IP分片原理

ID:107189 · 發表于 2016-3-6 00:01

1. 為什么存在IP碎片
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鏈路層具有最大傳輸單元MTU這個特性，它限制了數據幀的最大長度，不同的網絡類型都有一個上限值。以太網的MTU是1500，你可以用 netstat -i 命令查看這個值。如果IP層有數據包要傳，而且數據包的長度超過了MTU，那么IP層就要對數據包進行分片（fragmentation）操作，使每一片的長度都小于或等于MTU。我們假設要傳輸一個UDP數據包，以太網的MTU為1500字節，一般IP首部為20字節，UDP首部為8字節，數據的凈荷（payload）部分預留是1500-20-8=1472字節。如果數據部分大于1472字節，就會出現分片現象。

IP首部包含了分片和重組所需的信息：

+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Identification |R|DF|MF| Fragment Offset |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|<-------------16-------------->|<--3-->|<---------13---------->|

Identification：發送端發送的IP數據包標識字段都是一個唯一值，該值在分片時被復制到每個片中。
R：保留未用。
DF：Dont Fragment，“不分片”位，如果將這一比特置1 ，IP層將不對數據報進行分片。
MF：More Fragment，“更多的片”，除了最后一片外，其他每個組成數據報的片都要把該比特置1。
Fragment Offset：該片偏移原始數據包開始處的位置。偏移的字節數是該值乘以8。

另外，當數據報被分片后，每個片的總長度值要改為該片的長度值。

每一IP分片都各自路由，到達目的主機后在IP層重組，請放心，首部中的數據能夠正確完成分片的重組。你不禁要問，既然分片可以被重組，那么所謂的碎片攻擊是如何產生的呢？

2. IP碎片攻擊
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IP首部有兩個字節表示整個IP數據包的長度，所以IP數據包最長只能為0xFFFF，就是65535字節。如果有意發送總長度超過65535的IP碎片，一些老的系統內核在處理的時候就會出現問題，導致崩潰或者拒絕服務。另外，如果分片之間偏移量經過精心構造，一些系統就無法處理，導致死機。所以說，漏洞的起因是出在重組算法上。下面我們逐個分析一些著名的碎片攻擊程序，來了解如何人為制造IP碎片來攻擊系統。

3. ping o death
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ping o death是利用ICMP協議的一種碎片攻擊。攻擊者發送一個長度超過65535的Echo Request數據包，目標主機在重組分片的時候會造成事先分配的65535字節緩沖區溢出，系統通常會崩潰或掛起。ping不就是發送ICMP Echo Request數據包的嗎？讓我們嘗試攻擊一下吧！不管IP和ICMP首部長度了，數據長度反正是多多益善，就65535吧，發送一個包：

# ping -c 1 -s 65535 192.168.0.1
Error: packet size 65535 is too large. Maximum is 65507

不走運，看來Linux自帶的ping不允許我們做壞事。:(

65507是它計算好的：65535-20-8=65507。Win2K下的ping更摳門，數據只允許65500大小。所以你必須找另外的程序來發包，但是目前新版本的操作系統已經搞定這個缺陷了，所以你還是繼續往下閱讀本文吧。

順便提一下，記得99年有“愛國主義黑客”（“紅客”的前輩）發動全國網民在某一時刻開始ping某美國站點，試圖ping死遠程服務器。這其實是一種ping flood攻擊，用大量的Echo Request包減慢主機的響應速度和阻塞目標網絡，原理和ping o death是不一樣的，這點要分清楚。

4. jolt2
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jolt2.c是在一個死循環中不停的發送一個ICMP/UDP的IP碎片，可以使Windows系統的機器死鎖。我測試了沒打SP的Windows 2000，CPU利用率會立即上升到100%，鼠標無法移動。

我們用Snort分別抓取采用ICMP和UDP協議發送的數據包。

發送的ICMP包：
01/07-15:33:26.974096 192.168.0.9 -> 192.168.0.1
ICMP TTL:255 TOS:0x0 ID:1109 IpLen:20 DgmLen:29
Frag Offset: 0x1FFE Frag Size: 0x9
08 00 00 00 00 00 00 00 00 .........

