深入剖析pcap中的网络异常：TTL过期攻击、ARP中毒、TCP重传与重叠碎片等

网络流量数据包捕获是网络安全领域的重要部分，而pcap文件则是这一过程的常见载体。为了深入解析pcap文件中潜在的可疑网络流量，我们需要运用强大的网络安全威胁评估与审计工具。这些工具能够帮助我们捕捉、记录、检测和诊断网络中的数据传输问题，及时发现异常活动，保护我们的网络安全。

在处理pcap文件时，我们主要关注的是那些可能表明潜在威胁的特征。例如，TTL（Time To Live）过期攻击是一种常见的网络攻击方式，除此之外，ARP（Address Resolution Protocol）中毒也是一种常见的网络威胁，TCP重传是一种利用TCP协议缺陷进行的攻击，重叠碎片攻击是一种利用IP分片漏洞进行的攻击，除了以上提到的几种攻击方式外，我们还需要关注多个TTL值的问题等等。

TTL过期攻击

• TTL（Time to Live）是IP包中的一个字段，它表示数据包在网络中能够存活的最长时间，一般以秒为单位。当一个数据包经过一个路由器时，该路由器会将数据包的TTL字段减1，当TTL减为0时，路由器会丢弃该数据包。
• TTL过期攻击是指攻击者发送大量的IP数据包，并设置TTL为较小的值，以达到消耗目标主机资源的目的。这类攻击主要是利用目标主机处理TTL减少的数据包需要耗费更多的处理资源，从而导致目标主机的性能下降甚至崩溃。
• 应对策略：网络管理员可以通过设置防火墙等安全设备，限制传入的TTL值，并进行流量监控和流量分析，及时发现异常流量并采取相应的措施。

ARP中毒

• ARP协议（Address Resolution Protocol）是将IP地址解析成MAC地址的一种协议。ARP中毒攻击是指攻击者伪造ARP响应包，欺骗目标主机与攻击者主机之间的通信流量。攻击者通常会向目标主机发送虚假的ARP响应包，将目标主机的IP地址与攻击者的MAC地址绑定，从而导致目标主机的通信流量被重定向到攻击者主机。
• 应对策略：网络管理员可以使用安全工具对局域网中的ARP响应进行检测和监控，定期清除异常的ARP缓存，限制ARP协议的使用，以及使用静态ARP表进行MAC地址与IP地址的绑定。

TCP重传与重叠碎片

• TCP重传是指在数据包传输过程中，某个数据包丢失或未及时到达目标主机，发送方会重新发送该数据包。TCP重叠碎片是指MTU（Maximum Transmission Unit）大小限制导致的数据包分片，在发送方和接收方之间重新组装的过程中，发生了重叠。
• TCP重传和重叠碎片可能会导致网络延迟增加、传输速率降低，甚至数据丢失。
• 应对策略：网络管理员可以通过调整TCP的超时重传时间、优化网络拓扑结构和路径，或通过升级硬件设备来减少重传和重叠碎片的发生。

多个TTL值的识别与应对

• 在进行数据包分析时，可能会遇到多个不同的TTL值，这可能是由于同一个数据包经过了不同的网络节点。识别多个TTL值可以帮助定位网络中的故障点或恶意行为。
• 应对策略：网络管理员可以使用网络监控工具进行数据包的抓取和分析，识别不同TTL值的源头和节点，进而定位异常的网络流量和行为，采取相应的防御措施。

深入剖析pcap中的网络异常：TTL过期攻击、ARP中毒、TCP重传与重叠碎片等(C/C++代码实现)

void my_packet_handler(u_char *args,const struct pcap_pkthdr *header,const u_char *packet);
int help();
void activate_verbose();
void activate_debug();
void activate_linux_cooked();
void analysis(char* file_in, char* file_out);
void print_flag(int flag);
void print_flag_json(FILE *fp, int flag);
void exclude(char* excl);
void save_json(char* filename);

/* Ethernet header */
struct sniff_ethernet {
        u_char  ether_dhost[D_HOST_MAC_ADDR];    /* destination host address */
        u_char  ether_shost;    /* source host address */
        u_short ether_type;                     /* IP? ARP? RARP? etc */
};

