??? 摘? 要： 對中小企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)管理現(xiàn)狀進行分析，針對地址盜用問題，探討了發(fā)生原因和防盜機理，提出了對應(yīng)的解決方案。通過監(jiān)聽基于以太網(wǎng)技術(shù)的局域網(wǎng)上傳送的數(shù)據(jù)幀，實時過濾并分析ARP數(shù)據(jù)包，得到上網(wǎng)計算機的IP-MAC地址對照表，找出非法上網(wǎng)的用戶，實現(xiàn)警告和上網(wǎng)限制。利用SoPC技術(shù)設(shè)計了一臺體積小、使用靈活、低價、高效的嵌入式IP地址防盜監(jiān)控儀，給出了軟硬件設(shè)計方案，利用嵌入式系統(tǒng)調(diào)試通過，在實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中完成測試，性能穩(wěn)定可靠。?

??? 關(guān)鍵詞： 局域網(wǎng); 地址盜用; MAC; SoPC

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??? 很多中小型企業(yè)在網(wǎng)絡(luò)安全方面的投入很少，通常僅依靠帶簡單防火墻功能的寬帶路由器設(shè)備，這雖然能夠防止外部黑客的入侵，但對處在防火墻內(nèi)部的員工或訪客造成的安全問題沒有任何作用。由于安全意識的缺失，在網(wǎng)絡(luò)布線工程完成之后，就很少投入人力物力，很少配備專職的網(wǎng)絡(luò)管理員，因此很容易出現(xiàn)各式各樣的網(wǎng)絡(luò)安全事件。最常見的問題是網(wǎng)絡(luò)IP地址盜用問題。?

??? 本文給出一種利用SoPC(System-on-a-Programmable-Chip)技術(shù)實現(xiàn)的、面向中小網(wǎng)絡(luò)、低價位、可靠的嵌入式IP地址防盜監(jiān)控方案。從管理學(xué)層面對網(wǎng)內(nèi)IP地址的管理進行探討;在技術(shù)層面研究網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，分析發(fā)生原理，找出IP地址盜用問題的原因和表現(xiàn)形式，從而找出根治辦法,在實現(xiàn)層面對開放源代碼的嵌入式操作系統(tǒng)進行深入分析和裁剪，利用嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)基于嵌入式硬件的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，能顯著降低企業(yè)中兼職網(wǎng)管的工作量，確保網(wǎng)絡(luò)正常使用。?

1 地址防盜機理?

1.1 地址盜用分析?

??? 經(jīng)過對企業(yè)網(wǎng)絡(luò)跟蹤監(jiān)控發(fā)現(xiàn)，地址盜用的用戶，除Legitimate(合法的)用戶以外，還有3種類型的惡意用戶：Masquerader(偽裝者)、Misfeasor(違法者)和Clandestined User(秘密活動者)^[1]。?

??? (1) Masquerader：此類人可能是為了逃避網(wǎng)絡(luò)計費，事先收集到別的用戶地址，用IP地址盜用的辦法，將網(wǎng)絡(luò)流量計費轉(zhuǎn)嫁到他人身上。?

??? (2) Misfeasor：此類人一般是合法用戶，由于重裝系統(tǒng)等因素重新設(shè)定IP地址，但是輸入錯誤或是忘記自己的合法地址而胡亂設(shè)置。近兩年ARP類病毒或木馬也造成類似的網(wǎng)絡(luò)故障。?

??? (3) Clandestined User：此類人可能是無上網(wǎng)權(quán)限的人或外來人員，為了某種目的，隱藏自己的身份或企圖冒充合法用戶身份來逃避追蹤。?

1.2 對策分析?

??? 為了解決這些問題，大型網(wǎng)絡(luò)一般采用可網(wǎng)管型交換機進行地址綁定，更好的方式是用認(rèn)證計費系統(tǒng)，但硬件改造投資比較大，不適合小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。中小型企業(yè)網(wǎng)中更多的是依靠兼職網(wǎng)管人工操作，工作量非常大。故采用嵌入式技術(shù)開發(fā)廉價的網(wǎng)絡(luò)地址監(jiān)控系統(tǒng)，以實現(xiàn)實時監(jiān)控和自動化響應(yīng)與處理。?

