毕业设计(论文)局域网发展与分析.doc
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1、1 绪论1.1 课题的选题背景网络的迅速发展,在给人类生活带来方便的同时,也对网络安全提出了更高的要求。网络协议安全是网络安全的重要环节,因此对网络协议的分析和利用越来越受到特别关注。互联网的发展很大程度上归功于TCP/IP协议运行的高效性和开放性,然而TCP/IP协议在实现过程中忽略了对网络安全方面的考虑,致使其存在着较多的安全隐患。ARP协议是TC/IP协议中的重要的一员,其功能主要是为局域网网络设备提供IP地址向硬件地址的转化,其设计建立在局域网内网络设备之间相互信任的基础上,由此产生了许多ARP欺骗攻击方法。许多木马和病毒利用ARP协议这一设计上的漏洞在局域网内进行ARP欺骗攻击,给局
2、域网的安全造成了严重的威胁。为解决ARP欺骗给局域网带来的安全问题,目前已有许多学者在这方面做了有意义的探索与实践,尽管某些方案在实际项目的应用中已相对成熟,但在防御能力上仍存在着一定的局限性。本文针对ARP的工作机制和ARP的协议格式来论述ARP欺骗产生的原因和介绍常见的ARP欺骗以及现有的防御ARP欺骗的方法。 传统的局域网的设计刚开始并没有意识到ARP病毒的威胁,这就造成了后来ARP病毒的泛滥,传统的局域网示意图如下:图1-1普通局域网 课题研究的目的为了能满足现代化局域网的要求,课题中分析了ARP病毒产生的原因,提出了解决ARP病毒的方法,并提出了未来局域网设计过程应注意的问题。解决A
3、RP病毒,维护局域网的安全,保证企事业单位日常工作正常进行。1.3 局域网产生的背景和概述局域网(Local Area Network)是在一个局部的地理范围内(如一个学校、工厂和机关内),将各种计算机。外部设备和数据库等互相联接起来组成的计算机通信网。它可以通过数据通信网或专用数据电路,与远方的局域网、数据库或处理中心相连接,构成一个大范围的信息处理系统。简称LAN,是指在某一区域内由多台计算机互联成的计算机组。“某一区域”指的是同一办公室、同一建筑物、同一公司和同一学校等,一般是方圆几千米以内。局域网可以实现文件管理、应用软件共享、打印机共享、扫描仪共享、工作组内的日程安排、电子邮件和 通
4、信服务等功能。局域网是封闭型的,可以由办公室内的两台计算机组成,也可以由一个公司内的上千台计算机组成。1.4 局域网的现状和应用 随着网络的快速发展,局域网得到了广泛的应用,企事业单位都会创建一个属于自己的局域网,所以局域网的应用已经普及到我们的日常生活中。局域网的出现是网络有了内网和外网之分,由于外网的不安全性和不保密性,使得日常工作难以使用外网进行工作,所以局域网就诞生了,局域网的产生极大的增强了网络的安全性和保密性,就使得我们好像是在一个封闭的体系里面进行我们日常的工作,不会收到外界的影响,保证日常的工作正常进行。 局域网未来技术发展趋势随着Internet应用的迅猛发展,以及便携机、P
5、DA(Personal Data Assistant)等移动智能终端的使用的日益增长,给广大用户提供了诸多便利(随时随处自由接入Internet、能享受更多的业务、安全且有保障的网络),成为发展的必然。在接入速率和适应环境上与3G技术互为补充的WLAN(Wireless Local Area Network)无线局域网迅猛发展,成为新一代高速无线接入网络。无线局域网被看作传统有线网络的延伸,在某些环境还可以替代传统的有线网络。与之相比,无线局域网有以下显著的益处:移动性:在服务区域,无线局域网用户可随时随地访问信息;设备安装快速、简单、灵活:无线局域网系统消除布线的繁琐工作,网络可遍及有线不能
6、到达的地方;减少投资:无线网络减少了布线的费用,应用在频繁移动和变化的动态环境中,投资回报高;扩展能力:无线局域网可组成多种拓扑结构,轻易从少数用户的对等网络模式扩展到上千用户的结构化网络。2系统的分析与设计 局域网的定义从直观来说,网络就是互相连接的独立自主的计算机的集合,计算机通过网线,同轴电缆,光纤或无线的方式连接起来,使资源得以共享,每台计算机是独立自主的,相互之间没有从属关系。按地理位置分类,我们将计算机网络分为局域网(LAN)、城域网(MAN)和广域网(WAN)。网络覆盖的地理范围是网络分类的一个非常重要的度量参数,因为不同规模的网络将采用不同的技术。所谓的局域网(Local Ar
