1 引言

對(duì)“IP地址盜用”的解決方案絕大多數(shù)都是采取MAC與IP地址綁定策略，這種做法是十分危險(xiǎn)的，本文將就這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行探討。在這里需要聲明的是，本文是處于對(duì)對(duì)MAC與IP地址綁定策略安全的憂慮，不帶有任何黑客性質(zhì)。

1.1 為什么要綁定MAC與IP 地址

影響網(wǎng)絡(luò)安全的因素很多，IP地址盜用或地址欺騙就是其中一個(gè)常見(jiàn)且危害極大的因素?，F(xiàn)實(shí)中，許多網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用是基于IP的，比如流量統(tǒng)計(jì)、賬號(hào)控制等都將IP地址作為標(biāo)志用戶的一個(gè)重要的參數(shù)。如果有人盜用了合法地址并偽裝成合法用戶，網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)就可能被破壞、竊聽(tīng)，甚至盜用，造成無(wú)法彌補(bǔ)的損失。

盜用外部網(wǎng)絡(luò)的IP地址比較困難，因?yàn)槁酚善鞯染W(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備一般都會(huì)設(shè)置通過(guò)各個(gè)端口的IP地址范圍，不屬于該IP地址范圍的報(bào)文將無(wú)法通過(guò)這些互連設(shè)備。但如果盜用的是Ethernet內(nèi)部合法用戶的IP地址，這種網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備顯然無(wú)能為力了?！暗栏咭怀撸Ц咭徽伞?，對(duì)于Ethernet內(nèi)部的IP地址被盜用，當(dāng)然也有相應(yīng)的解決辦法。綁定MAC地址與IP地址就是防止內(nèi)部IP盜用的一個(gè)常用的、簡(jiǎn)單的、有效的措施。

1.2 MAC與IP 地址綁定原理

IP地址的修改非常容易，而MAC地址存儲(chǔ)在網(wǎng)卡的EEPROM中，而且網(wǎng)卡的MAC地址是唯一確定的。因此，為了防止內(nèi)部人員進(jìn)行非法IP盜用(例如盜用權(quán)限更高人員的IP地址，以獲得權(quán)限外的信息)，可以將內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的IP地址與MAC地址綁定，盜用者即使修改了IP地址，也因MAC地址不匹配而盜用失?。憾矣捎诰W(wǎng)卡MAC地址的唯一確定性，可以根據(jù)MAC地址查出使用該MAC地址的網(wǎng)卡，進(jìn)而查出非法盜用者。

目前，很多單位的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，尤其是學(xué)校校園網(wǎng)都采用了MAC地址與IP地址的綁定技術(shù)。許多防火墻（硬件防火墻和軟件防火墻）為了防止網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的IP地址被盜用，也都內(nèi)置了MAC地址與IP地址的綁定功能。

從表面上看來(lái)，綁定MAC地址和IP地址可以防止內(nèi)部IP地址被盜用，但實(shí)際上由于各層協(xié)議以及網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)等實(shí)現(xiàn)技術(shù)，MAC地址與IP地址的綁定存在很大的缺陷，并不能真正防止內(nèi)部IP地址被盜用。

2 破解MAC與IP地址綁定策略

2.1 IP地址和MAC地址簡(jiǎn)介

現(xiàn)行的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)四層協(xié)議結(jié)構(gòu)，從下往上依次為鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。

Ethernet協(xié)議是鏈路層協(xié)議，使用的地址是MAC地址。MAC地址是Ethernet網(wǎng)卡在Ethernet中的硬件標(biāo)志，網(wǎng)卡生產(chǎn)時(shí)將其存于網(wǎng)卡的EEPROM中。網(wǎng)卡的MAC地址各不相同，MAC地址可以唯一標(biāo)志一塊網(wǎng)卡。在Ethernet上傳輸?shù)拿總€(gè)報(bào)文都含有發(fā)送該報(bào)文的網(wǎng)卡的MAC地址。

