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ARP攻击防范技术白皮书
关键词：ARP，仿冒网关，欺骗网关，欺骗其他用户，泛洪攻击
摘 要：本文针对目前常见的ARP攻击，介绍了H3C网络设备所能提供的防范ARP攻击的方法以及典型组网应用。
缩略语：
缩略语 | 英文全名 | 中文解释 |
ARP | Address Resolution Protocol | 地址解析协议 |
DHCP | Dynamic Host Configuration Protocol | 动态主机配置协议 |
MAC | Media Access Control | 媒体访问控制 |
iMC | Intelligent Management Center | 开放智能管理中枢 |
ARP协议是以太网等数据链路层的基础协议，负责完成IP地址到硬件地址的映射。工作过程简述如下：
(1) 当主机或者网络设备需要解析一个IP地址对应的MAC地址时，会广播发送ARP请求报文。
(2) 主机或者网络设备接收到ARP请求后，会进行应答。同时，根据请求发送者的IP地址和MAC地址的对应关系建立ARP表项。
(3) 发起请求的主机或者网络设备接收到应答后，同样会将应答报文中发送者的IP地址和MAC地址的映射关系记录下来，生成ARP表项。
从ARP工作机制可以看出，ARP协议简单易用，但是却没有任何安全机制，攻击者可以发送伪造ARP报文对网络进行攻击。伪造ARP报文具有如下特点：
l 伪造的ARP报文中源MAC地址/目的MAC地址和以太网帧封装中的源MAC地址/目的MAC地址不一致。
l 伪造的ARP报文中源IP地址和源MAC地址的映射关系不是合法用户真实的映射关系。
目前主要的ARP攻击方式有如下几类：
l 仿冒网关攻击
l 仿冒用户攻击（欺骗网关或者其他主机）
l 泛洪攻击
如图1所示，因为主机A仿冒网关向主机B发送了伪造的网关ARP报文，导致主机B的ARP表中记录了错误的网关地址映射关系，从而正常的数据不能被网关接收。
仿冒网关攻击是一种比较常见的攻击方式，如果攻击源发送的是广播ARP报文，或者根据其自身所掌握的局域网内主机的信息依次地发送攻击报文，就可能会导致整个局域网通信的中断，是ARP攻击中影响较为严重的一种。
(1) 欺骗网关
如图2所示，主机A仿冒主机B向网关发送了伪造的ARP报文，导致网关的ARP表中记录了错误的主机B地址映射关系，从而正常的数据报文不能正确地被主机B接收。
(2) 欺骗其他用户
如图3所示，主机A仿冒主机B向主机C发送了伪造的ARP报文，导致主机C的ARP表中记录了错误的主机B地址映射关系，从而正常的数据报文不能正确地被主机B接收。
网络设备在处理ARP报文时需要占用系统资源，同时因为系统内存和查找ARP表效率的要求，一般网络设备会限制ARP表的大小。攻击者就利用这一点，通过伪造大量源IP地址变化的ARP报文，使设备ARP表溢出，合法用户的ARP报文不能生成有效的ARP表项，导致正常通信中断。
另外，通过向设备发送大量目标IP地址不能解析的IP报文，使设备反复地对目标IP地址进行解析，导致CPU负荷过重，也是泛洪攻击的一种。
ARP攻击是一种非常恶劣的网络攻击行为：
l 会造成网络不稳定，引发用户无法上网或者企业断网导致重大生产事故。
l 利用ARP攻击可进一步实施攻击，非法获取游戏、网银、文件服务等系统的帐号和口令，使被攻击者造成利益上的重大损失。
针对上述网络中常见的ARP攻击行为，H3C提出了较为完整的解决方案，可以彻底解决客户网络受到ARP攻击的问题。
如图4所示，ARP攻击防范技术的思路是以设备角色为线索，通过分析二三层网络设备可能会面对哪些类型的攻击，从而提供有效的防范措施。
攻击源一般来自于主机侧，因此接入交换机在ARP攻击防范中是一个关键的控制点。针对攻击的特点，接入交换机上的防范主要从两个方面考虑：