??? 對網(wǎng)絡(luò)進行全天候監(jiān)控，將網(wǎng)絡(luò)上所有ARP廣播信息截獲，提取信息生成IP-MAC二元組對照表。對當(dāng)前網(wǎng)段所有未用IP地址也生成特殊的IP-MAC二元組，即MAC字段設(shè)為000000000001這種非法的值。該表經(jīng)由網(wǎng)管員確認(rèn)后，作為合法用戶表。如果網(wǎng)管員無暇處理時，自動對某一時間段的數(shù)據(jù)利用概率統(tǒng)計算法生成該表。?

??? 對于Masquerader和Misfeasor：對照合法用戶列表，只需發(fā)現(xiàn)ARP廣播包中IP-MAC二元組不相符合，就表明有盜用的嫌疑。如果此用戶是Legitimate，會自行重復(fù)修改IP地址，不斷試驗，此時發(fā)送一個ARP-Relay包，告知該IP已經(jīng)使用，則對方的PC機會提示“IP地址重復(fù)”并自動禁用網(wǎng)卡的TCP/IP棧。系統(tǒng)自動記錄盜用次數(shù)，如果發(fā)現(xiàn)超過設(shè)定次數(shù)，最終封閉MAC地址，并產(chǎn)生Alert消息，由網(wǎng)管員通過行政手段處理。ARP類病毒或木馬，一種是盜用網(wǎng)關(guān)設(shè)備的地址，攔截用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)；一種是盜用用戶的IP從中截獲數(shù)據(jù)。還有些蠕蟲病毒為了加快傳播，會發(fā)送虛假的IP數(shù)據(jù)包，處理方法同上。?

??? 對于Clandestined User：通常先利用可上網(wǎng)的電腦來探測網(wǎng)絡(luò)，找出合法IP及對應(yīng)的MAC地址，通過修改網(wǎng)卡的Flash芯片或者修改注冊表，獲得合法地址，繼而進行秘密活動。這是最復(fù)雜的情況，即使合法用戶和盜用者同時開機，也不會出現(xiàn)IP沖突的提示。但對于可網(wǎng)管型的交換機內(nèi)部維護的FDB(Forwarding Database)地址表中，相應(yīng)的MAC地址對應(yīng)的端口就會經(jīng)常變化，據(jù)此就能予以辨別，隨后詳細(xì)記錄日志，并發(fā)送警報信息通知管理員處理。這樣就需要監(jiān)控器能讀取FDB表，才能得知是否有相同的MAC從不同端口進入，進而關(guān)閉該端口，隔離破壞者。?

1.3 封鎖方法?

??? 為了封鎖用戶上網(wǎng)，一般需要可網(wǎng)管交換機的配合。一般中小企業(yè)的核心交換機通常都是可網(wǎng)管型的，但是配置交換機需要專業(yè)人士，本設(shè)備可以實現(xiàn)自動配置，降低了對網(wǎng)管的技術(shù)要求。與交換機交互設(shè)置的常見方案為采用SNMP協(xié)議，但由于編程復(fù)雜，且很多交換機廠商并沒有嚴(yán)格遵循SNMP協(xié)議，故很難實現(xiàn)。本設(shè)備采用另外一種方法，就是模擬管理員手工配置交換機的過程，先利用Telnet協(xié)議登錄交換機，輸入用戶名和密碼，再輸入超級管理員密碼，發(fā)送配置指令。例如要禁止MAC地址為000c.2927.fe4d的計算機，在港灣的交換機上輸入命令：?

??? C:telnet xxx.xxx.xxxx.xxx(核心交換機IP）?

??? Login:admin 輸入用戶名和密碼?

??? Password:?

??? Harbour>en? 進入特權(quán)模式，輸入超極管理員密碼?

2 系統(tǒng)功能設(shè)計?

2.1 功能?

??? (1) IP沖突檢測與處理：判斷IP的合法性，再對檢測出的非法IP依據(jù)既定的處理方式進行處理，從而有效防止局域網(wǎng)內(nèi)的IP沖突和盜用。?

??? (2) 計算機聯(lián)網(wǎng)信息統(tǒng)計：適時分析網(wǎng)內(nèi)計算機的活動狀況，把在線狀態(tài)、活動時間等作為日志信息保存。為網(wǎng)絡(luò)管理員提供材料作為IP地址管理與分析的依據(jù)。?

