1 引言

對“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的，本文將就這個問題進行探討。在這里需要聲明的是，本文是處于對對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常見且危害極大的因素。現(xiàn)實中，許多網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用是基于IP的，比如流量統(tǒng)計、賬號控制等都將IP地址作為標志用戶的一個重要的參數(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，甚至盜用，造成無法彌補的損失。

盜用外部網(wǎng)絡(luò)的IP地址比較困難，因為路由器等網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備一般都會設(shè)置通過各個端口的IP地址范圍，不屬于該IP地址范圍的報文將無法通過這些互連設(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)備顯然無能為力了。“道高一尺，魔高一丈”，對于Ethernet內(nèi)部的IP地址被盜用，當然也有相應(yīng)的解決辦法。綁定MAC地址與IP地址就是防止內(nèi)部IP盜用的一個常用的、簡單的、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敗：而且由于網(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，綁定MAC地址和IP地址可以防止內(nèi)部IP地址被盜用，但實際上由于各層協(xié)議以及網(wǎng)卡驅(qū)動等實現(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地址簡介

現(xiàn)行的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)是一個四層協(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中的硬件標志，網(wǎng)卡生產(chǎn)時將其存于網(wǎng)卡的EEPROM中。網(wǎng)卡的MAC地址各不相同，MAC地址可以唯一標志一塊網(wǎng)卡。在Ethernet上傳輸?shù)拿總€報文都含有發(fā)送該報文的網(wǎng)卡的MAC地址。

Ethernet根據(jù)Ethernet報文頭中的源MAC地址和目的MAC來識別報文的發(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)議進行通訊，每個IP報文頭中必須含有源IP和目的IP地址，用以標志該IP報文的發(fā)送端和接收端。在Ethernet上使用IP協(xié)議傳輸報文時，IP報文作為Ethernet報文的數(shù)據(jù)。IP地址對于Ethernet交換機或處理器是透明的。用戶可以根據(jù)實際網(wǎng)絡(luò)的需要為網(wǎng)卡配置一個或多個IP地址。MAC地址和IP地址之間并不存在一一對應(yīng)的關(guān)系。

MAC地址存儲在網(wǎng)卡的EEPROM中并且唯一確定，但網(wǎng)卡驅(qū)動在發(fā)送Ethernet報文時，并不從EEPROM中讀取MAC地址，而是在內(nèi)存中來建立一塊緩存區(qū)，Ethernet報文從中讀取源MAC地址。而且，用戶可以通過操作系統(tǒng)修改實際發(fā)送的Ethernet報文中的源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)，防火墻中實現(xiàn)了MAC地址和IP地址的綁定。報文中的源MAC地址與1P地址對如果無法與防火墻中設(shè)置的MAC地址與1P地址對匹配，將無法通過防火墻。主機2和內(nèi)部服務(wù)器都是內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中的合法機器；主機1是為了做實驗而新加入的機器。安裝的操作系統(tǒng)是W2000企業(yè)版，網(wǎng)卡是3Com的。

試驗需要修改主機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)和撥號連接”，選中對應(yīng)的網(wǎng)卡并點擊鼠標右鍵，選擇屬性，在屬性頁的“常規(guī)”頁中點擊“配置”按鈕。在配置屬性頁中選擇“高級”，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IP地址：將主機1的MAC地址和IP地址分別修改為主機2的MAC地址和IP地址。主機1可以訪問外部服務(wù)器，能夠順利地通過防火墻，訪問權(quán)限與主機2沒有分別。而且，與此同時主機2也可以正常地訪問外部服務(wù)器，完全不受主機1的影響。無論是主機2還是防火墻都察覺不到主機1的存在。主機1

如果訪問內(nèi)部服務(wù)器，根本無需通過防火墻，更是暢通無阻了。

盜用內(nèi)部服務(wù)器IP地址：將主機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1也提供Web服務(wù)。為了使效果更明顯，主機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。

因為在實際的實驗中主機1與主機2連在同一個HUB上，主機2的訪問請求總是先被主機1響應(yīng)，主機2期望訪問的是內(nèi)部服務(wù)器，得到的卻總是主機1提供的內(nèi)容。更一般地，主機2如果試圖訪問內(nèi)部服務(wù)器，獲得的到底是主機1提供的內(nèi)容還是內(nèi)部服務(wù)器提供的內(nèi)容具有隨機性，要看它的訪問請求首先被誰響應(yīng)，在后面的分析中我們將進一步對此進行闡述。

盜用服務(wù)器的MAC和IP危害可能更大，如果主機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2將無法識別它訪問的到底是哪個機器；如果Web內(nèi)容中要求輸人賬號、密碼等信息，那么這些信息對于主機1來說則是一覽無遺了。