l 建立正确的ARP映射关系、检测并过滤伪造的ARP报文，保证经过其转发的ARP报文正确合法。
l 抑制短时间内大量ARP报文的冲击。
由于防范措施部署在接入侧，因此无需在网关上部署，可以减轻网关负担。
如果接入交换机上不支持ARP攻击防范功能，或者主机直接接入网关，则需要在网关上部署防范措施，部署思路从两个方面考虑：
l 建立正确的ARP表项，防止攻击者修改。
l 抑制短时间内大量ARP报文或者需触发ARP解析的IP报文的冲击。
直接在网关上进行部署对接入交换机的依赖较小，可以较好的支持现有网络，有效地保护用户投资。
实际应用时，建议分析网络的实际场景，选择合适的攻击防范技术。
接入设备可能受到的攻击类型为仿冒网关、仿冒用户和泛洪攻击。针对这三种攻击可以采用的防范措施为：
对ARP报文的合法性进行检查，如果合法则进行后续处理，如果非法则丢弃报文。
l ARP Detection功能
l ARP过滤保护功能
l ARP网关保护功能
对ARP报文的合法性进行检查，如果合法则进行后续处理，如果非法则丢弃报文。
l ARP Detection功能
l ARP过滤保护功能
l ARP报文限速功能
某VLAN内开启ARP Detection功能后，该VLAN内所有端口接收到的ARP（请求与应答）报文将被重定向到CPU进行报文的用户合法性检查和报文有效性检查：如果认为该ARP报文合法，则进行转发；否则直接丢弃。
目前包括三个功能：
l ARP报文有效性检查
l 用户合法性检查
l ARP报文强制转发
对于ARP信任端口，不进行报文有效性检查；对于ARP非信任端口，需要根据配置对MAC地址和IP地址不合法的报文进行过滤。可以选择配置源MAC地址、目的MAC地址或IP地址检查模式。
l 对于源MAC地址的检查模式，会检查ARP报文中的源MAC地址和以太网报文头中的源MAC地址是否一致，一致认为有效，否则丢弃。
l 对于目的MAC地址的检查模式（只针对ARP应答报文），会检查ARP应答报文中的目的MAC地址是否为全0或者全1，是否和以太网报文头中的目的MAC地址一致。全0、全1、不一致的报文都是无效的，无效的报文需要被丢弃。
l 对于IP地址检查模式，会检查ARP报文中的源IP和目的IP地址，全0、全1、或者组播IP地址都是不合法的，需要丢弃。对于ARP应答报文，源IP和目的IP地址都进行检查；对于ARP请求报文，只检查源IP地址。
对于ARP信任端口，不进行用户合法性检查；对于ARP非信任端口，需要进行用户合法性检查，以防止仿冒用户的攻击。
用户合法性检查是根据ARP报文中源IP地址和源MAC地址检查用户是否是所属VLAN所在端口上的合法用户，包括基于IP Source Guard静态绑定表项的检查、基于DHCP Snooping安全表项的检查、基于802.1X安全表项的检查和OUI MAC地址的检查。
l 首先进行基于IP Source Guard静态绑定表项检查。如果找到了对应源IP地址和源MAC地址的静态绑定表项，认为该ARP报文合法，进行转发。如果找到了对应源IP地址的静态绑定表项但源MAC地址不符，认为该ARP报文非法，进行丢弃。如果没有找到对应源IP地址的静态绑定表项，继续进行DHCP Snooping安全表项、802.1X安全表项和OUI MAC地址检查。
l 在基于IP Source Guard静态绑定表项检查之后进行基于DHCP Snooping安全表项、802.1X安全表项和OUI MAC地址检查，只要符合三者中任何一个，就认为该ARP报文合法，进行转发。其中，OUI MAC地址检查指的是，只要ARP报文的源MAC地址为OUI MAC地址，并且使能了Voice VLAN功能，就认为是合法报文，检查通过。
l 如果所有检查都没有找到匹配的表项，则认为是非法报文，直接丢弃。
ARP报文强制转发功能是将ARP非信任端口接收到的已经通过用户合法性检查的ARP报文，按照一定的规则进行转发的防攻击功能，此功能不对ARP信任端口接收到的通过用户合法性检查的ARP报文进行限制。
