1 引言

對“IP地址盜用”的解決方案絕大多數都是采取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。

1.1 為什么要綁定MAC與IP 地址

影響網絡安全的因素很多，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。現實中，許多網絡應用是基于IP的，比如流量統計、賬號控制等都將IP地址作為標志用戶的一個重要的參數。如果有人盜用了合法地址并偽裝成合法用戶，網絡上傳輸的數據就可能被破壞、竊聽，甚至盜用，造成無法彌補的損失。

盜用外部網絡的IP地址比較困難，因為路由器等網絡互連設備一般都會設置通過各個端口的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備。但如果盜用的是Ethernet內部合法用戶的IP地址，這種網絡互連設備顯然無能為力了。“道高一尺，魔高一丈”，對于Ethernet內部的IP地址被盜用，當然也有相應的解決辦法。綁定MAC地址與IP地址就是防止內部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地址存儲在網卡的EEPROM中，而且網卡的MAC地址是唯一確定的。因此，為了防止內部人員進行非法IP盜用(例如盜用權限更高人員的IP地址，以獲得權限外的信息)，可以將內部網絡的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：而且由于網卡MAC地址的唯一確定性，可以根據MAC地址查出使用該MAC地址的網卡，進而查出非法盜用者。

目前，很多單位的內部網絡，尤其是學校校園網都采用了MAC地址與IP地址的綁定技術。許多防火墻（硬件防火墻和軟件防火墻）為了防止網絡內部的IP地址被盜用，也都內置了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地址可以防止內部IP地址被盜用，但實際上由于各層協議以及網卡驅動等實現技術，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

現行的TCP/IP網絡是一個四層協議結構，從下往上依次為鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層。

Ethernet協議是鏈路層協議，使用的地址是MAC地址。MAC地址是Ethernet網卡在Ethernet中的硬件標志，網卡生產時將其存于網卡的EEPROM中。網卡的MAC地址各不相同，MAC地址可以唯一標志一塊網卡。在Ethernet上傳輸的每個報文都含有發送該報文的網卡的MAC地址。

Ethernet根據Ethernet報文頭中的源MAC地址和目的MAC來識別報文的發送端和接收端。IP協議應用于網絡層，使用的地址為IP地址。使用IP協議進行通訊，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報文的發送端和接收端。在Ethernet上使用IP協議傳輸報文時，IP報文作為Ethernet報文的數據。IP地址對于Ethernet交換機或處理器是透明的。用戶可以根據實際網絡的需要為網卡配置一個或多個IP地址。MAC地址和IP地址之間并不存在一一對應的關系。

MAC地址存儲在網卡的EEPROM中并且唯一確定，但網卡驅動在發送Ethernet報文時，并不從EEPROM中讀取MAC地址，而是在內存中來建立一塊緩存區，Ethernet報文從中讀取源MAC地址。而且，用戶可以通過操作系統修改實際發送的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構示意圖。其內部服務器和外部服務器都提供Web服務，防火墻中實現了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和內部服務器都是內部網絡中的合法機器；主機1是為了做實驗而新加入的機器。安裝的操作系統是W2000企業版，網卡是3Com的。

試驗需要修改主機1中網卡的MAC和IP地址為被盜用設備的MAC和IP地址。首先，在控制面板中選擇“網絡和撥號連接”，選中對應的網卡并點擊鼠標右鍵，選擇屬性，在屬性頁的“常規”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備的IP地址。盜用內部客戶機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可以訪問外部服務器，能夠順利地通過防火墻，訪問權限與主機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

如果訪問內部服務器，根本無需通過防火墻，更是暢通無阻了。

盜用內部服務器IP地址：將主機1的MAC地址和U地址修改為內部服務器的MAC地址和IP地址。主機1也提供Web服務。為了使效果更明顯，主機1上提供的Web服務內容與內部服務器提供的內容不同。

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，主機2期望訪問的是內部服務器，得到的卻總是主機1提供的內容。更一般地，主機2如果試圖訪問內部服務器，獲得的到底是主機1提供的內容還是內部服務器提供的內容具有隨機性，要看它的訪問請求首先被誰響應，在后面的分析中我們將進一步對此進行闡述。

盜用服務器的MAC和IP危害可能更大，如果主機1提供的Web內容和內部服務器中的內容一樣，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卡的混雜接收模式，所謂混雜接收模式是指網卡可以接收網絡上傳輸的所有報文，無論其目的MAC地址是否為該網卡的MAC地址。正是由于網卡支持混雜模式，才使網卡驅動程序支持MAC地址的修改成為可能；否則，就算修改了MAC地址，但是網卡根本無法接收相應地址的報文，該網卡就變得只能發送，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卡驅動程序發送Ethernet報文的實現機制。Ethernet報文中的源MAC地址是驅動程序負責填寫的，但驅動程序并不從網卡的EEPROM中讀取MAC，而是在內存中建立一個MAC地址緩存區。網卡初始化的時候將EEPROM中的內容讀入到該緩存區。如果將該緩存區中的內容修改為用戶設置的MAC地址，以后發出去的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網卡都能監聽到局域網中傳輸的所有報文，但是網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地址的主機分別發出訪問請求，而這兩個訪問請求的響應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容，而且還會接收到目的為另外一臺同MAC主機的內容。

按理說，兩臺主機因為接收了多余的報文后，都應該無法正常工作，盜用馬上就會被察覺，盜用也就無法繼續了；但是，在實驗中地址被盜用之后，各臺實驗設備都可以互不干擾的正常工作。這又是什么原因呢?答案應該歸結于上層使用的協議。

目前，網絡中最常用的協議是TCP/IP協議，網絡應用程序一般都是運行在TCP或者UDP之上。例如，實驗中Web服務器采用的HTTP協議就是基于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。在一般的應用中，用戶端的端口號并不是預先設置的，而是協議根據一定的規則生成的，具有隨機性。像上面利用IE來訪問Web服務器就是這樣。UDP或者TCP的端口號為16位二進制數，兩個16位的隨機數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，但是應用端口號不同，接收到的多余數據由于在TCP/UDP層找不到匹配的端口號，被當成無用的數據簡單地丟棄了，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”地正常使用相應的服務，而不受地址盜用的干擾。

當然，某些應用程序的用戶端口號可能是用戶或者應用程序自己設置的，而不是交給協議來隨機的生成。那么，結果又會如何呢?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用程序，這兩個應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協議，兩個應用將互相干擾無法正常工作。如果使用的是TCP協議，結果就不一樣了。因為TCP是面向連接的，為了實現重發機制，保證數據的正確傳輸，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的報文才會被接收，否則，會被認為是過期報文而丟棄。TCP協議中的報文的序列號有32位，每個應用程序發送的第一個報文的序列號是嚴格按照隨機的原則產生的，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數據的序列號正好也處于對方的接收范圍之內的概率為1/216，可謂小之又小。 TCP的序列號本來是為了實現報文的正確傳輸，現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；代理服務與防火墻相結合的方法；用PPPoE協議進行用戶認證的方法；基于目錄服務策略的方法；統一身份認證與計費軟件相結合的方法等。在這里筆者尤其推薦最后一種方法，這種方法是將校園網辦公自動化系統和網絡計費軟件結合在一起而實現的，這在校園網信息化建設的今天具有很強的實踐性。