课程设计_IP数据包捕获与解析的设计

一.课程设计应达到的目的（1）使学生掌握网络通信协议的基本工作原理；（2）培养学生基本掌握网络编程的基本思路和方法；（3）能提高学生对所学计算机网络理论知识的理解能力；（4）能提高和挖掘学生对所学知识的实际应用能力和创新能力；（5）提高学生的科技论文写作能力。二.课程设计题目及要求IP数据包捕获与解析的设计。设计任务：（1）掌握IP数据包的工作原理与报头设计的相关字段（2）理解IP包的版本、头长度、服务类型、数据包总长度、数据包标识、分段标志、分段偏移量、生存时间、上层协议类型、头校验合、源IP地址和目的IP地址等内容。设计内容：根据IP数据包的标准格式，编写程序捕获IP数据包并进行解析，并将解析后各IP包的头部与数据字段写入输出文件。数据字段的值从捕获的文件中获取。为了获取网络中的IP数据包，可以采用Winsock的数据库查询函数gethostname()和gethostbyname()解决，捕获IP数据包并解析IP地址等内容。三.课程设计思想IP数据报的格式说明：IP数据包格式包含了标头固定部分，标头可变部分和数据区三部分。IP数据报标头部分固定为20个字节，其中包含了12个参数域，各参数域隐含着网间协议的传输机制。IP具体的标头格式如图1所示。各参数域的具体含义如下：1)版本号：长度4位，表示所使用的IP协议的版本。IPv4版本号字段值为4；IPV6版本号字段号的值为6.2)标头长：长度4位，定义了一个以4B为一个单位的IP包的报头长度3)服务类型：共8位，高3位组成优先级子域，随后4位组成服务类型子域。4)数据报总长度：总长度为2B（即6位）。定义了以字节为单位的数据报的总长度。5)重装标识：长度16位，用于识别IP数据报的编号，让目的主机判断新来的数据属于哪个分组。6)分片标识：共3位，最高位为0；DF禁止分片标识。DF=0，可以分片；DF=1，不能分片。MF:分片标识。MF=0，表示接的是最后一个分片；MF=1，不是最后一个分片。7)片偏移值：共13位，说明分片在整个数据报中的相对位置。8)生存周期：8位，用来设置数据数据报在整个网络传输过程中的寿命。常以一个数据报可以经过的最多的路由器跳步数来控制。9)协议类型：共8位，表示该IP数据报的高层协议类型。10)标头校验和：共16位，用于存放检查报头错误的校验码。11)源、宿主机地址：共32位，分别表示发送和接受数据报的源主机和宿主机的IP地址。12)选项数据域：0-40B，用于控制和测试。IP数据包的格式为：4位版本4位首部长度8位服务类型(TOS)16位总长度(字节为单位)16位标识3位标志13位片偏移8位生存时间(TTL)8位协议16位首部检验和32位源IP地址32位目的IP地址IP数据包的C++定义：typedefstruct_IP{union{BYTEVersion;//版本BYTEHdrLen;//IHT};BYTEServiceType;//服务类型WORDTotalLen;//总长WORDID;//标识union{WORDFlags;//标志WORDFragOff;//分段偏移};BYTETimeToLive;//生命期BYTEProtocol;//协议WORDHdrChksum;//头校验和DWORDSrcAddr;//源地址DWORDDstAddr;//目的地址BYTEOptions;//选项}IP;套接字的使用：本程序使用套接字socket编程，将网卡设为能够接受流经网卡的所有类型的数据包。首先，初始化套接字，然后监听数据包，解析数据包。SOCKETsock=socket(AF_INET,SOCK_RAW,IPPROTO_IP)用来创建套接字，其参数为通信发生的区字段和套接字的类型。WSAIoctl(sock,IO_RCVALL,&dwBufferInLen,sizeof(dwBufferInLen)函数用来把网卡设置为混杂模式。recv(sock,buffer,65535,0)函数用来接收经过的IP包，其参数分别是套接字描述符，缓冲区的地址，缓冲区的大小。四.课程设计流程图五．部分程序设计的分析1、使用原始套接字要进行IP层数据包的接收和发送，应使用原始套接字。创建原始套接字的代码如下：SOCKETsock;sock=WSASoccket(AF_INET,SOCK_RAW,IPPROTO_IP,NULL,0,WSA_FLAG_OVERLAPPED);在WSASoccket函数中，第一个参数指定通信发生的区字段，AF_INET是针对Internet的，允许在远程主机之间通信。第二个参数是套接字的类型，在AF_INET地址族下，有SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM、SOCK_RAW三种套接字类型。在这里，设置为SOCK_RAW，表示声明的是一个原始套接字类型。第三个参数依赖于第二个参数，用于指定套接字所有的特定协议，这里使用IP协议。第四个参数为WSAPROTOCOL_INFO位，该位可以置空。第五个参数保留，永远置0。第六个参数是标志位，WSA_FLAG_OVERLAPPED表明可以使用发送接收超时设置。创建原始套接字后，IP头就会包含在接收的数据中。然后，可以设置IP头操作选项，调用setsockopt函数。其中flag设置为true，并设定IP_HDRINCL选项，表明用户可以亲NoYes开始构造程序运行文件，生成输出文件创建并初始化原始套接字设置网卡混杂模式监听网卡捕获和解析IP数据报输出解析信息，并存入文档结束是否达到需要次数自对IP头进行处理。