MAC地址与IP地址绑定

MAC地址与IP地址绑定

1引言

对“IP地址盗用”的解决方案绝大多数都是采取MAC与IP地址绑定

策略，这种做法是十分危险的，本文将就这个问题进行探讨。在这里需要

声明的是，本文是处于对对MAC与IP地址绑定策略安全的忧虑，不带有

任何黑客性质。

1.1为什么要绑定MAC与IP地址

影响网络安全的因素很多，IP地址盗用或地址欺骗就是其中一个常

见且危害极大的因素。现实中，许多网络应用是基于IP的，比如流量统计、账号控制等都将IP地址作为标志用户的一个重要的参数。如果有人

盗用了合法地址并伪装成合法用户，网络上传输的数据就可能被破坏、窃听，甚至盗用，造成无法弥补的损失。

盗用外部网络的IP地址比较困难，因为路由器等网络互连设备一般

都会设置通过各个端口的IP地址范围，不属于该IP地址范围的报文将无

法通过这些互连设备。但如果盗用的是Ethernet内部合法用户的IP地址，这种网络互连设备显然无能为力了。“道高一尺，魔高一丈”，对于Ethernet内部的IP地址被盗用，当然也有相应的解决办法。绑定MAC地

址与IP地址就是防止内部IP盗用的一个常用的、简单的、有效的措施。

1.2MAC与IP地址绑定原理

IP地址的修改非常容易，而MAC地址存储在网卡的EEPROM中，而且

网卡的MAC地址是唯一确定的。因此，为了防止内部人员进行非法IP盗

用(例如盗用权限更高人员的IP地址，以获得权限外的信息)，可以将内

部网络的IP地址与MAC地址绑定，盗用者即使修改了IP地址，也因MAC

地址不匹配而盗用失败：而且由于网卡MAC地址的唯一确定性，可以根据MAC地址查出使用该MAC地址的网卡，进而查出非法盗用者。

目前，很多单位的内部网络，尤其是学校校园网都采用了MAC地址与

IP地址的绑定技术。许多防火墙（硬件防火墙和软件防火墙）为了防止

网络内部的IP地址被盗用，也都内置了MAC地址与IP地址的绑定功能。

从表面上看来，绑定MAC地址和IP地址可以防止内部IP地址被盗用，但实际上由于各层协议以及网卡驱动等实现技术，MAC地址与IP地址的

绑定存在很大的缺陷，并不能真正防止内部IP地址被盗用。

2破解MAC与IP地址绑定策略

2.1IP地址和MAC地址简介

现行的TCP/IP网络是一个四层协议结构，从下往上依次为链路层、

网络层、传输层和应用层。

Ethernet协议是链路层协议，使用的地址是MAC地址。MAC地址是Ethernet网卡在Ethernet中的硬件标志，网卡生产时将其存于网卡的EEPROM中。网卡的MAC地址各不相同，MAC地址可以唯一标志一块网卡。

在Ethernet上传输的每个报文都含有发送该报文的网卡的MAC地址。

Ethernet根据Ethernet报文头中的源MAC地址和目的MAC来识别报

文的发送端和接收端。IP协议应用于网络层，使用的地址为IP地址。使

用IP协议进行通讯，每个IP报文头中必须含有源IP和目的IP地址，用

以标志该IP报文的发送端和接收端。在Ethernet上使用IP协议传输报

文时，IP报文作为Ethernet报文的数据。IP地址对于Ethernet交换机

或处理器是透明的。用户可以根据实际网络的需要为网卡配置一个或多个

IP地址。MAC地址和IP地址之间并不存在一一对应的关系。

MAC地址存储在网卡的EEPROM中并且唯一确定，但网卡驱动在发送Ethernet报文时，并不从EEPROM中读取MAC地址，而是在内存中来建立

一块缓存区，Ethernet报文从中读取源MAC地址。而且，用户可以通过

操作系统修改实际发送的Ethernet报文中的源MAC地址。既然MAC地址

可以修改，那么MAC地址与IP地址的绑定也就失去了它原有的意义。

2.2破解方案

下图是破解试验的结构示意图。其内部服务器和外部服务器都提供Web服务，防火墙中实现了MAC地址和IP地址的绑定。报文中的源MAC

地址与1P地址对如果无法与防火墙中设

试验需要修改主机1中网卡的MAC和IP地址为被盗用设备的MAC和

IP地址。首先，在控制面板中选择“网络和拨号连接”，选中对应的网

卡并点击鼠标右键，选择属性，在属性页的“常规”页中点击“配置”按钮。在配置属性页中选择“高级”，再在“属性”栏中选择“NetworkAddre”，在“值”栏中选中输人框，然后在输人框中输人被盗

用设备的MAC地址，MAC地址就修改成功了。

然后再将IP地址配置成被盗用设备的IP地址。盗用内部客户机IP

地址：将主机1的MAC地址和IP地址分别修改为主机2的MAC地址和IP

地址。主机1可以访问外部服务器，能够顺利地通过防火墙，访问权限与

主机2没有分别。而且，与此同时主机2也可以正常地访问外部服务器，

完全不受主机1的影响。无论是主机2还是防火墙都察觉不到主机1的存在。主机1如果访问内部服务器，根本无需通过防火墙，更是畅通无阻了。

盗用内部服务器IP地址：将主机1的MAC地址和U地址修改为内部

服务器的MAC地址和IP地址。主机1也提供Web服务。为了使效果更明显，主机1上提供的Web服务内容与内部服务器提供的内容不同。

因为在实际的实验中主机1与主机2连在同一个HUB上，主机2的访问请求总是先被主机1响应，主机2期望访问的是内部服务器，得到的却总是主机1提供的内容。更一般地，主机2如果试图访问内部服务器，获得的到底是主机1提供的内容还是内部服务器提供的内容具有随机性，要看它的访问请求首先被谁响应，在后面的分析中我们将进一步对此进行阐述。