7、ea Network,简称LAN),是指范围在几十米到几千米内办公楼群或校园内的计算机相互连接所构成的计算机网络。一个局域网可以容纳几台至几千台计算机。按局域网现在的特性看,计算机局域网被广泛应用于校园、工厂及企事业单位的个人计算机或工作站的组网方面。 局域网设计的基本原则局域网设计的基本原则是目前局域网设计的重要准则。从目前我国局域网的设计情况来看,局域网设计的基本原则有:1)实用性:建设局域网的目的是满足用户的需求,用户的需求是规划的基础。在没有充分理解用户需求的情况下进行网络设计,最终必然不能达到建设要求。网络往往需要满足各个用户的不同需求,从而满足整个组织机构的所有业务需求。实用性也就
8、是组网设计要以人为本。 2)可扩充性:组网设计的时候,应该关注未来的技术发展方向,不采用限制新技术发展的技术标准。比如多播是未来的发展趋势,组网设计者应该保证在新技术得到普及的时候,所设计的局域网无需就现有的设备全部撤换,而只需要具有网络扩展和升级选项的硬件和软件就可实现新的功能。3)开放性:组网设计应采用当前最新国际标准的软硬件以及开放的技术,开放的结构,开放的系统组建和用户接口,使网络系统具备与多种协议计算机通信网络互联的特性,为未来的横向扩展提供必要的条件。4)成本有效性:充分考虑资金投入能力,应该以最好的性价比去构建网络系统,组网设计并非是一味追求高性能,因为高性能往往意味着高投资,如
9、果网络系统的投入超出该系统带来的利润,这显然是不合适的,另外该高性能网络系统未必得到充分利用。所以组网设计应该根据用户的应用需求,在满足系统性能以及考虑到在可预见期间不失先进性的前提下,尽量使整个系统投资合理且实用性强。5)可管理性:计算机网络具有一定的复杂性,随着网络的发展,其管理必然越来越繁重。所以网络设计者应该建立一套完善的网络管理解决方案。通过先进的管理策略、管理工具提高网络运行的可管理性和可靠性,简化网络维护工作。6)安全可靠性:为了保证各项应用的实现,所设计的网络必须具有高可靠性。应该尽量避免系统的单点故障,应提供冗余措施,并采用先进的网络管理技术,对网络信息流量进行实时监控,并对
10、数据进行处理,及时查出并排除故障。同时采取合适的安全措施,如设置防火墙等等。 局域网的特点从功能上讲,局域网有以下特点:1)共享传输信道;2)范围有限;3) 传输速率高;4) 工作可靠。从网络体系结构和传输控制规程来看,计算机局域网的特点是:1) 底层协议简单,由于局域网距离短、时延小、传输速率高、误码率低,相对而言信道的利用率不再是考虑的主要问题,因而底层协议比较简单,允许报文有较大的报头尺寸;2) 小型的计算机局域网不需要中间转接,不单独设置网络层,但是如果局域网通过交换机、路由器等连接起来,并需要提供各种服务,则需要网络层,一般局域网的体系结构相当于OSI模型中的最低两层;3) 采用多种
11、访问控制方式。由于可以采用的传输介质多样化,局域网有多种媒体访问控制包括载波监听多路访问/冲突检测技术、令牌环控制技术、令牌总线控制技术、光纤分布式数据接口。 局域网参考模型1982年2月,电器和电子工程师协会(IEEE)成立了IEEE 802委员会,之后该委员会制定了一系列局域网标准,称为IEEE 802标准。1983年,该标准被美国国家标准局(ANSI)接受为美国国家标准,1984年3月,ISO将该标准定为国际标准。按照IEEE 802标准,局域网体系结构由物理层、媒体访问控制子层(MAC,Media Access Control)和逻辑链路控制子层(LLC,Logical Link Co
12、ntrol)组成。图2-1局域网参考模型 局域网的分类2.4.1 按传输介质分类按照网络的传输介质分类,可以将计算机网络分为有线网络和无线网络两种。某个局域网通常采用单一的传输介质,比如目前较流行双绞线,而城域网和广域网则可以同时采用多种传输介质,如光纤、同轴细缆、双绞线等。一 有线网络有线网络指采用同轴电缆、双绞线、光纤等有线介质来连接的计算机网络。采用双绞线联网是目前最常见的联网方式。它价格便宜,安装方便,但易受干扰,传输率较低,传输距离比同轴电缆要短。光纤网采用光导纤维作为传输介质,传输距离长,传输率高,抗干扰性强,现在正在迅速发展。二 无线网络无线网络采用微波、红外线、无线电等电磁波作
