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ARP协议

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1 ARP协议概述

IP数据包常通过以太网发送。以太网设备并不识别32位IP地址：它们是以48位以太网地址传输以太网数据包的。因此，IP驱动器必须把IP目的地址转换成以太网网目的地址。在这两种地址之间存在着某种静态的或算法的映射，经常需要查看一张表。地址解析协议(Address Resolution Protocol，ARP)就是用来确定这些映象的协议。

ARP工作时，送出一个含有所希望的IP地址的以太网广播数据包。目的地主机，或另一个代表该主机的系统，以一个含有IP和以太网地址对的数据包作为应答。发送者将这个地址对高速缓存起来，以节约不必要的ARP通信。

假如有一个不被信任的节点对本地网络具有写访问许可权，那么也会有某种风险。这样一台机器可以发布虚假的ARP报文并将所有通信都转向它自己，然后它就可以扮演某些机器，或者顺便对数据流进行简单的修改。ARP机制经常是自动起作用的。在非凡安全的网络上， ARP映射可以用固件，并且具有自动抑制协议达到防止干扰的目的。


图1 以太网上的ARP报文格式

图1是一个用作IP到以太网地址转换的ARP报文的例子。在图中每一行为32位，也就是4个八位组表示，在以后的图中，我们也将遵循这一方式。

硬件类型字段指明了发送方想知道的硬件接口类型，以太网的值为1。协议类型字段指明了发送方提供的高层协议类型，IP为0806（16进制）。硬件地址长度和协议长度指明了硬件地址和高层协议地址的长度，这样ARP报文就可以在任意硬件和任意协议的网络中使用。操作字段用来表示这个报文的目的，ARP请求为1，ARP响应为2，RARP请求为3，RARP响应为4。

当发出ARP请求时，发送方填好发送方首部和发送方IP地址，还要填写目标IP地址。当目标机器收到这个ARP广播包时，就会在响应报文中填上自己的48位主机地址。

2 ARP使用举例

我们先看一下Linux下的arp命令(假如开始arp表中的内容为空的话,需要先对某台主机进行一个连接,例如ping一下目标主机来产生一个arp项)：

d2server:/home/kerberos# arp
Address          HWtype  HWaddress         Flags Mask            Iface
211.161.17.254   ether   00:04:9A:AD:1C:0A      C                 eth0
Address：主机的IP地址
Hwtype：主机的硬件类型
Hwaddress：主机的硬件地址
Flags Mask：记录标志，"C"表示arp高速缓存中的条目，"M"表示静态的arp条目。

用"arp --a"命令可以显示主机地址与IP地址的对应表，也就是机器中所保存的arp缓存信息。这个高速缓存存放了最近Internet地址到硬件地址之间的映射记录。高速缓存中每一项的生存时间一般为20分钟，起始时间从被创建时开始算起。

d2server:/home/kerberos# arp -a
(211.161.17.254) at 00:04:9A:AD:1C:0A [ether] on eth0
可以看到在缓存中有一条211.161.17.254相对应的arp缓存条目。
d2server:/home/kerberos# telnet 211.161.17.21
Trying 211.161.17.21...
Connected to 211.161.17.21.
Escape character is '^]'.
^].
telnet>quit
connetion closed.

在执行上面一条telnet命令的同时，用tcpdump进行监听：

d2server:/home/kerberos# tcpdump -e dst host 211.161.17.21
tcpdump: listening on eth0

我们将会听到很多包，我们取与我们arp协议相关的2个包：

1  0.0 		00:D0:F8:0A:FB:83 	FF:FF:FF:FF:FF:FF  arp  60
			who has 211.161.17.21 tell d2server
2  0.002344(0.0021)	00:E0:3C:43:0D:24 	00:D0:F8:0A:FB:83  arp  60
			arp reply 211.161.17.21 is at 00:E0:3C:43:0D:24

在第1行中，源端主机（d2server）的硬件地址是00:D0:F8:0A:FB:83。目的端主机的硬件地址是FF:FF:FF:FF:FF:FF，这是一个以太网广播地址。电缆上的每个以太网接口都要接收这个数据帧并对它进行处理。