/* IP header */
const struct sniff_ip *ip_layer;
struct sniff_ip {
        u_char  ip_vhl;                 /* version << 4 | header length >> 2 */
        u_char  ip_tos;                 /* type of service */
        u_short ip_len;                 /* total length */
        u_short ip_id;                  /* identification */
        u_short ip_off;                 /* fragment offset field */
        u_char  ip_ttl;                 /* time to live */
        u_char  ip_p;                   /* protocol */
        u_short ip_sum;                 /* checksum */
        struct  in_addr ip_src,ip_dst;  /* source and dest address */
};


typedef uint32_t tcp_seq;

struct sniff_tcp {
  u_short th_sport;	/* source port */
  u_short th_dport;	/* destination port */
  tcp_seq th_seq;   /* sequence number */
  tcp_seq th_ack;		/* acknowledgement number */
  u_char th_offx2;	/* data offset, rsvd */
  u_char th_flags;  /* flags */
  u_short th_win;		/* window */
  u_short th_sum;		/* checksum */
  u_short th_urp;		/* urgent pointer */
};

struct Session {
  struct MAC_address *last_mac_src, *last_mac_dst;
  char ip_src[20], ip_dst[20];
  int port_src, port_dst;
  long int seq_keepalive;
  char hash_src[SHA_DIGEST_LENGTH*2+1];
  char hash_dst[SHA_DIGEST_LENGTH*2+1];
  struct TCP_Packet *last_p;
  struct TCP_Packet *first_p;
  struct Session *previous_s;
  struct TTL *last_ttl;
};

struct TCP_Packet {
  char hash_src[SHA_DIGEST_LENGTH*2+1];
  char hash_dst[SHA_DIGEST_LENGTH*2+1];
  long int ack, seq;
  int number, flags, len, ttl;
  bool keepalive, retransmitted;
  struct TCP_Packet *next_p;
};

struct MAC_address {
  char address[20];
  struct MAC_address *previous_mac;
};

struct TTL {
  int val;
  struct TTL *previous_ttl;
};

...

int nbr_digits(int a) {
  /*
   * 返回一个相对较小的正整数中的位数
   */
  if (a<0) return -1;
  if (a<10) return 1;
  if (a<100) return 2;
  if (a<1000) return 3;
  if (a<10000) return 4;
  if (a<100000) return 5;
  if (a<1000000) return 6;
  if (a<10000000) return 7;
  if (a<100000000) return 8;
  if (a<1000000000) return 9;
  if (a<10000000000) return 10;
  return -1;
}

void sha(char ip[20], int port, char* hash_string) {
  /*
   * Returns sha1(<ip>, <port>) in <hash_string>
   */
  unsigned char hash[SHA_DIGEST_LENGTH];
  char port_str[nbr_digits(port)];
  sprintf(port_str, "%d", port);
  SHA_CTX ctx;
  SHA1_Init(&ctx);
  SHA1_Update(&ctx, ip, strlen(ip));
  SHA1_Update(&ctx, port_str, strlen(port_str));
  SHA1_Final(hash, &ctx);
  for (int i = 0; i < SHA_DIGEST_LENGTH; i++) {
    sprintf(&hash_string[i*2], "%02x", (unsigned int)hash[i]);
  }
}

void add_packet_to_session(struct Session *s, struct TCP_Packet *new_packet, char mac_src[20], char mac_dst[20]) {
...
  if (s->seq_keepalive==0) {
    struct TCP_Packet* previous = s->last_p;
    while (previous != NULL && strcmp(new_packet->hash_src, previous->hash_src) != 0) {
      previous = previous->next_p;
    }
    if (previous != NULL) {
      if (previous->seq-1 == new_packet->seq && new_packet->len==0 && new_packet->flags == TH_ACK) {
        new_packet->keepalive = true;
        s->seq_keepalive = new_packet->seq;
      }
    }
  } else {
    if (new_packet->seq == s->seq_keepalive && new_packet->flags == TH_ACK && new_packet->len == 0) {
      new_packet->keepalive = true; // KeepAlive
    } else if (new_packet->ack == s->seq_keepalive+1 && new_packet->flags == TH_ACK) {
      new_packet->keepalive = true; // KeepAlive ACK
    }
  }
...
  while (m_dst!=NULL) {
    if (strcmp(m_dst->address, mac_dst)==0) {
      found_mac_dst=true;
      break;
    }
    m_dst=m_dst->previous_mac;
  }
  while (m_src!=NULL) {
    if (strcmp(m_src->address, mac_src)==0) {
      found_mac_src=true;
      break;
    }
    m_src=m_src->previous_mac;
  }
  // 检查不同的TTL值
...
  // 如果数据包的MAC地址不在会话的MAC地址中，请将其添加到MAC地址列表中
...