Ethernet根據(jù)Ethernet報(bào)文頭中的源MAC地址和目的MAC來(lái)識(shí)別報(bào)文的發(fā)送端和接收端。IP協(xié)議應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)層，使用的地址為IP地址。使用IP協(xié)議進(jìn)行通訊，每個(gè)IP報(bào)文頭中必須含有源IP和目的IP地址，用以標(biāo)志該IP報(bào)文的發(fā)送端和接收端。在Ethernet上使用IP協(xié)議傳輸報(bào)文時(shí)，IP報(bào)文作為Ethernet報(bào)文的數(shù)據(jù)。IP地址對(duì)于Ethernet交換機(jī)或處理器是透明的。用戶可以根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的需要為網(wǎng)卡配置一個(gè)或多個(gè)IP地址。MAC地址和IP地址之間并不存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

MAC地址存儲(chǔ)在網(wǎng)卡的EEPROM中并且唯一確定，但網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)在發(fā)送Ethernet報(bào)文時(shí)，并不從EEPROM中讀取MAC地址，而是在內(nèi)存中來(lái)建立一塊緩存區(qū)，Ethernet報(bào)文從中讀取源MAC地址。而且，用戶可以通過(guò)操作系統(tǒng)修改實(shí)際發(fā)送的Ethernet報(bào)文中的源MAC地址。既然MAC地址可以修改，那么MAC地址與IP地址的綁定也就失去了它原有的意義。

2.2 破解方案

下圖是破解試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。其內(nèi)部服務(wù)器和外部服務(wù)器都提供Web服務(wù)，防火墻中實(shí)現(xiàn)了MAC地址和IP地址的綁定。報(bào)文中的源MAC地址與1P地址對(duì)如果無(wú)法與防火墻中設(shè)置的MAC地址與1P地址對(duì)匹配，將無(wú)法通過(guò)防火墻。主機(jī)2和內(nèi)部服務(wù)器都是內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中的合法機(jī)器；主機(jī)1是為了做實(shí)驗(yàn)而新加入的機(jī)器。安裝的操作系統(tǒng)是W2000企業(yè)版，網(wǎng)卡是3Com的。

試驗(yàn)需要修改主機(jī)1中網(wǎng)卡的MAC和IP地址為被盜用設(shè)備的MAC和IP地址。首先，在控制面板中選擇“網(wǎng)絡(luò)和撥號(hào)連接”，選中對(duì)應(yīng)的網(wǎng)卡并點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇屬性，在屬性頁(yè)的“常規(guī)”頁(yè)中點(diǎn)擊“配置”按鈕。在配置屬性頁(yè)中選擇“高級(jí)”，再在“屬性”欄中選擇“Network Address”，在“值”欄中選中輸人框，然后在輸人框中輸人被盜用設(shè)備的MAC地址，MAC地址就修改成功了。

然后再將IP地址配置成被盜用設(shè)備的IP地址。盜用內(nèi)部客戶機(jī)IP地址：將主機(jī)1的MAC地址和IP地址分別修改為主機(jī)2的MAC地址和IP地址。主機(jī)1可以訪問(wèn)外部服務(wù)器，能夠順利地通過(guò)防火墻，訪問(wèn)權(quán)限與主機(jī)2沒(méi)有分別。而且，與此同時(shí)主機(jī)2也可以正常地訪問(wèn)外部服務(wù)器，完全不受主機(jī)1的影響。無(wú)論是主機(jī)2還是防火墻都察覺(jué)不到主機(jī)1的存在。主機(jī)1

如果訪問(wèn)內(nèi)部服務(wù)器，根本無(wú)需通過(guò)防火墻，更是暢通無(wú)阻了。

盜用內(nèi)部服務(wù)器IP地址：將主機(jī)1的MAC地址和U地址修改為內(nèi)部服務(wù)器的MAC地址和IP地址。主機(jī)1也提供Web服務(wù)。為了使效果更明顯，主機(jī)1上提供的Web服務(wù)內(nèi)容與內(nèi)部服務(wù)器提供的內(nèi)容不同。