第1行中紧接着的一个输出字段是arp，表明帧类型字段的值是0x0806，说明此数据帧是一个ARP请求或回答。

在每行中，单词后面的值60指的是以太网数据帧的长度。由于ARP请求或回答的数据帧长都是42字节（28字节的ARP数据，14字节的以太网帧头），因此，每一帧都必须加入填充字符以达到以太网的最小长度要求：60字节。

第1行中的下一个输出字段arp who-has表示作为ARP请求的这个数据帧中，目的I P地址是211.161.17.21的地址，发送端的I P地址是d2server的地址。tcpdump打印出主机名对应的默认I P地址。

从第2行中可以看到，尽管ARP请求是广播的，但是ARP应答的目的地址却是211.161.17.21(00:E0:3C:43:0D:24)。ARP应答是直接送到请求端主机的，而是广播的。tcpdump打印出arp reply的字样，同时打印出响应者的主机ip和硬件地址。


在每一行中，行号后面的数字表示tcpdump收到分组的时间（以秒为单位）。除第1行外，每行在括号中还包含了与上一行的时间差异（以秒为单位）。

这个时候我们再看看机器中的arp缓存：

d2server:/home/kerberos# arp -a
(211.161.17.254) at  00:04:9A:AD:1C:0A [ether] on eth0
(211.161.17.21) at  00:E0:3C:43:0D:24 [ether] on eth0

arp高速缓存中已经增加了一条有关211.161.17.21的映射。

再看看其他的arp相关的命令：

d2server:/home/kerberos# arp -s 211.161.17.21 00:00:00:00:00:00
d2server:/home/kerberos# arp
Address          HWtype  HWaddress        Flags Mask       Iface
211.161.17.254     ether   00:04:9A:AD:1C:0A     C            eth0
211.161.17.21      ether   00:00:00:00:00:00      CM           eth0
d2server:/home/kerberos# arp -a
(211.161.17.254) at 00:04:9A:AD:1C:0A [ether] on eth0
(211.161.17.21) at 00:00:00:00:00:00 [ether] PERM on eth0

可以看到我们用arp -s选项设置了211.161.17.21对应的硬件地址为00:00:00:00:00:00，而且这条映射的标志字段为CM,也就是说我们手工设置的arp选项为静态arp选项，它保持不变没有超时，不像高速缓存中的条目要在一定的时间间隔后更新。

假如想让手工设置的arp选项有超时时间的话，可以加上temp选项

d2server:/home/kerberos# arp -s 211.161.17.21 00:00:00:00:00:00 temp
d2server:/home/kerberos# arp -a
(211.161.17.254) at 00:04:9A:AD:1C:0A [ether] on eth0
(211.161.17.21) at 00:00:00:00:00:00 [ether] on eth0
d2server:/home/kerberos# arp
Address        HWtype  HWaddress         Flags Mask      Iface
211.161.17.254   ether   00:04:9A:AD:1C:0A     C            eth0
211.161.17.21    ether   00:00:00:00:00:00       C            eth0

可以看到标志字段的静态arp标志"M"已经去掉了，我们手工加上的是一条动态条目。

请大家注重arp静态条目与动态条目的区别。

在不同的系统中，手工设置的arp静态条目是有区别的。在linux和win2000中，静态条目不会因为伪造的arp响应包而改变，而动态条目会改变。而在win98中，手工设置的静态条目会因为收到伪造的arp响应包而改变。

假如您想删除某个arp条目（包括静态条目），可以用下面的命令：

d2server:/home/kerberos# arp -d 211.161.17.21  
d2server:/home/kerberos# arp -a
(211.161.17.254) at 00:04:9A:AD:1C:0A [ether] on eth0
(211.161.17.21) at  on eth0