??? (3) 服務(wù)器通信：系統(tǒng)設(shè)置了NTP和FTP兩個服務(wù)器。NTP時間服務(wù)器部署在局域網(wǎng)內(nèi)，做為本系統(tǒng)時間同步的時鐘源；FTP服務(wù)器用于保存系統(tǒng)日志文件，并存有系統(tǒng)使用的配置文件信息以及合法IP-MAC地址信息。?

??? (4) 時間同步：時間同步是從局域網(wǎng)內(nèi)的NTP時間服務(wù)器獲取當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)時間，從而可以為本系統(tǒng)提供時間校準(zhǔn)與維護。?

硬件實現(xiàn)的基本功能如表1所示，軟件實現(xiàn)的基本功能如表2所示。?

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2.2 開發(fā)平臺?

??? 本開發(fā)平臺可選用SoPC技術(shù)^[2]、單片機(MCU)和ARM嵌入式系統(tǒng)。由于單片機對TCP/IP協(xié)議棧支持很差，而ARM雖處理能力強，但有些大材小用，因此最終采用SoPC技術(shù)實現(xiàn)。在Altera DE2上進行原型設(shè)計與開發(fā)測試，最終使用HardCopy系列器件實現(xiàn)產(chǎn)品化。?

2.3 系統(tǒng)使用方法?

??? 根據(jù)TCP/IP棧中ARP協(xié)議原理，計算機在開始通信前都會發(fā)出廣播包，告知本機使用的IP地址信息，并獲取網(wǎng)管及各個服務(wù)器的IP-MAC信息。因此與其他網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控或入侵檢測系統(tǒng)不同，所安裝的網(wǎng)絡(luò)無需改造，也不用增加TAP(網(wǎng)絡(luò)分接器)或集線器等設(shè)備，接到核心交換機的任意端口即可。?

3? 硬件系統(tǒng)設(shè)計?

??? 本系統(tǒng)以嵌入式處理器NiosII^[4]為核心，設(shè)計了顯示系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)、鍵盤控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接口。系統(tǒng)框圖如圖1所示。?

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??? 為了完成監(jiān)視和控制功能，還需要利用網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)管專用機提供FTP服務(wù)器完成日志的備份和配置信息的更新，并利用因特網(wǎng)上的NTP網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器進行自動校時服務(wù)。?

??? 系統(tǒng)硬件在SoPC Builder上設(shè)計，采用的IP軟核清單如表3所示。?

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4 軟件系統(tǒng)設(shè)計?

4.1操作系統(tǒng)選型?

??? 嵌入式操作系統(tǒng)有μcLinux、μC/OSII^[3]、eCos。每個操作系統(tǒng)各有特色，從移植的難易程度、內(nèi)核的大小、實時性等因素出發(fā)，選擇μC/OSII。NiosII IDE中嵌入了μC/OSII，可以快速地為NiosII處理器建立RTOS應(yīng)用。這個內(nèi)核是可移植、可固化、可裁剪，具有搶占式的實時多任務(wù)功能的操作系統(tǒng)。?

4.2 TCP/IP協(xié)議棧選型?

??? 支持TCP/IP協(xié)議棧的主要有μIP、TinyTcp、μC/IP、lwIP幾種，每一種都有其特點與使用范圍。lwIP是開源的輕量型協(xié)議棧，沒有操作系統(tǒng)針對性，通過系統(tǒng)模擬層將協(xié)議棧中與平臺相關(guān)的代碼抽象出來，具有靈活可移植性，并且lwIP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)提供了API接口，極大的方便了應(yīng)用開發(fā)。由于本系統(tǒng)開發(fā)中選用的操作系統(tǒng)是μC/OS，且Nios II IDE支持lwIP協(xié)議棧，使得移植更方便，所以選用lwIP。?

4.3 應(yīng)用軟件功能設(shè)計?