对于从ARP非信任端口收到的已经通过用户合法性检查的合法ARP报文的处理过程如下：
l 对于ARP请求报文，通过信任端口进行转发。
l 对于ARP应答报文，首先按照报文中的以太网目的MAC地址进行转发，若在MAC地址表中没有查到目的MAC地址对应的表项，则将此ARP应答报文通过信任端口进行转发。
在设备不与网关相连的端口上配置此功能，可以防止仿冒网关攻击。
在端口配置此功能后，当端口收到ARP报文时，将检查ARP报文的源IP地址是否和配置的被保护网关的IP地址相同。如果相同，则认为此报文非法，将其丢弃；否则，认为此报文合法，继续进行后续处理。
本功能用来限制端口下允许通过的ARP报文，可以防止仿冒网关和仿冒用户的攻击。
在端口配置此功能后，当端口收到ARP报文时，将检查ARP报文的源IP地址和源MAC地址是否和允许通过的IP地址和MAC地址相同：
l 如果相同，则认为此报文合法，继续进行后续处理。
l 如果不相同，则认为此报文非法，将其丢弃。
ARP报文限速功能是指对上送CPU的ARP报文进行限速，可以防止大量ARP报文对CPU进行冲击。例如，在配置了ARP Detection功能后，设备会将收到的ARP报文重定向到CPU进行检查，这样引入了新的问题：如果攻击者恶意构造大量ARP报文发往设备，会导致设备的CPU负担过重，从而造成其他功能无法正常运行甚至设备瘫痪，这个时候可以启用ARP报文限速功能来控制上送CPU的ARP报文的速率。
推荐用户在配置了ARP Detection或者发现有ARP泛洪攻击的情况下，使用ARP报文限速功能。
网关设备可能受到的攻击类型为仿冒用户和泛洪攻击。针对这两种攻击可以采用的防范措施为：
(1) 通过合法方式建立正确的ARP表项，并阻止攻击者修改
l 授权ARP功能
l ARP自动扫描和固化功能
l 配置静态ARP表项
(2) 动态学习ARP表项前进行确认，保证学习到的是真实、正确的映射关系
l ARP主动确认功能
l ARP报文源MAC一致性检查功能
l 源MAC地址固定的ARP攻击检测功能
l 限制接口学习动态ARP表项的最大数目
l ARP防IP报文攻击功能
授权ARP功能是指根据DHCP服务器生成的租约或者DHCP中继生成的安全表项同步生成ARP表项。适用于采用DHCP协议动态分配主机IP地址的网络环境。
使能接口的授权ARP功能后：
l 只有静态ARP表项才可以覆盖授权ARP表项，授权ARP表项不会被被伪造的ARP报文动态改写（即动态ARP表项不能覆盖授权ARP表项），因此保证了表项的正确性。
l 如果发送者冒用其它合法主机的IP地址发送ARP请求，因为MAC地址不是网关所记录的授权ARP表项中的合法MAC地址，伪造的ARP请求将不能得到应答，从而限制冒用合法IP地址的主机上网。
l 禁止该接口学习动态ARP表项，可以防止用户仿冒其他用户的IP地址或MAC地址对网络进行攻击，保证只有合法的用户才能使用网络资源，增加了网络的安全性。
l 接口下授权ARP表项的老化探测功能，可以检测用户的非正常下线，及时删除对应的授权ARP表项。
ARP自动扫描功能一般与ARP固化功能配合使用：
l 启用ARP自动扫描功能后，设备会对局域网内的邻居自动进行扫描（向邻居发送ARP请求报文，获取邻居的MAC地址，从而建立动态ARP表项）。
l ARP固化功能用来将当前的ARP动态表项（包括ARP自动扫描生成的动态ARP表项）转换为静态ARP表项。通过对动态ARP表项的固化，可以有效的防止攻击者修改ARP表项。
推荐在网吧这种环境稳定的小型网络中使用这两个功能。
对于网络中重要的服务器等设备，可以将其IP地址和MAC地址的映射关系配置为静态ARP表项。这种静态映射关系不但不能被伪造的ARP报文动态改写，而且同样会限制对非法ARP请求的应答，从而保护服务器不受到攻击。