可以看到211.161.17.21的arp条目已经是不完整的了。

还有一些其他的命令，可以参考linux下的man文档：

d2server:/home/kerberos# man arp

3 ARP欺骗

我们先复习一下上面所讲的ARP协议的原理。在实现TCP/IP协议的网络环境下，一个ip包走到哪里，要怎么走是靠路由表定义，但是，当ip包到达该网络后，哪台机器响应这个ip包却是靠该ip包中所包含的硬件mac地址来识别。也就是说，只有机器的硬件mac地址和该ip包中的硬件mac地址相同的机器才会应答这个ip包，因为在网络中，每一台主机都会有发送ip包的时候，所以，在每台主机的内存中，都有一个 arp--> 硬件mac 的转换表。通常是动态的转换表（该arp表可以手工添加静态条目）。也就是说，该对应表会被主机在一定的时间间隔后刷新。这个时间间隔就是ARP高速缓存的超时时间。

通常主机在发送一个ip包之前，它要到该转换表中寻找和ip包对应的硬件mac地址，假如没有找到，该主机就发送一个ARP广播包，于是，主机刷新自己的ARP缓存。然后发出该ip包。

了解这些常识后，现在就可以谈在以太网络中如何实现ARP欺骗了，可以看看这样一个例子。

3.1 同一网段的ARP欺骗


图2 同一网段的arp欺骗

如图2所示，三台主机

A: ip地址 192.168.0.1 硬件地址 AA:AA:AA:AA:AA:AA
B: ip地址 192.168.0.2 硬件地址 BB:BB:BB:BB:BB:BB
C: ip地址 192.168.0.3 硬件地址 CC:CC:CC:CC:CC:CC

一个位于主机B的入侵者想非法进入主机A，可是这台主机上安装有防火墙。通过收集资料他知道这台主机A的防火墙只对主机C有信任关系（开放23端口(telnet)）。而他必须要使用telnet来进入主机A，这个时候他应该如何处理呢？

我们这样考虑，入侵者必须让主机A相信主机B就是主机C，假如主机A和主机C之间的信任关系是建立在ip地址之上的。假如单单把主机B的ip地址改的和主机C的一样，那是不能工作的，至少不能可靠地工作。假如你告诉以太网卡设备驱动程序， 自己IP是192.168.0.3，那么这只是一种纯粹的竞争关系，并不能达到目标。我们可以先研究C这台机器假如我们能让这台机器暂时当掉，竞争关系就可以解除,这个还是有可能实现的。在机器C当掉的同时，将机器B的ip地址改为192.168.0.3,这样就可以成功的通过23端口telnet到机器A上面，而成功的绕过防火墙的限制。


上面的这种想法在下面的情况下是没有作用的，假如主机A和主机C之间的信任关系是建立在硬件地址的基础上。这个时候还需要用ARP欺骗的手段让主机A把自己的ARP缓存中的关于192.168.0.3映射的硬件地址改为主机B的硬件地址。

我们可以人为的制造一个arp_reply的响应包,发送给想要欺骗的主机,这是可以实现的,因为协议并没有规定必须在接收到arp_echo后才可以发送响应包.这样的工具很多,我们也可以直接用snifferpro抓一个arp响应包,然后进行修改。

你可以人为地制造这个包。可以指定ARP包中的源IP、目标IP、源MAC地址、目标MAC地址。

这样你就可以通过虚假的ARP响应包来修改主机A上的动态ARP缓存达到欺骗的目的。

下面是具体的步骤：

  1. 他先研究192.0.0.3这台主机，发现这台主机的漏洞。
  2. 根据发现的漏洞使主机C当掉，暂时停止工作。
  3. 这段时间里，入侵者把自己的ip改成192.0.0.3
  4. 他用工具发一个源ip地址为192.168.0.3源MAC地址为BB:BB:BB:BB:BB:BB的包给主机A，要求主机A更新自己的arp转换表。
  5. 主机更新了arp表中关于主机C的ip-->mac对应关系。
  6. 防火墙失效了，入侵的ip变成合法的mac地址，可以telnet 了。

上面就是一个ARP的欺骗过程，这是在同网段发生的情况，但是，提醒注重的是，在B和C处于不同网段的时候，上面的方法是不起作用的。

3.2 不同网段的ARP欺骗


图3 不同网段之间的ARP欺骗

如图3所示A、C位于同一网段而主机B位于另一网段，三台机器的ip地址和硬件地址如下：

A: ip地址 192.168.0.1 硬件地址 AA:AA:AA:AA:AA:AA
B: ip地址 192.168.1.2 硬件地址 BB:BB:BB:BB:BB:BB
C: ip地址 192.168.0.3 硬件地址 CC:CC:CC:CC:CC:CC

