SYN クッキー：接続テーブルを使わない SYN フラッド防御

SYN フラッドはなぜサーバーを落とせるのか

3ウェイハンドシェイクでは、サーバーはクライアントの SYN を受け取ると SYN-ACK を返し、最終 ACK が来るまでその接続を half-open（半開） として保持します。この保持に使われるのが SYN キュー（バックログ）と呼ばれる接続テーブルで、各エントリには相手のIP・ポート・受信した SYN のシーケンス番号・選択されたオプションなどが記録されます。

攻撃者はここを突きます。送信元IPを偽装した SYN を大量に送りつけると、サーバーはそれぞれに SYN-ACK を返してエントリを確保しますが、偽装元からは最終 ACK が永遠に来ません。エントリは再送タイムアウトまで滞留し、わずか数千〜数万の偽 SYN で SYN キューが満杯になります。満杯になれば新規 SYN は捨てられ、正規ユーザーが接続できなくなる――これが SYN フラッド（half-open 枯渇攻撃）です。ハンドシェイクと half-open の遷移は /network/tcp-state-machine/ に詳しくまとめています。

発想の転換：状態を ISN に埋め込む

SYN クッキーのアイデアは単純で強力です。SYN-ACK を返すときに エントリを一切作らない。代わりに、本来テーブルに保存すべき情報を、SYN-ACK が運ぶ 初期シーケンス番号（ISN）そのものに符号化 してしまう。

TCP では、相手はこちらの ISN に1を足した値を ACK 番号として返す決まりです。つまり最終 ACK のヘッダには、サーバーが選んだ ISN がそっくり戻ってきます。サーバーはその戻り値を復号すれば「自分が確かにこの相手へ SYN-ACK を返したこと」と「そのとき選んだ MSS」を、テーブルを引かずに再構成できます。状態をサーバーのメモリではなく ネットワーク上を往復するパケットに退避 させた、と言い換えられます。

ISN は32ビットしかないので、ここに全情報は入りません。実装（Linux など）はおおむね次の構成を取ります。

ISN（32bit）の内訳:
  上位 5bit : t       … 64秒刻みの粗いカウンタ（リプレイ有効期間の判定用）
  次  3bit  : m       … 選んだ MSS を 8 段階のインデックスに量子化した値
  下位 24bit: h       … 秘密鍵を含むハッシュの下位 24bit
  h = MAC( 秘密鍵, 送信元IP, 送信元ポート, 宛先IP, 宛先ポート, t, m )

ハッシュ h には接続を一意に決める4タプルと時刻 t・MSS インデックス m が入力されます。秘密鍵はサーバーだけが知るため、攻撃者は正しい h を作れません。

検証手順：戻ってきた ACK をどう確かめるか

最終 ACK が届くと、サーバーは ACK 番号から1を引いて元の ISN を取り出し、次の手順で検証します。

重要なのは、検証に必要な4タプルは 受信した ACK パケット自身のヘッダに全部書いてある ことです。サーバーは保存しておいた何かと突き合わせるのではなく、その場で同じ計算を再実行して一致を確かめます。一致すれば「秘密鍵を知る自分が、この相手に、この時刻に SYN-ACK を出した」ことが暗号学的に保証され、初めて接続テーブルにエントリを作ります。偽装 SYN にはそもそも ACK が返らないので、テーブルは1ミリも消費されません。

機能制限：タダではない

状態を捨てる代償として、本来 SYN キューに保存していた情報のうち、ISN に符号化しきれないものが失われます。これが SYN クッキーの実務上の弱点です。

• MSS の粒度低下：MSS は3ビット8段階のインデックスに丸められます。受信した値そのものではなく、代表値の近似になります。
• TCP オプションの喪失：ウィンドウスケール、SACK 許可、タイムスタンプといった SYN で交渉されるオプションは、保存場所が無いため原則として復元できません。ウィンドウスケールが落ちれば受信ウィンドウが64KB上限に張り付き、高帯域・高遅延の経路でスループットが頭打ちになります。SACK が落ちれば再送効率も下がります（/network/tcp-retransmission/ 参照）。

近年の Linux はタイムスタンプオプションが使える場合、ウィンドウスケールや SACK の有無をタイムスタンプの下位ビットに退避させることで、オプション喪失をある程度緩和します。ただしこれは相手がタイムスタンプを送ってくる場合に限られ、原理上の制約（ISN 24bit のハッシュ強度、MSS の量子化）は残ります。

まとめ

SYN クッキーは「攻撃が枯渇させる資源そのものを使わない」という発想で SYN フラッドを無力化します。SYN-ACK 時点では一切の状態を保存せず、保存すべき情報を秘密鍵入りハッシュとして ISN に畳み込む。戻ってきた ACK の番号を復号・再計算して検証が通ったときだけ、初めて本物の接続テーブルを確保する。これにより偽装 SYN は ACK を返せず、テーブルを1バイトも消費できません。代償は MSS の粒度と TCP オプションであり、だからこそ平常時は使わずキュー溢れ時のフォールバックとして働かせる――この「状態の外出し」と「条件付き作動」の両輪を理解しているかが、ステートレス防御を使いこなす分かれ目です。