сотых долях секунды, так что число 3000 означает 30 секунд.

UDP соединения

По сути своей, UDP соединения не имеют признака состояния. Этому имеется несколько причин, основная из них состоит в том, что этот протокол не предусматривает установления и закрытия соединения, но самый большой недостаток это отсутствие информации об очередности поступления пакетов. Приняв две датаграммы UDP, невозможно сказать точно в каком порядке они были отправлены. Однако, даже в этой ситуации все еще возможно определить состояние соединения. Ниже приводится рисунок того, как выглядит установление соединения с точки зрения трассировщика.

 

Из рисунка видно, что состояние UDP соединения определяется почти так же как и состояние TCP соединения, с точки зрения из пользовательского пространства. Изнутри же это выглядит несколько иначе, хотя во многом похоже. Для начала посмотрим на запись, появившуюся после передачи первого пакета UDP.

udp 17 20 src=192.168.1.2 dst=192.168.1.5 sport=137 dport=1025 \

[UNREPLIED] src=192.168.1.5 dst=192.168.1.2 sport=1025 \

dport=137 use=1

 

Первое, что мы видим -- это название протокола (udp) и его номер (см. /etc/protocols прим. перев.). Третье значение - оставшееся "время жизни" записи в секундах. Далее следуют характеристики пакета, прошедшего через брандмауэр -- это адреса и порты отправителя и получателя. Здесь же видно, что это первый пакет в сессии (флаг[UNREPLIED]). И завершают запись адреса и порты отправителя и получателя ожидаемого пакета. Таймаут такой записи по умолчанию составляет 30 секунд.

udp 17 170 src=192.168.1.2 dst=192.168.1.5 sport=137 \

dport=1025 src=192.168.1.5 dst=192.168.1.2 sport=1025 \

dport=137 use=1

 

После того как сервер "увидел" ответ на первый пакет, соединение считается ESTABLISHED (установленным), единственное отличие от предыдущей записи состоит в отсутствии флага [UNRREPLIED] и, кроме того, таймаут для записи стал равным 180 секундам. После этого может только добавиться флаг [ASSURED] (уверенное соединение), который был описан выше. Флаг [ASSURED] устанавливается только после прохождения некоторого количества пакетов через соединение.

udp 17 175 src=192.168.1.5 dst=195.22.79.2 sport=1025 \

dport=53 src=195.22.79.2 dst=192.168.1.5 sport=53 \

dport=1025 [ASSURED] use=1

 

Теперь соединение стало "уверенным". Запись в таблице выглядит практически так же как и в предыдущем примере, за исключением флага [ASSURED]. Если в течение 180 секунд через соединение не пройдет хотя бы один пакет, то запись будет удалена из таблицы. Это достаточно маленький промежуток времени, но его вполне достаточно для большинства применений. "Время жизни" отсчитывается от момента прохождения последнего пакета и при появлении нового, время переустанавливается в свое начальное значение, это справедливо и для всех остальных типов внутренних состояний.

 

ICMP соединения

ICMP пакеты используются только для передачи управляющих сообщений и не организуют постоянного соединения. Однако, существует 4 типа ICMP пакетов, которые вызывают передачу ответа, поэтому они могут иметь два состояния: NEW и ESTABLISHED. К этим пакетам относятся ICMP Echo Request/Echo Reply, ICMP Timestamp Request/Timestamp Reply, ICMP Information Request/Information Reply и ICMP Address Mask Request/Address Mask Reply. Из них - ICMP Timestamp Request/Timestamp Reply и ICMP Information Request/Information Reply считаются устаревшими и поэтому, в большинстве случаев, могут быть безболезненно сброшены (DROP).

