课程设计-IP数据包捕获与解析的设计.doc

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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：

IP数据包的C++定义：
typedef struct _IP
{
union
{
BYTE Version; // 版本
BYTE HdrLen;//IHT
};
BYTE ServiceType; // 服务类型
WORD TotalLen; // 总长
WORD ID; // 标识
union
{
WORD Flags; // 标志
WORD FragOff; // 分段偏移
};
BYTE TimeToLive; // 生命期
BYTE Protocol; // 协议
WORD HdrChksum; // 头校验和
DWORD SrcAddr; // 源地址
DWORD DstAddr; // 目的地址
BYTE Options; // 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。
SOCKET sock=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
No
Yes
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

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：
SOCKET sock;
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，表明用户可以亲自对IP头进行处理。
BOOL flag=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*/
char hostName[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_in addr_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：
#define SIO_RCVALL_WSAIOW(IOC_VENDOR,1)
DWORD dwBufferLen[10];
DWORD dwBufferInLen = 1;
DWORD dwBytesReturned = 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：
#define BUFFER_SIZE 65535
char buffer[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：
typedef struct _IP_HEADER //定义IP头
{
union
{
BYTE Version; //版本（前4位）
BYTE HdrLen; //报头标长（后4位），IP头的长度
};
BYTE ServiceType; //服务类型
WORD TotalLen; //总长度
WORD ID; //标识
union
{
WORD Flags; //标志（前3位）
WORD FragOff; //分段偏移（后13位）
}；
BYTE TimeToLive; //生命期
BYTE Protocol; //协议
WORD HdrChksum; //头校验和
DWORD SrcAddr; //源地址
DWORD DstAddr; //目的地址
BYTE Options; //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_HEADER ip=*(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.Version>>4;
/*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.ServiceType>>5;
/*获取服务类型字段中的TOS子域*/
(ip.ServiceType>>1)&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.Flags>>14) & 0x01;
MF = (ip.Flags>>13) & 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:
#include <stdio.h>
#include <iostream.h>
#include <Winsock2.h>
#include <ws2tcpip.h>
#pragma comment (lib,"Ws2_32.lib")
#define BUFFER_SIZE 65535
#define IO_RCVALL _WSAIOW(IOC_VENDOR,1)

typedef struct _IP_HEADER //定义IP头
{
union
{
BYTE Version; //版本（前4位）
BYTE HdrLen; //报头标长（后4位），IP头长度
};
BYTE ServiceType; //服务类型
WORD TotalLen; //数据报总长
WORD ID; //标识
union
{
WORD Flags; //标识（前3位）
WORD FragOff; //分段偏移（后13位）
};
BYTE TimeToLive; //生存周期
BYTE Protocol; //协议
WORD HdrChksum; //头校验和
DWORD SrcAddr; //源地址
DWORD DstAddr; //目地地址
BYTE Options; //选项
}IP_HEADER;

char * parseServiceType_getProcedence(BYTE b)
{
switch(b>>5) //获取服务类型字段中优先级子域
{
case 7:
return "Network Control"; //网络控制
break;
case 6:
return "Internet work Control"; //网络控制
break;
case 5:
return "CRITIC/ECP";
break;
case 4:
return "Flash Override"; //最优先信号
break;
case 3:
return "Flsah";
break;
case 2:
return "Immediate";
break;
case 1:
return "Priority"; //协议
break;
case 0:
return "Routine"; //路由
break;
default:
return "Unknow";
break;
}
}
char * parseServiceType_getTOS(BYTE b)
{
b=(b>>1)&0x0f; //获取服务类型字段中的TOS子域
switch(b)
{
case 0:
return "Normal service"; //正常运行
break;
case 1:
return "Minimize monetary cost"; //成本
break;
case 2:
return "Maximize reliability"; //可靠性
break;
case 4:
return "Maximize throughput"; //吞吐量
break;
case 8:
return "Minimize delay"; //延迟
break;
case 15:
return "Maximize security"; //安全性
break;
default:
return "Unknow";
}
}
char * getProtocol(BYTE Protocol) //获取协议字段共8位
{
switch(Protocol) //以下为协议号说明：
{
case 1:
return "ICMP"; //Internet控制报文协议
case 2:
return "IGMP"; //Internet组管理协议
case 4:
return "IP in IP"; //移动IP数据封装和隧道
case 6:
return "TCP"; //传输控制协议
case 8:
return "EGP"; //外部网关协议
case 17:
return "UDP"; //用户数据报文协议
case 41:
return "IPv6";
case 46:
return "RSVP"; //资源预留协议
case 89:
return "OSPF"; //Open Shortest Path First 开发式最短路径优先
default:
return "UNKNOW";
}
}
void ipparse(FILE* file,char* buffer)
{
IP_HEADER ip=*(IP_HEADER*)buffer; //通过指针把缓冲区的内容强制转化为IP_HEADER数据结构
fseek(file,0,SEEK_END);
fprintf(file,"版本号=%d\r\n",ip.Version>>4);
fprintf(file,"报头标长= %d (BYTE)\r\n",((ip.HdrLen & 0x0f)*4));
fprintf(file,"服务器类型 = %s,%s\r\n",parseServiceType_getProcedence(ip.ServiceType),
parseServiceType_getTOS(ip.ServiceType));
fprintf(file,"总长度 = %d(BYTE)\r\n",ip.TotalLen);
fprintf(file,"标识 = %d\r\n",ip.ID);
fprintf(file,"标志位 DF=%d , MF=%d\r\n",((ip.Flags>>14)&0x01),((ip.Flags>>13)&0x01));
fprintf(file,"分段偏移值 = %d\r\n",(ip.FragOff&0x1fff));
fprintf(file,"生存期 = %d (hops)\r\n",ip.TimeToLive);
fprintf(file,"协议 = %s\r\n",getProtocol(ip.Protocol));
fprintf(file,"头校验和 = 0x%0x\r\n",ip.HdrChksum);
fprintf(file,"源IP地址 = %s\r\n",inet_ntoa(*(in_addr*)&ip.SrcAddr));
fprintf(file,"目的IP地址 = %s\r\n",inet_ntoa(*(in_addr*)&ip.DstAddr));
fprintf(file,"---------------------------------------------\r\n");
}