盗用服务器的MAC和IP危害可能更大，如果主机1提供的Web内容和内部服务器中的内容一样，那么主机2将无法识别它访问的到底是哪个机器；如果Web内容中要求输人账号、密码等信息，那么这些信息对于主机1来说则是一览无遗了。

3破解成功的原因

上面的实验验证了绑定MAC地址与IP地址的确存在很大的缺陷，无法有效地防止内部IP地址被盗用。接下来，将从理论上对该缺陷进行详细的分析。

缺陷存在的前提是网卡的混杂接收模式，所谓混杂接收模式是指网卡可以接收网络上传输的所有报文，无论其目的MAC地址是否为该网卡的MAC地址。正是由于网卡支持混杂模式，才使网卡驱动程序支持MAC地址的修改成为可能；否则，就算修改了MAC地址，但是网卡根本无法接收相应地址的报文，该网卡就变得只能发送，无法接收，通信也就无法正常进行了。

MAC地址可以被盗用的直接原因是网卡驱动程序发送Ethernet报文的实现机制。Ethernet报文中的源MAC地址是驱动程序负责填写的，但驱动程序并不从网卡的EEPROM中读取MAC，而是在内存中建立一个MAC 地址缓存区。网卡初始化的时候将EEPROM中的内容读入到该缓存区。如

果将该缓存区中的内容修改为用户设置的MAC地址，以后发出去的Ethernet报文的源地址就是修改后的MAC地址了。

如果仅仅是修改MAC地址，地址盗用并不见得能够得逞。Ethernet 是基于广播的，Ethernet网卡都能监听到局域网中传输的所有报文，但是网卡只接收那些目的地址与自己的MAC地址相匹配的Ethernet报文。如果有两台具有相同MAC地址的主机分别发出访问请求，而这两个访问请求的响应报文对于这两台主机都是匹配的，那么这两台主机就不只接收到自己需要的内容，而且还会接收到目的为另外一台同MAC主机的内容。

按理说，两台主机因为接收了多余的报文后，都应该无法正常工作，盗用马上就会被察觉，盗用也就无法继续了；但是，在实验中地址被盗用之后，各台实验设备都可以互不干扰的正常工作。这又是什么原因呢答案应该归结于上层使用的协议。

目前，网络中最常用的协议是TCP/IP协议，网络应用程序一般都是运行在TCP或者UDP之上。例如，实验中Web服务器采用的HTTP协议就是基于TCP的。在TCP或者UDP中，标志通信双方的不仅仅是IP地址，还包括端口号。在一般的应用中，用户端的端口号并不是预先设置的，而是协议根据一定的规则生成的，具有随机性。像上面利用IE来访问Web 服务器就是这样。UDP或者TCP的端口号为16位二进制数，两个16位的随机数字相等的几率非常小，恰好相等又谈何容易两台主机虽然MAC地址和IP地址相同，但是应用端口号不同，接收到的多余数据由于在

TCP/UDP层找不到匹配的端口号，被当成无用的数据简单地丢弃了，而TCP/UDP层的处理对于用户层来说是透明的；所以用户可以“正确无误”地正常使用相应的服务，而不受地址盗用的干扰。

当然，某些应用程序的用户端口号可能是用户或者应用程序自己设置的，而不是交给协议来随机的生成。那么，结果又会如何呢例如，在两台MAC地址和IP地址都相同的主机上，启动了两个端口相同的应用程序，

这两个应用是不是就无法正常工作了呢其实不尽然。

如果下层使用的是UDP协议，两个应用将互相干扰无法正常工作。如

果使用的是TCP协议，结果就不一样了。因为TCP是面向连接的，为了实

现重发机制，保证数据的正确传输，TCP引入了报文序列号和接收窗口的

概念。在上述的端口号匹配的报文中，只有那些序列号的偏差属于接收窗

口之内的报文才会被接收，否则，会被认为是过期报文而丢弃。TCP协议

中的报文的序列号有32位，每个应用程序发送的第一个报文的序列号是

严格按照随机的原则产生的，以后每个报文的序列号依次加1。

窗口的大小有16位，也就是说窗口最大可以是216，而序列号的范

围是232，主机期望接收的TCP数据的序列号正好也处于对方的接收范围

之内的概率为1/216，可谓小之又小。TCP的序列号本来是为了实现报文

的正确传输，现在却成了地址盗用的帮凶。

4解决MAC与IP地址绑定被破解的方法

解决MAC与IP地址绑定被破解的方法很多，主要以下几种。

交换机端口、MAC地址和IP地址三者绑定的方法；代理服务与防火

墙相结合的方法；用PPPoE协议进行用户认证的方法；基于目录服务策略

的方法；统一身份认证与计费软件相结合的方法等（这些方法的实现原理

和过程可以参考拙作《校园网IP地址盗用解决方案》）。在这里笔者尤

其推荐最后一种方法，这种方法是将校园网办公自动化系统和网络计费软

件结合在一起而实现的，这在校园网信息化建设的今天具有很强的实践性。