 

Как видно из этого рисунка, сервер выполняет Echo Request (эхо-запрос) к клиенту, который (запрос) распознается брандмауэром как NEW. На этот запрос клиент отвечает пакетом Echo Reply, и теперь пакет распознается как имеющий состояние ESTABLISHED. После прохождения первого пакета (Echo Request) в ip_conntrack появляется запись:

icmp 1 25 src=192.168.1.6 dst=192.168.1.10 type=8 code=0 \

id=33029 [UNREPLIED] src=192.168.1.10 dst=192.168.1.6 \

type=0 code=0 id=33029 use=1

 

Эта запись несколько отличается от записей, свойственных протоколам TCP и UDP, хотя точно так же присутствуют и название протокола и время таймаута и адреса передатчика и приемника, но далее появляются три новых поля -type, code и id. Поле type содержит тип ICMP, поле code - код ICMP. Значения типов и кодов ICMP приводятся в приложении Типы ICMP. И последнее поле id содержит идентификатор пакета. Каждый ICMP-пакет имеет свой идентификатор. Когда приемник, в ответ на ICMP-запрос посылает ответ, он подставляет в пакет ответа этот идентификатор, благодаря чему, передатчик может корректно распознать в ответ на какой запрос пришел ответ.

Следующее поле - флаг [UNREPLIED], который встречался нам ранее. Он означает, что прибыл первый пакет в соединении. Завершается запись характеристиками ожидаемого пакета ответа. Сюда включаются адреса отправителя и получателя. Что касается типа и кода ICMP пакета, то они соответствуют правильным значениям ожидаемого пакетаICMP Echo Reply. Идентификатор пакета-ответа тот же, что и в пакете запроса.

Пакет ответа распознается уже как ESTABLISHED. Однако, мы знаем, что после передачи пакета ответа, через это соединение уже ничего не ожидается, поэтому после прохождения ответа через netfilter, запись в таблице трассировщика уничтожается.

В любом случае запрос рассматривается как NEW, а ответ как ESTABLISHED.

ICMP запросы имеют таймаут, по-умолчанию, 30 секунд. Этого времени, в большинстве случаев, вполне достаточно. Время таймаута можно изменить в /proc/sys/net/ipv4/netfilter/ip_ct_icmp_timeout.

Значительная часть ICMP используется для передачи сообщений о том, что происходит с тем или иным UDP илиTCP соединением. Всвязи с этим они очень часто распознаются как связанные (RELATED) с существующим соединением. Простым примером могут служить сообщения ICMP Host Unreachable или ICMP Network Unreachable. Они всегда порождаются при попытке соединиться с узлом сети когда этот узел или сеть недоступны, в этом случае последний маршрутизатор вернет соответствующий ICMP пакет, который будет распознан как RELATED

 

 

В этом примере некоторому узлу передается запрос на соединение (SYN пакет). Он приобретает статус NEW на брандмауэре. Однако, в этот момент времени, сеть оказывается недоступной, поэтому роутер возвращает пакет ICMP Network Unreachable. Трассировщик соединений распознает этот пакет как RELATED, благодаря уже имеющейся записи в таблице, так что пакет благополучно будет передан клиенту, который затем оборвет неудачное соединение. Тем временем, брандмауэр уничтожит запись в таблице, поскольку для данного соединения было получено сообщение об ошибке.

То же самое происходит и с UDP соединениями -- если обнаруживаются подобные проблемы. Все сообщенияICMP, передаваемые в ответ на UDP соединение, рассматриваются как RELATED. Взгляните на следующий рисунок.

 

Датаграмма UDP передается на сервер. Соединению присваивается статус NEW. Однако доступ к сети запрещен (брандмауэром или роутером), поэтому обратно возвращается сообщение ICMP Network Prohibited. Брандмауэр распознает это сообщение как связанное с открытым UDP соединением, присваивает ему статус RELATED и передает клиенту. После чего запись в таблице трассировщика уничтожается, а клиент благополучно обрывает соединение.

 

Вывод: Усвоил механизм определения состояний в пространстве пользователя.

Контрольные вопросы:

1. Что такое таблица трассировщика

2. Расскажите про состояния в пространстве пользователя

3. Расскажите про механизм определения состояний.