  // 如果找不到TTL，请将if添加到TTL列表中
  if (!found_ttl) {
    new_ttl = (struct TTL*)malloc(sizeof(struct TTL)); // allocate TTL struct in heap
    new_ttl->previous_ttl = s->last_ttl;
    new_ttl->val = new_packet->ttl;
    s->last_ttl = new_ttl;
  }
}
void exclude(char* excl) 
{
...
  while (pt != NULL) {
    if (strcmp(pt, "ret")==0) {
      EXCLUDE_RET=true;
      printf(GRN "[INFO]" RESET " Excluding RET ambiguities\n");
    } else if (strcmp(pt, "ttl")==0) {
      EXCLUDE_TTL=true;
      printf(GRN "[INFO]" RESET " Excluding TTL ambiguities\n");
    } else if (strcmp(pt, "mac")==0) {
      EXCLUDE_MAC=true;
      printf(GRN "[INFO]" RESET " Excluding MAC ambiguities\n");
    } else {
      printf(RED "[ERROR]" RESET " Unexpected 'exclude' value: %s\n", pt);
      help();
      exit(1);
    }
    pt = strtok (NULL, ",");
  }
}


int main(int argc, char **argv) 
{
...
  int long_index = 0;
  while ((opt = getopt_long(argc, argv,"hvdlxs", long_options, &long_index)) != -1) {
    switch (opt) {
      case 'h': help();
        break;
      case 'v': activate_verbose();
        break;
      case 'd': activate_debug();
        break;
      case 'l': activate_linux_cooked();
        break;
      case 'x':
        if (optarg==NULL) {
          exclude(argv[optind++]);
        } else {
          exclude(optarg);
        }
        break;
      case 's':
        if (optarg==NULL) 
        {
          printf("OPT: %d %s\n", optind, argv[optind]);
          if (strlen(argv[optind])>45) 
          {
            printf(YLW "[ERROR]" RESET "Please choose a shorter filename where to save the results..\n");
            exit(1);
          }
          strncpy(file_out, argv[optind], strlen(argv[optind]));
          optind++;
        } 
        else 
        {
          printf("OPT: %d %s %ld\n", optind, optarg, strlen(optarg));
          if (strlen(optarg)>45) 
          {
            printf(YLW "[ERROR]" RESET "Please choose a shorter filename where to save the results..\n");
            exit(1);
          }
          strncpy(file_out, optarg, strlen(optarg));
        }
        save_json(file_out);
        break;
      default: return help();
    }
  }
...
  // 检查参数中的pcap文件
  if (arg_nbr==-1) {
    printf(RED "[Error]" RESET " Missing capture file\n!");
    return help();
  }

  printf(GRN "[INFO]" RESET " Parsing pcap file...\n");
  pcap_t *handle = pcap_open_offline(argv[arg_nbr], errbuf); 
  if(handle == NULL){
    printf(RED "[ERROR]" RESET " %s\n", errbuf);
    help();
    exit(1);
  }
  pcap_loop(handle, 0, my_packet_handler, NULL); 

  analysis(argv[arg_nbr], file_out);

  return 0;
}

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编译运行：

ARP中毒在于欺骗主机，让其相信我们是默认网关。受害者定期向默认网关询问其MAC地址（ARP协议）。但攻击者可以向受害者发送数据包，说明默认网关位于另一个MAC地址（例如，攻击的MAC地址）。攻击者只需要“定期”发送这些数据包，这样受害者就可以“丢弃”来自默认网关的真实消息。

TCP重传，在TCP连接中发送的每个数据字节都有一个相关的序列号。这在TCP标头的序列号字段中指示。

当接收套接字检测到传入的数据段时，它会使用TCP标头中的确认号来指示接收。发送数据包后，发送方将启动可变长度的重传定时器。如果在定时器到期之前没有收到确认，则发送方将认为该段已丢失，并将重新发送。

当另一个数据包拥有与当前数据包相同的确认和序列号时，我们可以看到TCP重传。

TTL过期攻击： IP数据包的生存时间（TTL）字段对应于该数据包在被路由器丢弃之前“允许”在网络中传播的时间。它是一个8位值，通常在每跳一次时减少一个。

JSON format：

总结

网络异常是指网络通信过程中出现的不正常的情况，其中包括TTL过期攻击、ARP中毒、TCP重传与重叠碎片、多个TTL值的识别与应对等问题。

综上所述，深入剖析pcap中的网络异常需要结合网络原理、协议知识和数据包解析技术，以及对常见的网络故障排除方法的理解。这样才能有效地分析并解决网络异常问题。

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