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检测网络流量中的 ARP 投毒

概述

ARP 投毒（ARP poisoning，又称 ARP 欺骗）是一种二层（Layer 2）攻击，攻击者发送伪造的 ARP 消息，将其 MAC 地址与合法主机的 IP 地址关联，从而实现中间人（MITM）拦截、会话劫持或拒绝服务攻击。由于 ARP 没有内置身份验证机制，广播域上的任何设备都可以伪造 ARP 应答。检测需要监控 ARP 流量中的异常，如免费 ARP（gratuitous ARP）洪水、IP 到 MAC 映射变化和重复 IP 地址。本技能涵盖部署多层检测，包括 ARPWatch、动态 ARP 检测（DAI）、基于 Wireshark 的分析和自定义 Python 监控工具。

前置条件

• 访问目标网络分段（广播域）
• 用于 ARPWatch 和自定义监控工具的 Linux 主机
• 支持动态 ARP 检测的托管交换机（Cisco Catalyst、Aruba、Juniper EX）
• 用于数据包捕获的 Wireshark 或 tcpdump
• 已配置 DHCP 嗅探（DAI 的前置条件）
• 网络监控基础设施（SIEM、syslog 服务器）

核心概念

ARP 协议基础

ARP 在本地网段将 IP 地址映射到 MAC 地址。该协议以无状态方式运行，没有身份验证：

正常 ARP 过程：
1. 主机 A 广播："谁有 10.0.1.1？请告诉 10.0.1.100"
2. 路由器回复："10.0.1.1 在 AA:BB:CC:DD:EE:01"
3. 主机 A 缓存该映射

ARP 投毒攻击：
1. 攻击者向主机 A 发送未请求的 ARP 应答：
   "10.0.1.1 在 EV:IL:MA:CA:DD:RR"（攻击者的 MAC）
2. 主机 A 更新缓存，将流量发送给攻击者
3. 攻击者转发给真实网关（中间人位置）

攻击指标

指标	描述	严重性
MAC 地址反复跳变	同一 IP 快速映射到不同 MAC	高
免费 ARP 洪水	针对多台主机的未请求 ARP 应答	高
重复 IP 地址	两个不同 MAC 声称相同 IP	严重
异常 ARP 数量	ARP 每秒数据包数峰值	中
来自非 DHCP 源的 ARP	来自未知设备的静态 IP 声明	中
网关 MAC 变更	默认网关 MAC 地址更改	严重

实施步骤

步骤 1：部署 ARPWatch 进行持续监控

# 安装 ARPWatch
sudo apt-get install -y arpwatch

# 配置 ARPWatch
sudo vi /etc/default/arpwatch
# INTERFACES="eth0"
# ARGS="-N -p -i eth0 -f /var/lib/arpwatch/arp.dat"

# 启动监控
sudo systemctl enable arpwatch
sudo systemctl start arpwatch

# 查看当前 ARP 数据库
cat /var/lib/arpwatch/arp.dat

# 监控日志中的变化
tail -f /var/log/syslog | grep arpwatch

ARPWatch 告警类型：

• new station - 之前未见过的 MAC 地址
• changed ethernet address - IP 映射到不同 MAC（可能是投毒）
• flip flop - MAC 在两个地址间交替（主动攻击）
• reused old ethernet address - 之前见过的映射重新出现

步骤 2：在交换机上配置动态 ARP 检测（DAI）

Cisco Catalyst 配置：

! 启用 DHCP 嗅探（DAI 的前置条件）
ip dhcp snooping
ip dhcp snooping vlan 10,20,30

! 配置可信端口（上行链路、DHCP 服务器）
interface GigabitEthernet1/0/1
 description Uplink to Distribution
 ip dhcp snooping trust

interface GigabitEthernet1/0/48
 description DHCP Server
 ip dhcp snooping trust

! 启用动态 ARP 检测
ip arp inspection vlan 10,20,30

! 配置 DAI 的可信端口
interface GigabitEthernet1/0/1
 ip arp inspection trust

! 设置速率限制以防止 ARP 洪水 DoS
interface range GigabitEthernet1/0/2-47
 ip arp inspection limit rate 15

! 启用额外的验证检查
ip arp inspection validate src-mac dst-mac ip

! 为静态 IP 设备配置 ARP ACL（服务器、打印机）
arp access-list STATIC-ARP-ENTRIES
 permit ip host 10.0.10.100 mac host 0011.2233.4455
 permit ip host 10.0.10.101 mac host 0011.2233.4456

ip arp inspection filter STATIC-ARP-ENTRIES vlan 10

! 验证 DAI 状态
show ip arp inspection vlan 10
show ip arp inspection statistics
show ip dhcp snooping binding