配置静态ARP表项虽然可以保护ARP表不被改写，但是配置工作量大，不适用于主机IP地址可能发生更改的网络环境，建议在比较小的网络里使用。
ARP的主动确认功能主要应用于网关设备上，防止攻击者仿冒用户欺骗网关设备。
未启用ARP主动确认功能时，设备收到一个ARP报文的处理过程如下：
l 如果设备的ARP表中没有与此ARP报文源IP地址对应的ARP表项，设备会根据ARP报文中携带的源IP地址、源MAC地址信息新建ARP表项。
l 如果设备的ARP表中存在与此ARP报文源IP地址对应的ARP表项，设备会根据ARP报文中携带的源IP地址、源MAC地址信息更新对应的ARP表项。
启用ARP主动确认功能后，设备在新建或更新ARP表项前需进行主动确认，防止产生错误的ARP表项。下面将详细介绍其工作原理。
设备收到一个ARP报文，若当前设备ARP表中没有与此ARP报文源IP地址对应的ARP表项，设备会首先验证该ARP报文的真实性。设备会采用收到的ARP报文的源IP地址发送一个广播ARP请求报文，如果在随后的3秒内收到ARP应答报文，将对前期收到的ARP报文与此次收到的ARP应答报文进行比较（比较内容包括：源IP地址、源MAC地址、报文接收端口）。
l 如果两个报文一致，则认为收到的ARP报文为真实报文，并根据此报文在ARP表中新建对应的表项。
l 如果两个报文不一致，则认为收到的ARP报文为攻击报文，设备会忽略之前收到ARP报文，ARP表中不会新建对应的表项。
设备收到一个ARP报文（报文A），若当前设备ARP表中已有与报文A源IP地址对应的ARP表项，但报文A携带的源MAC地址和现有ARP表项中的MAC地址不相同，设备就需要判断当前ARP表项的正确性以及报文A的真实性。
(1) 确定是否启动ARP表项正确性检查
为了避免短时间内多次收到来自同一源IP地址的ARP报文导致的ARP表项频繁更新，设备会首先判断该ARP表项的刷新时间是否超过1分钟。
l 如果没有超过1分钟，则设备不会对ARP表项进行更新。
l 如果已经超过1分钟，设备将启动当前ARP表项的正确性检查。
(2) 启动ARP表项的正确性检查
设备会向ARP表项对应的源发送一个单播ARP请求报文（报文的目的IP地址、目的MAC地址采用ARP表项中的IP地址、MAC地址）。如果在随后的5秒内收到ARP应答报文（报文B），将比较当前ARP表项中的IP地址、MAC地址与报文B的源IP地址、源MAC地址是否一致。
l 如果一致，则认为报文A为攻击报文、ARP表项不会更新。
l 如果不一致，设备将启动报文A的真实性检查。
(3) 启动报文A的真实性检查
设备会向报文A对应的源发送一个单播ARP请求报文（报文的目的IP地址、目的MAC地址采用报文A的源IP地址、源MAC地址）。如果在随后的5秒内收到ARP应答报文（报文C），将比较报文A与报文C的源IP地址、源MAC地址是否一致。
l 如果一致，则认为报文A为真实报文，并根据报文A更新ARP表中对应表项。
l 如果不一致，则认为报文A为攻击报文，设备会忽略收到的报文A，ARP表项不会更新。
ARP报文源MAC一致性检查功能可以用来防御以太网数据帧首部中的源MAC地址和ARP报文中的源MAC地址不同的ARP攻击。
配置本功能后，网关设备在进行ARP学习前将对ARP报文进行检查。如果以太网数据帧首部中的源MAC地址和ARP报文中的源MAC地址不同，则认为是攻击报文，将其丢弃；否则，继续进行ARP学习。
当网关设备在短时间内收到同一个源发送的大量ARP报文时，就认定为发生了源MAC地址固定ARP攻击。
源MAC地址固定的ARP攻击检测功能根据ARP报文的源MAC地址进行统计，在5秒内，如果收到同一源MAC地址的ARP报文超过一定的阈值，则认为存在攻击，系统会将此MAC地址添加到攻击检测表项中。在该攻击检测表项老化之前，如果设置的检查模式为过滤模式，则会打印告警信息并且将该源MAC地址发送的ARP报文过滤掉；如果设置的模式为监控模式，则只打印告警信息，不会将该源MAC地址发送的ARP报文过滤掉。