BOOLflag=true;setsockopt(sock,IPPROTO_IP,IP_HDRINCL,(CHAR*)&flag,sizeof(flag));之后，使用如下代码完成对socket的初始化工作：/*获取主机名*/charhostName[128];gethostname(hostName,100);/*获取本地IP地址*/hostent*pHostIP;pHostIP=gethostbyname(hostName);/*填充SOCKADDR_IN结构的内容*/sockaddr_inaddr_in;addr_in.sin_addr=*(in_addr*)pHostIP-h_addr_list[0];addr_in.sin_family=AF_INET;addr_in.sin_port=htons(6000);/*绑定socket*/bind(sock,(PSOCKADDR)&addr_in,sizeof(addr_in));填写sockaddr_in的内容时，其地址值应填写为本机IP地址，本机IP地址可以通过gethostbyname()函数获取；端口号可以随便填写，但不能与系统冲突；协议族应填为AF_INET。使用htons()函数可以将无符号短整型的主机数据转换为网络字节顺序的数据。最后使用bind(0函数将socket绑定到本机网卡上。绑定网卡后，需要用WSAIoctl()函数把网卡设置为混杂模式，使网卡能够接收所有网络数据，其关键代码如下：#defineSIO_RCVALL_WSAIOW(IOC_VENDOR,1)DWORDdwBufferLen[10];DWORDdwBufferInLen=1;DWORDdwBytesReturned=0;WSAIoct1(SnifferSocket,IO_RCVALL,&dwBufferInLen,sizeof(dwBufferInLen),&dwBufferLen,sizeof(dwBufferLen),&dwBytesReturned,NULL,NULL);如果接收的数据包中的协议类型和定义的原始套接字匹配，那么接收到的数据就拷贝到套接字中。因此，网卡就可以接收所有经过的IP包。2、接收数据包在程序中可使用recv()函数接收经过的IP包。该函数有四个参数，第一个参数接收操作所用的套接字描述符；第二个参数接收缓冲区的地址；第三个参数接收缓冲区的大小，也就是所要接收的字节数；第四个参数是一个附加标志，如果对所发送的数据没特殊要求，直接设为0。因为IP数据包的最大长度是65535B，因此，缓冲区的大小不能小于65535B。设置缓冲区后，可利用循环来反复监听接收IP包，用RECV()函数实现接收功能的代码如下：#defineBUFFER_SIZE65535charbuffer[BUFFER_SIZE];//设置缓冲区while(true){recv(sock,buffer,BUFFER_SIZE,0);//接收数据包/*然后是解析接收的IP包*/}3、定义IP头部的数据结构程序需要定义一个数据结构表示IP头部。这个数据结构应该和IP数据包的格式吻合，其代码如下：typedefstruct_IP_HEADER//定义IP头{union{BYTEVersion;//版本（前4位）BYTEHdrLen;//报头标长（后4位），IP头的长度};BYTEServiceType;//服务类型WORDTotalLen;//总长度WORDID;//标识union{WORDFlags;//标志（前3位）WORDFragOff;//分段偏移（后13位）}；BYTETimeToLive;//生命期BYTEProtocol;//协议WORDHdrChksum;//头校验和DWORDSrcAddr;//源地址DWORDDstAddr;//目的地址BYTEOptions;//选项}IP_HEADER;这里只考虑IP头部结构，不考虑数据部分。在捕获IP数据包后，可以通过指针把缓冲区的内容强制转化为IP_HEADER的数据结构。IP_HEADERip=*(IP_HEADER*)buffer;4、IP包的解析通过IP_HEADER解析IP头各个字段的代码：/*获取版本字段*/ip.Version4;/*获取头部长度字段*/ip.HdrLen&0x0f;/*获取服务类型字段中的优先级子域*/ip.ServiceType5;/*获取服务类型字段中的TOS子域*/(ip.ServiceType1)&0x0f;/*获取总长度字段*/ip.TotalLen;/*获取标识字段*/ip.ID;/*解析标志字段*/DF=(ip.Flags14)&0x01;MF=(ip.Flags13)&0x01;/*获取分段偏移字段*/ip.FragOff&0x1fff;/*获取生存时间字段*/ip.TimeToLive;/*获取协议字段*/ip.Protocol;/*获取头校验和字段*/ip.HdrChksum;/*解析源IP地址字段*/inet_ntoa(*(in_addr*)&ip.SrcAddr);/*解析目的IP地址字段*/inet_ntoa(*(in_addr*)&ip.DstAddr);六．IP数据包解析代码如下:#includestdio.h#includeiostream.h#includeWinsock2.h#includews2tcpip.h#pragmacomment(lib,Ws2_32.lib)#defineBUFFER_SIZE65535#defineIO_RCVALL_WSAIOW(IOC_VENDOR,1)typedefstruct_IP_HEADER//定义IP头{union{BYTEVersion;//版本（前4位）BYTEHdrLen;//报头标长（后4位），IP头长度};BYTEServiceType;//服务类型WORDTotalLen;//数据报总长WORDID;//标识union{WORDFlags;//标识（前3位）WORDFragOff;//分段偏移（后13位）};BYTETimeToLive;//生存周期BYTEProtocol;//协议WORDHdrChksum;//头校验和DWORDSrcAddr;//源地址DWORDDstAddr;//目地地址BYTEOptions;//选项}IP_