步骤 3：Wireshark 检测过滤器

# 检测免费 ARP（发送方和目标 IP 相同）
arp.src.proto_ipv4 == arp.dst.proto_ipv4

# 检测 ARP 应答（关注未请求的）
arp.opcode == 2

# 检测重复 IP 地址声明
arp.duplicate-address-detected

# 检测来自特定攻击者 MAC 的 ARP 数据包
eth.src == ev:il:ma:ca:dd:rr

# 检测 ARP 风暴（高流量）
# 使用 Statistics > I/O Graphs > 显示过滤器：arp

# 检测网关冒充
arp.src.proto_ipv4 == 10.0.1.1 && arp.src.hw_mac != aa:bb:cc:dd:ee:01

步骤 4：自定义 Python ARP 监控器

#!/usr/bin/env python3
"""
使用数据包捕获进行实时 ARP 投毒检测。
监控 ARP 流量中的欺骗指标并在异常时发出告警。
"""

import subprocess
import sys
import json
import time
from collections import defaultdict
from datetime import datetime

try:
    from scapy.all import sniff, ARP, Ether, get_if_hwaddr, conf
    SCAPY_AVAILABLE = True
except ImportError:
    SCAPY_AVAILABLE = False


class ARPPoisonDetector:
    def __init__(self, interface: str, gateway_ip: str, gateway_mac: str):
        self.interface = interface
        self.gateway_ip = gateway_ip
        self.gateway_mac = gateway_mac.lower()
        self.arp_table = {}  # IP -> MAC 映射
        self.arp_history = defaultdict(list)  # IP -> (MAC, 时间戳) 列表
        self.alerts = []
        self.arp_count = defaultdict(int)  # 源 MAC -> 每间隔计数
        self.last_reset = time.time()
        self.arp_rate_threshold = 50  # 每 10 秒的 ARP 数据包数

    def alert(self, severity: str, message: str, details: dict):
        """为检测到的异常生成告警。"""
        alert_data = {
            'timestamp': datetime.now().isoformat(),
            'severity': severity,
            'message': message,
            'details': details,
        }
        self.alerts.append(alert_data)
        print(f"\n[{severity}] {datetime.now().strftime('%H:%M:%S')} - {message}")
        for key, value in details.items():
            print(f"  {key}: {value}")

    def check_gateway_spoofing(self, src_ip: str, src_mac: str):
        """检查是否有人在伪造网关。"""
        if src_ip == self.gateway_ip and src_mac != self.gateway_mac:
            self.alert('CRITICAL', '检测到网关 ARP 欺骗', {
                'gateway_ip': self.gateway_ip,
                'expected_mac': self.gateway_mac,
                'spoofed_mac': src_mac,
                'action': '默认网关上的潜在中间人攻击',
            })
            return True
        return False

    def check_mac_change(self, src_ip: str, src_mac: str):
        """检查 IP 到 MAC 的映射是否已更改。"""
        if src_ip in self.arp_table:
            known_mac = self.arp_table[src_ip]
            if known_mac != src_mac:
                self.alert('HIGH', 'ARP 缓存投毒尝试', {
                    'ip_address': src_ip,
                    'previous_mac': known_mac,
                    'new_mac': src_mac,
                    'action': 'IP 到 MAC 映射意外更改',
                })
                return True
        return False

    def check_flip_flop(self, src_ip: str, src_mac: str):
        """检查 MAC 地址反复跳变（主动攻击指标）。"""
        self.arp_history[src_ip].append((src_mac, time.time()))

        # 仅保留最近 60 秒的历史
        cutoff = time.time() - 60
        self.arp_history[src_ip] = [
            (mac, ts) for mac, ts in self.arp_history[src_ip]
            if ts > cutoff
        ]

        unique_macs = set(mac for mac, ts in self.arp_history[src_ip])
        if len(unique_macs) > 2:
            self.alert('CRITICAL', '检测到 ARP 地址跳变（主动攻击）', {
                'ip_address': src_ip,
                'mac_addresses': list(unique_macs),
                'changes_in_60s': len(self.arp_history[src_ip]),
            })
            return True
        return False

    def check_arp_rate(self, src_mac: str):
        """检查 ARP 洪水（DoS 或扫描）。"""
        self.arp_count[src_mac] += 1

        # 每 10 秒重置计数器
        if time.time() - self.last_reset > 10:
            for mac, count in self.arp_count.items():
                if count > self.arp_rate_threshold:
                    self.alert('MEDIUM', '检测到 ARP 洪水', {
                        'source_mac': mac,
                        'arp_packets_10s': count,
                        'threshold': self.arp_rate_threshold,
                    })
            self.arp_count.clear()
            self.last_reset = time.time()

    def process_packet(self, packet):
        """处理捕获的 ARP 数据包。"""
        if not packet.haslayer(ARP):
            return

        arp = packet[ARP]