因?yàn)樵趯?shí)際的實(shí)驗(yàn)中主機(jī)1與主機(jī)2連在同一個(gè)HUB上，主機(jī)2的訪問(wèn)請(qǐng)求總是先被主機(jī)1響應(yīng)，主機(jī)2期望訪問(wèn)的是內(nèi)部服務(wù)器，得到的卻總是主機(jī)1提供的內(nèi)容。更一般地，主機(jī)2如果試圖訪問(wèn)內(nèi)部服務(wù)器，獲得的到底是主機(jī)1提供的內(nèi)容還是內(nèi)部服務(wù)器提供的內(nèi)容具有隨機(jī)性，要看它的訪問(wèn)請(qǐng)求首先被誰(shuí)響應(yīng)，在后面的分析中我們將進(jìn)一步對(duì)此進(jìn)行闡述。

盜用服務(wù)器的MAC和IP危害可能更大，如果主機(jī)1提供的Web內(nèi)容和內(nèi)部服務(wù)器中的內(nèi)容一樣，那么主機(jī)2將無(wú)法識(shí)別它訪問(wèn)的到底是哪個(gè)機(jī)器；如果Web內(nèi)容中要求輸人賬號(hào)、密碼等信息，那么這些信息對(duì)于主機(jī)1來(lái)說(shuō)則是一覽無(wú)遺了。

3 破解成功的原因

上面的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了綁定MAC地址與IP地址的確存在很大的缺陷，無(wú)法有效地防止內(nèi)部IP地址被盜用。接下來(lái)，將從理論上對(duì)該缺陷進(jìn)行詳細(xì)的分析。

缺陷存在的前提是網(wǎng)卡的混雜接收模式，所謂混雜接收模式是指網(wǎng)卡可以接收網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)乃袌?bào)文，無(wú)論其目的MAC地址是否為該網(wǎng)卡的MAC地址。正是由于網(wǎng)卡支持混雜模式，才使網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序支持MAC地址的修改成為可能；否則，就算修改了MAC地址，但是網(wǎng)卡根本無(wú)法接收相應(yīng)地址的報(bào)文，該網(wǎng)卡就變得只能發(fā)送，無(wú)法接收，通信也就無(wú)法正常進(jìn)行了。

MAC地址可以被盜用的直接原因是網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送Ethernet報(bào)文的實(shí)現(xiàn)機(jī)制。Ethernet報(bào)文中的源MAC地址是驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)填寫的，但驅(qū)動(dòng)程序并不從網(wǎng)卡的EEPROM中讀取MAC，而是在內(nèi)存中建立一個(gè)MAC地址緩存區(qū)。網(wǎng)卡初始化的時(shí)候?qū)EPROM中的內(nèi)容讀入到該緩存區(qū)。如果將該緩存區(qū)中的內(nèi)容修改為用戶設(shè)置的MAC地址，以后發(fā)出去的Ethernet報(bào)文的源地址就是修改后的MAC地址了。

如果僅僅是修改MAC地址，地址盜用并不見(jiàn)得能夠得逞。Ethernet是基于廣播的，Ethernet網(wǎng)卡都能監(jiān)聽(tīng)到局域網(wǎng)中傳輸?shù)乃袌?bào)文，但是網(wǎng)卡只接收那些目的地址與自己的MAC地址相匹配的Ethernet報(bào)文。如果有兩臺(tái)具有相同MAC地址的主機(jī)分別發(fā)出訪問(wèn)請(qǐng)求，而這兩個(gè)訪問(wèn)請(qǐng)求的響應(yīng)報(bào)文對(duì)于這兩臺(tái)主機(jī)都是匹配的，那么這兩臺(tái)主機(jī)就不只接收到自己需要的內(nèi)容，而且還會(huì)接收到目的為另外一臺(tái)同MAC主機(jī)的內(nèi)容。

按理說(shuō)，兩臺(tái)主機(jī)因?yàn)榻邮樟硕嘤嗟膱?bào)文后，都應(yīng)該無(wú)法正常工作，盜用馬上就會(huì)被察覺(jué)，盜用也就無(wú)法繼續(xù)了；但是，在實(shí)驗(yàn)中地址被盜用之后，各臺(tái)實(shí)驗(yàn)設(shè)備都可以互不干擾的正常工作。這又是什么原因呢?答案應(yīng)該歸結(jié)于上層使用的協(xié)議。