發送的UDP包：
01/10-14:21:00.298282 192.168.0.9 -> 192.168.0.1
UDP TTL:255 TOS:0x0 ID:1109 IpLen:20 DgmLen:29
Frag Offset: 0x1FFE Frag Size: 0x9
04 D3 04 D2 00 09 00 00 61 ........a

從上面的結果可以看出：
* 分片標志位MF=0，說明是最后一個分片。
* 偏移量為0x1FFE，計算重組后的長度為 (0x1FFE * 8) + 29 = 65549 > 65535，溢出。
* IP包的ID為1109，可以作為IDS檢測的一個特征。
* ICMP包：
類型為8、代碼為0，是Echo Request；
校驗和為0x0000，程序沒有計算校驗，所以確切的說這個ICMP包是非法的。
* UDP包：
目的端口由用戶在命令參數中指定；
源端口是目的端口和1235進行OR的結果；
校驗和為0x0000，和ICMP的一樣，沒有計算，非法的UDP。
凈荷部分只有一個字符a。

jolt2.c應該可以偽造源IP地址，但是源程序中并沒有把用戶試圖偽裝的IP地址賦值給src_addr，不知道作者是不是故意的。

jolt2的影響相當大，通過不停的發送這個偏移量很大的數據包，不僅死鎖未打補丁的Windows系統，同時也大大增加了網絡流量。曾經有人利用jolt2模擬網絡流量，測試IDS在高負載流量下的攻擊檢測效率，就是利用這個特性。

5. teardrop
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teardrop也比較簡單，默認發送兩個UDP數據包，就能使某些Linux內核崩潰。Snort抓取的結果如下：

第一個：
01/08-11:42:21.985853 192.168.0.9 -> 192.168.0.1
UDP TTL:64 TOS:0x0 ID:242 IpLen:20 DgmLen:56 MF
Frag Offset: 0x0 Frag Size: 0x24
A0 A8 86 C7 00 24 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 .....$..........
00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 ................
00 00 00 00 ....

* MF=1，偏移量=0，分片IP包的第一個。
* 結構圖：

|<-------20-------->|<------8------>|<---------------28---------------->|
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| IP | UDP | Data |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

第二個：
01/08-11:42:21.985853 192.168.0.9 -> 192.168.0.1
UDP TTL:64 TOS:0x0 ID:242 IpLen:20 DgmLen:24
Frag Offset: 0x3 Frag Size: 0x4
A0 A8 86 C7 ....

* MF=0，偏移量=0x3，偏移字節數為 0x3 * 8 = 24，最后一個分片。
* 結構圖：

|<-------20-------->|<--4-->|
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| IP | Data |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

如果修改源代碼，第二片IP包的偏移量也可以為0x4，偏移字節數就是 0x4 * 8 = 32。

下面的結構圖表示了接收端重組分片的過程，分別對應于偏移字節數為24和32兩種情況：

|<-------20-------->|<------8------>|<---------------28---------------->|
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| IP | UDP | Data |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|
| +-+-+-+-+
|<------------- 24 ------------->| Data |
| +-+-+-+-+
|<--4-->|

|
| +-+-+-+-+
|<------------------- 32 ------------------>| Data |
| +-+-+-+-+
|<--4-->|

可以看出，第二片IP包的偏移量小于第一片結束的位移，而且算上第二片IP包的Data，也未超過第一片的尾部，這就是重疊現象（overlap）。老的Linux內核（1.x - 2.0.x）在處理這種重疊分片的時候存在問題，WinNT/95在接收到10至50個teardrop分片時也會崩潰。你可以閱讀teardrop.c的源代碼來了解如何構造并發送這種數據包。

6. 如何阻止IP碎片攻擊
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* Windows系統請打上最新的Service Pack，目前的Linux內核已經不受影響。
* 如果可能，在網絡邊界上禁止碎片包通過，或者用iptables限制每秒通過碎片包的數目。
* 如果防火墻有重組碎片的功能，請確保自身的算法沒有問題，否則被DoS就會影響整個網絡。
* Win2K系統中，自定義IP安全策略，設置“碎片檢查”。

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IP分片原理