        # 仅处理 ARP 应答（操作码 2）和请求（操作码 1）
        if arp.op not in (1, 2):
            return

        src_ip = arp.psrc
        src_mac = arp.hwsrc.lower()

        # 运行检测检查
        self.check_gateway_spoofing(src_ip, src_mac)
        self.check_mac_change(src_ip, src_mac)
        self.check_flip_flop(src_ip, src_mac)
        self.check_arp_rate(src_mac)

        # 更新 ARP 表
        self.arp_table[src_ip] = src_mac

    def start_monitoring(self):
        """启动实时 ARP 监控。"""
        print(f"[*] 在 {self.interface} 上启动 ARP 投毒检测")
        print(f"[*] 网关：{self.gateway_ip}（{self.gateway_mac}）")
        print(f"[*] 监控中...（Ctrl+C 停止）\n")

        if SCAPY_AVAILABLE:
            sniff(
                iface=self.interface,
                filter="arp",
                prn=self.process_packet,
                store=False,
            )
        else:
            print("[-] Scapy 不可用。安装：pip install scapy")
            print("[*] 回退到基于 tcpdump 的监控...")
            self._monitor_with_tcpdump()

    def _monitor_with_tcpdump(self):
        """使用 tcpdump 的备用监控方案。"""
        cmd = ['tcpdump', '-i', self.interface, '-l', '-n', 'arp']
        proc = subprocess.Popen(cmd, stdout=subprocess.PIPE,
                                stderr=subprocess.DEVNULL, text=True)
        try:
            for line in proc.stdout:
                parts = line.strip().split()
                if 'is-at' in parts:
                    try:
                        ip_idx = parts.index('is-at') - 1
                        mac_idx = parts.index('is-at') + 1
                        src_ip = parts[ip_idx]
                        src_mac = parts[mac_idx].lower()
                        self.check_gateway_spoofing(src_ip, src_mac)
                        self.check_mac_change(src_ip, src_mac)
                        self.arp_table[src_ip] = src_mac
                    except (IndexError, ValueError):
                        continue
        except KeyboardInterrupt:
            proc.terminate()

    def generate_report(self) -> dict:
        """生成检测到的异常摘要报告。"""
        return {
            'monitoring_interface': self.interface,
            'gateway': {'ip': self.gateway_ip, 'mac': self.gateway_mac},
            'total_alerts': len(self.alerts),
            'arp_table_size': len(self.arp_table),
            'alerts': self.alerts,
        }


if __name__ == '__main__':
    if len(sys.argv) < 4:
        print("用法：python process.py <interface> <gateway_ip> <gateway_mac>")
        print("示例：python process.py eth0 10.0.1.1 aa:bb:cc:dd:ee:01")
        sys.exit(1)

    detector = ARPPoisonDetector(
        interface=sys.argv[1],
        gateway_ip=sys.argv[2],
        gateway_mac=sys.argv[3],
    )

    try:
        detector.start_monitoring()
    except KeyboardInterrupt:
        print("\n\n[*] 监控已停止。")
        report = detector.generate_report()
        print(f"[*] 生成的告警总数：{report['total_alerts']}")
        print(f"[*] ARP 表条目：{report['arp_table_size']}")

预防措施

二层控制

1. 动态 ARP 检测（DAI） - 根据 DHCP 嗅探绑定表验证 ARP 数据包
2. DHCP 嗅探 - 构建可信的 IP-MAC-端口绑定数据库
3. 端口安全 - 限制每个端口的 MAC 地址数
4. 私有 VLAN - 限制同一 VLAN 中主机之间的通信

网络控制

1. 静态 ARP 条目 - 用于关键基础设施（网关、DNS、DHCP）
2. 网络分段 - 使用 VLAN 减小广播域大小
3. 802.1X 认证 - 在网络访问前对设备进行身份验证
4. 加密协议 - 使用 SSH、HTTPS、TLS 保护数据，即使被拦截也是安全的

最佳实践

• 纵深防御 - 结合 DAI、ARPWatch 和自定义监控实现全面覆盖
• 先配置 DHCP 嗅探 - 在 DAI 之前始终启用 DHCP 嗅探（DAI 依赖嗅探数据库）
• 为网关配置静态 ARP - 在关键服务器上为默认网关配置静态 ARP 条目
• 监控免费 ARP - 特别关注未请求的 ARP 应答
• 小广播域 - 使用 VLAN 限制 ARP 攻击的范围
• 定期审计 - 定期比较各设备上的 ARP 表以识别异常

参考资料

• NIST SP 800-54 - 边界网关协议安全
• Cisco DAI 配置指南
• MITRE ATT&CK T1557.002 — ARP 缓存投毒