对于网关或一些重要的服务器，可能会发送大量ARP报文，为了使这些ARP报文不被过滤掉，可以将这类设备的MAC地址配置成保护MAC，这样，即使该MAC存在攻击也不会被检测过滤。
当指定接口下的动态ARP表项达到允许学习的最大数目后，将不允许新增动态学习表项，以保证当一个接口所接入的某一台主机发起ARP攻击时不会导致整个设备的ARP表资源都被耗尽。
当配置接口学习动态ARP表项的最大数目为0时，表示禁止接口学习动态ARP表项。
如果网络中有主机通过向设备发送大量目标IP地址不能解析的IP报文来攻击设备，则会造成下面的危害：
l 设备向目的网段发送大量ARP请求报文，加重目的网段的负载。
l 设备会试图反复地对目标IP地址进行解析，增加了CPU的负担。
为避免这种IP报文攻击所带来的危害，设备提供了下列两个功能：
l 如果发送攻击报文的源是固定的，可以采用ARP源抑制功能。开启该功能后，如果网络中某主机向设备某端口连续发送目标IP地址不能解析的IP报文，当每5秒内由此主机发出IP报文触发的ARP请求报文的流量超过设置的阈值，那么对于由此主机发出的IP报文，设备不允许其触发ARP请求，直至5秒后再处理，从而避免了恶意攻击所造成的危害。
l 如果发送攻击报文的源不固定，可以采用ARP黑洞路由功能。开启该功能后，一旦接收到目标IP地址不能解析的IP报文，设备立即产生一个黑洞路由，使得设备在一段时间内将去往该地址的报文直接丢弃。等待黑洞路由老化时间过后，如有报文触发则再次发起解析，如果解析成功则进行转发，否则仍然产生一个黑洞路由将去往该地址的报文丢弃。这种方式能够有效地防止IP报文的攻击，减轻CPU的负担。
结合上面的描述，在此通过典型组网应用的介绍，进一步说明ARP攻击防范技术在实际中的部署。
& 说明：
红色数据流表示非法ARP报文被丢弃，攻击防范生效。
监控方式主要适用于动态接入用户居多的网络环境，如图5所示，网络内的主机通过DHCP服务器动态获取IP地址。
在上述网络中，ARP攻击防范的措施部署在接入交换机上，网关设备和主机都无需另外进行攻击防范的配置。
接入设备上运行的ARP Detection特性会根据DHCP Snooping的安全表项对通过本设备的ARP报文进行检查。如果用户侧主机的ARP报文中携带的发送者信息和DHCP Snooping安全表项的绑定信息不一致，报文将被认定为攻击报文并被丢弃。从而避免了网关或者其他主机的ARP表中记录错误的地址映射关系。
同时，建议配置ARP限速，防止ARP泛洪攻击。
认证方式适合网络中采用认证登陆的场景，如图6所示，通过H3C iMC、H3C iNode客户端与接入交换机和网关的联动，全方面的防范ARP攻击。
实现原理：客户端通过认证协议（802.1x或Portal）登陆网络，iMC对客户端进行认证，接入交换机对获取到客户端的IP＋MAC信息进行绑定，保证当前用户的合法性；认证通过后，iMC将网关的IP＋MAC信息下发给客户端进行绑定，保证网关的准确性。
如图7所示，首先网关通过ARP自动扫描功能建立网吧局域网内所有客户端的动态ARP表项，然后通过ARP固化功能将这些动态ARP表项转换为静态ARP表项。完成后禁止网关学习动态ARP表项，即只允许和现有ARP表项一致的客户端才能访问Internet。这样可以防止用户私自修改客户端IP地址，使用户的网上行为有记录可循。
l RFC 826：An Ethernet Address Resolution Protocol
l RFC 2131：Dynamic Host Configuration Protocol(DHCP)
l RFC 3046：DHCP Relay Agent Information Option
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