13、为传输介质。由于无线网络的联网方式灵活方便,不受地理因素影响,因此是一种很有前途的组网方式。目前,不少大学和公司已经在使用无线网络了。无线网络的发展依赖于无线通信技术的支持。目前无线通信系统主要有:低功率的无绳 系统、模拟蜂窝系统、数字蜂窝系统、移动卫星系统、无线LAN和无线WAN等。2.4.2 按拓扑结构分类 网络拓扑结构是指一个网络中各计算机节点之间互联的几何形状。任意一种局域网的访问控制方式都规定了它们各自的网络拓扑结构。局域网的网络拓扑结构通常分为3种,分别是总线状拓扑结构、星状拓扑结构和环状拓扑结构。1) 总线状拓扑结构:所有节点都通过相应硬件接口连接到一条无源公共总线上,任何一个节
14、点发出的信息都可沿着总线传输,并被总线上其他任何一个节点接收,它的传输方向是从发送点向两端扩散传送,是一种广播式结构。在LAN中,采用带有碰撞检测的载波侦听多路访问,即CSMA/CD方式。每个节点的网卡上有一个收发器,当发送节点发送的目的地址与某一节点的接口地址相符,该节点即接收该信息。总线结构的优点是安装简单、易于扩充、可靠性高,一个节点损坏,不会影响整个网络工作。缺点是一次仅能一个端用户发送数据,其他端用户必须等到获得发送权,媒体访问获取机制较复杂。如图2-2所示 图2-2 总线状拓扑结构2) 星状拓扑结构:也称为辐射网,它将一个点作为中心节点,该点与其他节点均有线路连接。具有N个节点的星
15、状网至少需要N1条传输链路。星状网的中心节点就是转接交换中心,其余N1个节点间相互通信都要经过中心节点来转接,在数据网络中,这种设备是主机或集线器。因而该设备的交换能力和可靠性会影响网内所有用户。星状拓扑结构的优点是:利用中央节点可方便地提供服务和重新配置网络;单个连接点的故障只影响一个设备,不会影响全网,容易检测和隔离故障,便于维护;任何一个连接只涉及到中央节点和一个站点,因此控制介质访问的方法很简单,从而访问协议也十分简单。星状拓扑结构的缺点是:每个站点直接与中央节点相连,需要大量电缆,因此费用较高;如果中央节点产生故障,则全网不能工作,所以对中央节点的可靠性和冗余度要求很高,中心系统通常
16、采用双机热备份来提高系统的可靠性。如图2-3所示 图2-3 星状拓扑结构3) 环状拓扑结构:环状结构中的各节点通过有源接口连接在一条闭合的环状通信线路中,是点点式结构。环状网中每个节点发送的信息流按环路设计的流向流动。为了提高可靠性,可采用双环或多环等冗余措施来解决。目前的环状结构中采用了一种多路访问部件MAU,当某个节点发生故障时,可以自动旁路,隔离故障点,这也使可靠性得到了提高。环状结构的优点是实时性好,信息吞吐量大,网的周长可达200km,节点可达几百个。但因环路是封闭的,所以扩充不便。这种结构在IBM于1985年推出令牌环网后,已被人们接受。目前推出的FDDI网就是使用这种双环结构。如
17、图2-4所示 图2-4 环状拓扑结构3 ARP病毒的分析 ARP病毒的简介ARP地址欺骗类病毒(以下简称ARP病毒)是一类特殊的病毒,该病毒一般属于木马病毒,不具备主动传播的特性,不会自我复制。但是由于其发作的时候会向全网发送伪造的ARP数据包,干扰全网的运行,因此它的危害比一些蠕虫还要严重得多。arp病毒并不是某一种病毒的名称,而是对利用arp协议的漏洞进行传播的一类病毒的总称。arp协议是TCP/IP组的一个协议,用于进行把网络地址翻译成物理地址(又称MAC地址)。通常此类攻击的手段有两种:路由欺骗和网关欺骗。是一种入侵电脑的木马病毒。对电脑用户私密信息的威胁很大。ARP欺骗分为两种,一种
18、是对路由器ARP表的欺骗;另一种是对内网PC的网关欺骗。第一种ARP欺骗的原理是通过截获网关数据。它通知路由器一系列错误的内网MAC地址,并按照一定的频率不断进行,使真实的地址信息无法通过更新保存在路由器中,结果路由器的所有数据只能发送给错误的MAC地址,造成正常PC无法收到信息。第二种欺骗的原理是通过伪造网关。它的原理是建立假网关,让被它欺骗的PC向假网关发数据,而不是通过正常的路由器途径上网。在PC看来,就是上不了网了,“网络掉线”。 ARP病毒产生的原因一ARP工作机制在数据链路层上识别主机的依据是物理地址,要想在两台主机之间传输数据就必须知道对方的物理地址,对于以太网来说,就是以太网网