目前，網(wǎng)絡(luò)中最常用的協(xié)議是TCP/IP協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序一般都是運(yùn)行在TCP或者UDP之上。例如，實(shí)驗(yàn)中Web服務(wù)器采用的HTTP協(xié)議就是基于TCP的。在TCP或者UDP中，標(biāo)志通信雙方的不僅僅是IP地址，還包括端口號(hào)。在一般的應(yīng)用中，用戶端的端口號(hào)并不是預(yù)先設(shè)置的，而是協(xié)議根據(jù)一定的規(guī)則生成的，具有隨機(jī)性。像上面利用IE來(lái)訪問(wèn)Web服務(wù)器就是這樣。UDP或者TCP的端口號(hào)為16位二進(jìn)制數(shù)，兩個(gè)16位的隨機(jī)數(shù)字相等的幾率非常小，恰好相等又談何容易?兩臺(tái)主機(jī)雖然MAC地址和IP地址相同，但是應(yīng)用端口號(hào)不同，接收到的多余數(shù)據(jù)由于在TCP/UDP層找不到匹配的端口號(hào)，被當(dāng)成無(wú)用的數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單地丟棄了，而TCP/UDP層的處理對(duì)于用戶層來(lái)說(shuō)是透明的；所以用戶可以“正確無(wú)誤”地正常使用相應(yīng)的服務(wù)，而不受地址盜用的干擾。

當(dāng)然，某些應(yīng)用程序的用戶端口號(hào)可能是用戶或者應(yīng)用程序自己設(shè)置的，而不是交給協(xié)議來(lái)隨機(jī)的生成。那么，結(jié)果又會(huì)如何呢?例如，在兩臺(tái)MAC地址和IP地址都相同的主機(jī)上，啟動(dòng)了兩個(gè)端口相同的應(yīng)用程序，這兩個(gè)應(yīng)用是不是就無(wú)法正常工作了呢?其實(shí)不盡然。

如果下層使用的是UDP協(xié)議，兩個(gè)應(yīng)用將互相干擾無(wú)法正常工作。如果使用的是TCP協(xié)議，結(jié)果就不一樣了。因?yàn)門CP是面向連接的，為了實(shí)現(xiàn)重發(fā)機(jī)制，保證數(shù)據(jù)的正確傳輸，TCP引入了報(bào)文序列號(hào)和接收窗口的概念。在上述的端口號(hào)匹配的報(bào)文中，只有那些序列號(hào)的偏差屬于接收窗口之內(nèi)的報(bào)文才會(huì)被接收，否則，會(huì)被認(rèn)為是過(guò)期報(bào)文而丟棄。TCP協(xié)議中的報(bào)文的序列號(hào)有32位，每個(gè)應(yīng)用程序發(fā)送的第一個(gè)報(bào)文的序列號(hào)是嚴(yán)格按照隨機(jī)的原則產(chǎn)生的，以后每個(gè)報(bào)文的序列號(hào)依次加1。

窗口的大小有16位，也就是說(shuō)窗口最大可以是216，而序列號(hào)的范圍是232，主機(jī)期望接收的TCP數(shù)據(jù)的序列號(hào)正好也處于對(duì)方的接收范圍之內(nèi)的概率為1/216，可謂小之又小。 TCP的序列號(hào)本來(lái)是為了實(shí)現(xiàn)報(bào)文的正確傳輸，現(xiàn)在卻成了地址盜用的幫兇。

4 解決MAC與IP地址綁定被破解的方法

解決MAC與IP地址綁定被破解的方法很多，，主要以下幾種。

交換機(jī)端口、MAC地址和IP地址三者綁定的方法；代理服務(wù)與防火墻相結(jié)合的方法；用PPPoE協(xié)議進(jìn)行用戶認(rèn)證的方法；基于目錄服務(wù)策略的方法；統(tǒng)一身份認(rèn)證與計(jì)費(fèi)軟件相結(jié)合的方法等。在這里筆者尤其推薦最后一種方法，這種方法是將校園網(wǎng)辦公自動(dòng)化系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)計(jì)費(fèi)軟件結(jié)合在一起而實(shí)現(xiàn)的，這在校園網(wǎng)信息化建設(shè)的今天具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。