3 破解成功的原因

上面的實驗驗證了綁定MAC地址與IP地址的確存在很大的缺陷，無法有效地防止內(nèi)部IP地址被盜用。接下來，將從理論上對該缺陷進行詳細的分析。

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袌笪模瑹o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)卡根本無法接收相應(yīng)地址的報文，該網(wǎng)卡就變得只能發(fā)送，無法接收，通信也就無法正常進行了。

MAC地址可以被盜用的直接原因是網(wǎng)卡驅(qū)動程序發(fā)送Ethernet報文的實現(xiàn)機制。Ethernet報文中的源MAC地址是驅(qū)動程序負責填寫的，但驅(qū)動程序并不從網(wǎng)卡的EEPROM中讀取MAC，而是在內(nèi)存中建立一個MAC地址緩存區(qū)。網(wǎng)卡初始化的時候?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，地址盜用并不見得能夠得逞。Ethernet是基于廣播的，Ethernet網(wǎng)卡都能監(jiān)聽到局域網(wǎng)中傳輸?shù)乃袌笪模蔷W(wǎng)卡只接收那些目的地址與自己的MAC地址相匹配的Ethernet報文。如果有兩臺具有相同MAC地址的主機分別發(fā)出訪問請求，而這兩個訪問請求的響應(yīng)報文對于這兩臺主機都是匹配的，那么這兩臺主機就不只接收到自己需要的內(nèi)容，而且還會接收到目的為另外一臺同MAC主機的內(nèi)容。

按理說，兩臺主機因為接收了多余的報文后，都應(yīng)該無法正常工作，盜用馬上就會被察覺，盜用也就無法繼續(xù)了；但是，在實驗中地址被盜用之后，各臺實驗設(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)用程序一般都是運行在TCP或者UDP之上。例如，實驗中Web服務(wù)器采用的HTTP協(xié)議就是基于TCP的。在TCP或者UDP中，標志通信雙方的不僅僅是IP地址，還包括端口號。在一般的應(yīng)用中，用戶端的端口號并不是預(yù)先設(shè)置的，而是協(xié)議根據(jù)一定的規(guī)則生成的，具有隨機性。像上面利用IE來訪問Web服務(wù)器就是這樣。UDP或者TCP的端口號為16位二進制數(shù)，兩個16位的隨機數(shù)字相等的幾率非常小，恰好相等又談何容易?兩臺主機雖然MAC地址和IP地址相同，但是應(yīng)用端口號不同，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，被當成無用的數(shù)據(jù)簡單地丟棄了，而TCP/UDP層的處理對于用戶層來說是透明的；所以用戶可以“正確無誤”地正常使用相應(yīng)的服務(wù)，而不受地址盜用的干擾。

當然，某些應(yīng)用程序的用戶端口號可能是用戶或者應(yīng)用程序自己設(shè)置的，而不是交給協(xié)議來隨機的生成。那么，結(jié)果又會如何呢?例如，在兩臺MAC地址和IP地址都相同的主機上，啟動了兩個端口相同的應(yīng)用程序，這兩個應(yīng)用是不是就無法正常工作了呢?其實不盡然。

如果下層使用的是UDP協(xié)議，兩個應(yīng)用將互相干擾無法正常工作。如果使用的是TCP協(xié)議，結(jié)果就不一樣了。因為TCP是面向連接的，為了實現(xiàn)重發(fā)機制，保證數(shù)據(jù)的正確傳輸，TCP引入了報文序列號和接收窗口的概念。在上述的端口號匹配的報文中，只有那些序列號的偏差屬于接收窗口之內(nèi)的報文才會被接收，否則，會被認為是過期報文而丟棄。TCP協(xié)議中的報文的序列號有32位，每個應(yīng)用程序發(fā)送的第一個報文的序列號是嚴格按照隨機的原則產(chǎn)生的，以后每個報文的序列號依次加1。

窗口的大小有16位，也就是說窗口最大可以是216，而序列號的范圍是232，主機期望接收的TCP數(shù)據(jù)的序列號正好也處于對方的接收范圍之內(nèi)的概率為1/216，可謂小之又小。 TCP的序列號本來是為了實現(xiàn)報文的正確傳輸，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)議進行用戶認證的方法；基于目錄服務(wù)策略的方法；統(tǒng)一身份認證與計費軟件相結(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)辦公自動化系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)計費軟件結(jié)合在一起而實現(xiàn)的，這在校園網(wǎng)信息化建設(shè)的今天具有很強的實踐性。