int main()
{
FILE * file;
if((file=fopen("history.txt","wb+"))==NULL)
{
printf("fail to open file %s");
return -1;
}

WORD rv;
WSADATA WSAData; //定义了能够储存WSAStarup调用返回值的结构
rv=MAKEWORD(2,2); //Winsock2版本
WSAStartup(rv,&WSAData);

SOCKET sock=socket(AF_INET,SOCK_RAW,IPPROTO_IP); //创建套接字，sock为套接字描述符
BOOL flag=true;
setsockopt(sock,IPPROTO_IP,IP_HDRINCL,(CHAR*)&flag,sizeof(flag));//任意类型、任意状态套接口的设置选项值

char hostName[128];
gethostname(hostName,100); //获取主机名

hostent * pHostIP; //获取本地IP地址
pHostIP = gethostbyname(hostName);

sockaddr_in addr_in;
addr_in.sin_addr=*(in_addr *)pHostIP->h_addr_list[0];
addr_in.sin_family = AF_INET;
addr_in.sin_port = htons(6000); //将无符号短整型主机数据转换为网络字节顺序数据
bind(sock,(PSOCKADDR)&addr_in,sizeof(addr_in));

DWORD dwBufferLen[10]; //设置网卡为混杂模式
DWORD dwBufferInLen=1;
DWORD dwBytesReturned=0;
WSAIoctl(sock, IO_RCVALL,&dwBufferInLen,sizeof(dwBufferInLen),
&dwBufferLen,sizeof(dwBufferLen),&dwBytesReturned,NULL,NULL);
char buffer[BUFFER_SIZE]; //设置缓冲区
char i,a;
printf("数据包捕捉和解析程序正在启动\n");
for(a=1;a<=10;a++)
{
printf("...");
Sleep(300);
}
printf("\n\n确定要接收并解析本机的数据包吗？ Y/N \n");
scanf("%c",&i);
system("cls");

while(true&&i=='Y'||i=='y')
{
int size=recv(sock,buffer,BUFFER_SIZE,0); //接收数据包
if (size>0)
{
printf("\n\n数据包捕获解析程序\n");
printf("---------------------------------------------\n");
ipparse(stdout,buffer);
ipparse(file,buffer);
printf("是否要继续接收并解析本机的数据包？ Y/N \n");
fflush(stdin);
scanf("%c",&i);
continue;
}
else
fclose(file);
return 0;
}
closesocket(sock);
}

七．运行结果：

八．总结
通过这次实验，我们了解到关于计算机网络数据传送及处理过程中，软件起到了巨大的作用。熟悉了VC++在计算机网络方面的应用，是一次难得的机会。
此外，我们还掌了握网络通信协议的基本工作原理，虽然刚开始的时候比较模糊,但是通过与同学共同探讨和向老师的虚心请教，最终我们成功掌握了。
这次实习培养了我们基本掌握网络编程的基本思路和方法，让我们懂得如何去学习这累东西。同时提高我们对所学计算机网络理论知识的理解能力，提高和挖掘我们对所学知识的实际应用能力和创新能力。同学们的默锲配合和合作精神是实验成功的必要条件，而谨慎对待事物的态度是成功的关键。

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