在现在的情况下，位于192.168.1网段的主机B如何冒充主机C欺骗主机A呢？显然用上面的办法的话，即使欺骗成功，那么由主机B和主机A之间也无法建立telnet会话，因为路由器不会把主机A发给主机B的包向外转发，路由器会发现地址在192.168.0.这个网段之内。

现在就涉及到另外一种欺骗方式―ICMP重定向。把ARP欺骗和ICMP重定向结合在一起就可以基本实现跨网段欺骗的目的。

什么是ICMP重定向呢？

ICMP重定向报文是ICMP控制报文中的一种。在特定的情况下，当路由器检测到一台机器使用非优化路由的时候，它会向该主机发送一个ICMP重定向报文，请求主机改变路由。路由器也会把初始数据报向它的目的地转发。

我们可以利用ICMP重定向报文达到欺骗的目的。

下面是结合ARP欺骗和ICMP重定向进行攻击的步骤：

  1. 为了使自己发出的非法ip包能在网络上能够存活长久一点，开始修改ip包的生存时间ttl为下面的过程中可能带来的问题做预备。把ttl改成255. (ttl定义一个ip包假如在网络上到不了主机后，在网络上能存活的时间，改长一点在本例中有利于做充足的广播)
  2. 下载一个可以自由制作各种包的工具（例如hping2）
  3. 然后和上面一样，寻找主机C的漏洞按照这个漏洞当掉主机C。
  4. 在该网络的主机找不到原来的192.0.0.3后，将更新自己的ARP对应表。于是他发送一个原ip地址为192.168.0.3硬件地址为BB:BB:BB:BB:BB:BB的ARP响应包。
  5. 好了，现在每台主机都知道了，一个新的MAC地址对应192.0.0.3,一个ARP欺骗完成了，但是，每台主机都只会在局域网中找这个地址而根本就不会把发送给192.0.0.3的ip包丢给路由。于是他还得构造一个ICMP的重定向广播。
  6. 自己定制一个ICMP重定向包告诉网络中的主机："到192.0.0.3的路由最短路径不是局域网，而是路由，请主机重定向你们的路由路径，把所有到192.0.0.3的ip包丢给路由。"
  7. 主机A接受这个合理的ICMP重定向，于是修改自己的路由路径，把对192.0.0.3的通讯都丢给路由器。
  8. 入侵者终于可以在路由外收到来自路由内的主机的ip包了，他可以开始telnet到主机的23口。

其实上面的想法只是一种理想话的情况，主机许可接收的ICMP重定向包其实有很多的限制条件，这些条件使ICMP重定向变的非常困难。

TCP/IP协议实现中关于主机接收ICMP重定向报文主要有下面几条限制：

  1. 新路由必须是直达的
  2. 重定向包必须来自去往目标的当前路由
  3. 重定向包不能通知主机用自己做路由
  4. 被改变的路由必须是一条间接路由

由于有这些限制，所以ICMP欺骗实际上很难实现。但是我们也可以主动的根据上面的思维寻找一些其他的方法。更为重要的是我们知道了这些欺骗方法的危害性，我们就可以采取相应的防御办法。

3.3 ARP欺骗的防御

知道了ARP欺骗的方法和危害，我们给出一些初步的防御方法：

  1. 不要把你的网络安全信任关系建立在ip地址的基础上或硬件mac地址基础上，（rarp同样存在欺骗的问题），理想的关系应该建立在ip+mac基础上。
  2. 设置静态的mac-->ip对应表，不要让主机刷新你设定好的转换表。
  3. 除非很有必要，否则停止使用ARP，将ARP做为永久条目保存在对应表中。在linux下可以用ifconfig -arp可以使网卡驱动程序停止使用ARP。
  4. 使用代理网关发送外出的通讯。
  5. 修改系统拒收ICMP重定向报文


在linux下可以通过在防火墙上拒绝ICMP重定向报文或者是修改内核选项重新编译内核来拒绝接收ICMP重定向报文。

在win2000下可以通过防火墙和IP策略拒绝接收ICMP报文。

4 代理ARP的应用

代理ARP有两大应用,一个是有利的就是我们在防火墙实现中常说的透明模式的实现,另一个是有害的就是通过它可以达到在交换环境中进行嗅探的目的.由此可见同样一种技术被应用于不同的目的,效果是不一样的.