19、卡的物理地址。而在网络层及以上的数据通信使用的主机的IP地址,所以当数据由高层协议到达数据链路层时,就需要将IP地址转化为物理地址。这个转化的过程实际上就是地址映射。地址解析协议(Addresss Ressolution Protocol,ARP)就是为这两种不同的地址形式提供映射,负责完成在IP地址及数据链路层地址之间的映射。如图3-1所示 图3-1 ARP实现过程二ARP协议格式ARP报文由一个帧的数据部分所携带如图3-2所示。下面分别简述ARP分组中的各个字段的有关内容: 图3-2 ARP协议格式1. 以太网报头中的前两个字段是以太网的目的地址和源地址。目的地址为全1的特殊地址是广播地址
20、。2. 两个字节长的以太网帧类型表示后面数据的类型。对于ARP请求或应答来说,该字段的值为0x0806.3. 硬件类型字段表示硬件地址的类型。它的值为1即表示以太网的地址。协议类型字段表示要映射的协议地址类型,它的值为0x0800即表示IP地址。它的值与包含IP数据包的以太网数据帧中的类型字段的值相同。4. 接下来的两个1字节的字段,硬件地址长度和协议地址长度分别指出硬件地址和协议地址的长度,以字节为单位。对于以太网上IP地址的ARP请求或应答来说,它们的值分别为6或4.5. 操作字段指出四种操作类型,它们是ARP请求(值为1),ARP请求(值为2),RARP请求(值为3)和RARP应答(值为
21、4)。这个字段是必需的,因为ARP请求和ARP应答的帧类型字段是相同的。6. 接下来的四个字段是发送端的硬件地址,发送端的协议地址,目的端的硬件地址和目的端的协议地址。 对于一个ARP请求来说,除目的端硬件地址外所有其他的字段都有填充值。当系统收到一份目的端为本机的ARP请求报文后,它就把硬件地址填进去,然后用两个目的端地址分别替换两个发送端地址,并把操作字段置为2,最后把它发送回去。 三ARP欺骗产生的原因ARP(Address Resolution Protocol)的工作机制在以太网中传输的数据包是以太包,而以太包是依据其首部的MAC地址来进行寻址的。发送方必须知道目的主机的MAC地址才
22、能向其发送数据。ARP协议的作用就在于把IP地址转换成物理地址。为避免频繁发送ARP包进行寻址,在实际的工作过程中,每台主机都有一个ARP缓存表,其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。如果本机想与某台主机通信,则首先在ARP缓存表中查找这台主机的IP和MAC信息,若存在,则直接利用此MAC地址构造以太包;若不存在,则向网络上广播一个ARP请求包。目的主机收到此请求包后,发送一个ARP应答包。本机收到此应答包后,把相关信息记录在ARP缓存中,然后再进行发送。由此可见,ARP协议是有缺陷的。一台恶意的主机如果构造一个ARP欺骗包,源主机就无法分辨真假,由此产生了ARP欺骗。
23、不难发现,ARP协议是建立在信任局域网内所有节点的基础上的,它很高效,但却很不安全。由ARP的协议格式,我们知道它是一个无状态的协议,不会检查自己是否发过请求包,也不管是否是合法的应答,只要收到目标MAC是自己的ARP请求,都会接受并存入ARP缓存,这就为ARP欺骗提供了方便。 ARP攻击时的主要现象1. 网上银行,游戏及QQ账号的频繁丢失一些人为了获取非法利益,利用ARP欺骗程序在网内进行非法活动,此类程序的主要目的在于破解账号登陆时的加密解密算法,通过截取局域网中的数据包,然后以分析数据通讯协议的方法截获用户的信息。运行这类木马病毒,就可以获得整个局域网中上网用户账号的详细信息并盗取。 2
24、.网速时快时慢,极其不稳定,但单机进行光纤数据测试时一切正常当局域网内的某台计算机被ARP的欺骗程序非法侵入后,它就会持续地向网内所有的计算机及网络设备发送大量的非法ARP欺骗数据包,阻塞网络通道,造成网络设备的承载过重,导致网络的通讯质量不稳定。 3.局域网内频繁性区域或整体掉线,重启计算机或网络设备后恢复正常当带有ARP欺骗程序的计算机在网内进行通讯时,就会导致频繁掉线,出现此类问题后重启计算机或禁用网卡会暂时解决问题,但掉线情况还会发生。 ARP病毒原理 一 网络模型简介众所周知,按照OSI(Open System Interconnection Reference Model,开放系统
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