??? 應(yīng)用軟件是建立在操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上的軟件系統(tǒng)，得益于μC/OSII良好的實時多進程的優(yōu)點，能夠同時完成人機交互、數(shù)據(jù)處理等主要工作。最核心的功能模塊是IP沖突檢測與處理模塊，主要完成對ARP包的解析、判斷是否合法、記錄日志等工作。另一個模塊是包發(fā)送模塊，它是主動方式運作，能夠掃描整個網(wǎng)絡(luò)，強制更新ARP表，對照合法的IP-MAC地址列表找出盜用者，還可以對盜用IP地址的人發(fā)出警告，阻止其上網(wǎng)，還可以探測并記錄各主機的開機或關(guān)機狀態(tài)。?

4.4 文件系統(tǒng)選型?

??? 本系統(tǒng)采用SD卡存儲數(shù)據(jù)，在其上建立文件存取時，首先要建立文件系統(tǒng)。表4是三種類型數(shù)據(jù)文件所需的文件操作、保密要求及其空間占用情況。?

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??? Altera公司雖提供了Zip File System，但它在存儲介質(zhì)、存儲量以及寫入操作方面已經(jīng)不能滿足要求；而SD卡的可拔插性和FAT/FAT32的通用性，使建立在SD卡上的FAT/FAT32并不具有很強的保密性，同時在寫入數(shù)據(jù)到文件之前需要查表，不能滿足高速的要求，而且實現(xiàn)文件系統(tǒng)的建立也需要一定的代碼量；NTFS雖然具有保密性，但其存取速度同樣不能滿足要求，實現(xiàn)起來則更為復(fù)雜。基于以上原因，本系統(tǒng)在實現(xiàn)了基本的SD卡讀取操作后，對SD卡存取空間進行了劃分，實現(xiàn)了一個簡單、高效同時具有保密性的自定義文件系統(tǒng)。對分區(qū)數(shù)據(jù)的讀寫操作是通過對SD卡驅(qū)動的直接讀寫操作進行簡單封裝實現(xiàn)的，同時數(shù)據(jù)的存儲無需查表等額外操作，因此具有高效性。分區(qū)數(shù)據(jù)的記錄則是將需要存儲的數(shù)據(jù)放入程序內(nèi)部的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)后寫入SD卡來存儲的，具有一定的保密性。?

4.5 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)規(guī)劃?

??? 本設(shè)備可以作為手持式設(shè)備臨時地調(diào)試監(jiān)控，也可以固定在機柜中進行長期觀察。為了方便網(wǎng)絡(luò)管理員的操作，提供了Telnet遠程操作功能，可以自動將系統(tǒng)日志、警報信息等上傳至網(wǎng)管專用機上，還能自動下載最新的配置文件進行設(shè)置，并且，為了生成規(guī)范的日志，還提供了自動校時功能。這些功能依次對應(yīng)Telnet服務(wù)模塊、FTP服務(wù)模塊、NTP服務(wù)模塊。?

4.6 軟件流程圖?

??? 應(yīng)用軟件中最重要的模塊是IP沖突檢測與處理的實現(xiàn)。IP沖突檢測是在捕獲ARP包的基礎(chǔ)上對ARP包中的源IP和源MAC進行分析，從而判斷該數(shù)據(jù)包的IP地址是否產(chǎn)生了沖突或者是非法的IP地址。其中檢測通過包的主分析進程完成，其流程圖如圖2所示。處理操作通過包發(fā)送進程完成，其流程如圖3所示。?

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??? 基于SoPC技術(shù)，利用QuartusII開發(fā)軟件，在以Nios II為核心的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計平臺上進行設(shè)計，能靈活、快捷地完成系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)。該設(shè)備使用方便、靈活、高效價格低廉，可作手持式臨時調(diào)試監(jiān)控，也可長期固定實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視和IP盜用處理，非常適合于中小企業(yè)網(wǎng)。?

參考文獻?

[1] ANDERSON J P. Computer security threat monitoring and surveillance[R]. James P Anderson Co, Fort Washington,Pennsylvania, 1980. ?

[2]?潘松.SOPC技術(shù)實用教程.北京:清華大學(xué)出版社，2005.?

[3]?JEAN J,LABROSSE著. 嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II(第2版)，邵貝貝譯.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003.?

[4] 彭澄廉.挑戰(zhàn)SOC——基于NIOS的SOPC設(shè)計與實現(xiàn)，北京：清華大學(xué)出版社，2004.