我们先来看交换环境中局域网的嗅探.

通常在局域网环境中，我们都是通过交换环境的网关上网的。在交换环境中使用NetXray或者NAI Sniffer一类的嗅探工具除了抓到自己的包以外，是不能看到其他主机的网络通信的。

但是我们可以通过利用ARP欺骗可以实现Sniffer的目的。

ARP协议是将IP地址解析为MAC地址的协议，局域网中的通信都是基于MAC地址的。


图4 交换网络中的ARP欺骗

如图4所示，三台主机位于一个交换网络的环境中，其中A是网关：

A: ip地址 192.168.0.1 硬件地址 AA:AA:AA:AA:AA
B: ip地址 192.168.0.2 硬件地址 BB:BB:BB:BB:BB
C：ip地址 192.168.0.3 硬件地址 CC:CC:CC:CC:CC

在局域网中192.168.0.2和192.168.0.3都是通过网关192.168.0.1上网的，假定攻击者的系统为192.168.0.2，他希望听到192.168.0.3的通信，那么我们就可以利用ARP欺骗实现。

这种欺骗的中心原则就是arp代理的应用.主机A是局域网中的代理服务器,局域网中每个节点的向外的通信都要通过它.主机B想要听主机C的通信,它需要先使用ARP欺骗,让主机C认为它就是主机A,这个时候它发一个IP地址为192.168.0.1,物理地址为BB:BB:BB:BB:BB:BB的ARP响应包给主机C,这样主机C会把发往主机A的包发往主机B.同理,还要让网关A相信它就是主机C,向网关A发送一个IP地址为192.168.0.3,物理地址为BB:BB:BB:BB:BB:BB的包.

上面这一步的操作和前面的ARP欺骗的原理是一样的,但是还是有问题,过一段时间主机B会发现自己无法上网.所以下面还有一个步骤就是需要在主机B上转发从主机A到主机C的包,并且转发从主机C到主机A的包.现在我们可以看到其实主机B在主机A和主机C的通讯中起到了一个代理的作用,这就是为什么叫做ARP代理的原因.

具体实现要用到两个工具dsniff和fragrouter,dsniff用来实现ARP欺骗,fragroute用来进行包的转发.

首先利用dsniff中的arpspoof来实现ARP欺骗,dsniff软件可以在下面的网址下载:

http://naughty.monkey.org/~dugsong/dsniff

安装这个软件包之前先要下载安装libnet.

欺骗192.168.0.3，告诉这台机器网关192.168.0.1的MAC地址是192.168.0.2的MAC地址. 

[root@sound dsniff-2.3]# ./arpspoof -i eth0 -t 192.168.0.3 192.168.0.1

欺骗192.168.0.1，告诉192.168.0.1主机192.168.0.3的MAC地址是192.168.0.2的MAC地址。

[root@sound dsniff-2.3]# ./arpspoof -i eth0 -t 192.168.0.1 192.168.0.3

现在我们已经完成了第一步的欺骗,这个欺骗是通过arpspoof来完成的,当然您也可以使用别的工具甚至自己发包来完成.现在我们可以看到在主机A和主机C的arp列表里面都完成了我们需要的工作.在后面的透明代理中我们将使用另外一种不同的理念.

下面我们先打开linux系统中的转发包的选项:

[root@sound /root]# echo "1" >/proc/sys/net/ipv4/ip_forward

下面我们可以下载大名鼎鼎的dugsong的另外一个工具fragroute,这个工具以前叫做fragrouter(仅有1字的差别)主要用于实现入侵检测系统处理分片的ip和tcp包功能的检测,本身自代包转发的功能.可以到下面的网站下载:

http://monkey.org/~dugsong/fragroute/

安装这个软件包之前先要下载安装libpcap和libevent.

当然我们也可以使用fragrouter来完成:

http://www.packetstormsecurity.org/groups/ w00w00/sectools/fragrouter/ 

[root@sound fragrouter-1.6]# ./fragrouter -B1 
fragrouter: base-1: normal IP forwarding

现在就可以实现在交换局域网中嗅探的目标.当然上面这些只是一些原理性的介绍,在真正的使用中会碰到很多的问题,比如如何实现对网关A和主机C的欺骗,以及如何处理可能出现的广播风暴问题,这些可以在实践中学习.还有一个叫arpsniff的工具能够很方便的完成这一功能,很多网站都提供下载,界面比较友好,由于和上面的原理一样,只是工具使用上的不同并且添加了一些附加的功能,所以这里不在进行介绍.

代理ARP的另外一个应用就是防火墙的透明代理的实现.我们都知道早期的防火墙大都是基于路由模式,也就是防火墙要完成一个路由的作用.这种接入方式需要在局域网内的主机上设置防火墙的IP为代理,而且需要在外部路由器的路由表中加入一条指向防火墙的路由.这种方式的缺点在于不透明,需要进行过多的设置,并且破坏了原有的网络拓扑.所以现在几乎全部的防火墙都实现了一种透明接入的功能,用户的路由器和客户端不用做任何修改,用户甚至感觉不到透明接入方式防火墙的存在.这种透明接入的原理就是ARP代理.


我们现在看如何配置一台主机作为透明接入模式的防火墙(透明接入的防火墙不需要IP),


图5

如图5所示,一台防火墙连接内部网段和DMZ网段到外部路由.我们在这台用作防火墙的主机上使用linux操作系统,这样我们可以方便的使用iptables防火墙.假设三块网卡为eth0,eth1和eth2,eth0和路由器相连,eth1和内网相连.eth2和外网相连.假设DMZ区有2台服务器.

内网地址:192.168.1.0/24
DMZ地址:192.168.1.2---192.168.1.3
路由器的ip地址:192.168.1.1
eth0:AA:AA:AA:AA:AA:AA
eth1:BB:BB:BB:BB:BB:BB
eth2:CC:CC:CC:CC:CC:CC

和前面差不多,第一步需要实现ARP欺骗,这次我们有个简单的实现.我们把路由器的IP地址和防火墙的eth1和eth2的网卡物理地址绑定,将内网和DMZ网段的IP地址和eth0的网卡绑定,在linux系统上我们用arp命令实现:

arp -s 192.168.1.1 BB:BB:BB:BB:BB:BB
arp -s 192.168.1.1 CC:CC:CC:CC:CC:CC 
arp -s 192.168.1.0/24 AA:AA:AA:AA:AA:AA

第二部我们需要在基于linux的防火墙上设置路由,把目标地址是外部路由的包转发到eth0,把目标地址为内网的包转发到eth1,把目标地址是DMZ网段服务器的包转发到eth2.在linux下面用route命令实现

route add 192.168.1.1 dev eth0
route add -net 192.168.1.0/24  dev eth1
route add 192.168.1.2  dev eth2
route add 192.168.1.3  dev eth3

(针对DMZ网段里面的每台服务器都要增加一条单独的路由) 现在我们就已经实现了一个简单的arp代理的透明接入,当然对应于防火墙的iptables部分要另外配置,iptables的配置不在本文范畴之内.

小结

本文介绍了ARP协议以及与其相关的安全问题。一个重要的安全问题就是ARP欺骗，我们讲到了同一网段的ARP欺骗以及跨网段的ARP欺骗和ICMP重定向相结合的方法。由于有这些安全问题的存在，我们给出一些最基本的解决办法。最后谈到了利用代理ARP实现在交换网络中嗅探和防火墙的透明接入。

有关更深入的知识请参考RFC826、RFC814、RFC1029、RFC1166以及有关dugsong有关的网页： http://freshmeat.net/~dugsong/


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