计算机网络原理课程大作业指南.docx

计算机网络原理课程大作业指南

计算机网络课程大作业

院（系）：计算机学院
专业：计算机科学及技术
姓名：
班级：
学号：
指导教师：

2015年9月16日

任务一 帧封装
任务目的：
• 编写程序，根据给出的原始数据，组装一个IEEE 802.3格式的帧（题目）默认的输入文件为二进制原始数据（文件名分别为input1和input2））。
• 要求程序为命令行程序。比如，可执行文件名为framer.exe，则命令行形式如下：framer inputfileoutputfile，其中，inputfile为原始数据文件，outputfile为输出结果。
• 输出:对应input1和input2得结果分别为output1和output2。

任务要求：
• 编写程序，根据给出的原始数据，组装一个IEEE 802.3格式的帧（题目）默认的输入文件为二进制原始数据（文件名分别为input1和input2））。
• 要求程序为命令行程序。比如，可执行文件名为framer.exe，则命令行形式如下：framer inputfileoutputfile，其中，inputfile为原始数据文件，outputfile为输出结果。
• 修改并完善程序。
输出:对应input1和input2得结果分别为output1和output2

设计相关知识：
帧：来源于串行线路上的通信。其中，发送者在发送数据的前后各添加特殊的字符，使它们成为一个帧。Ethernet从某种程度上可以被看作是机器之间的数据链路层连接。
按802.3标准的帧结构如下表所示（802.3标准的Ethernet帧结构由7部分组成）
802.3标准的帧结构
前导码
帧前定界符
目的地址
源地址
长度字段
数据字段
校验字段
7B
1B
(2/6B)
(2/6B)
(2B)
(长度可变)
(4B)
其中，帧数据字段的最小长度为46B。如果帧的MAC数据少于46B，则应将数据字段填充至46B。填充字符是任意的，不计入长度字段值中。
在校验字段中，使用的是CRC校验。校验的范围包括目的地址字段、源地址字段、长度字段、MAC数据字段。
---
以太网/IEEE 802.3帧的结构
下图所示为以太网/IEEE 802.3帧的基本组成。

如图所示，以太网和IEEE 802.3帧的基本结构如下：
前导码(Preamble)：由0、1间隔代码组成，可以通知目标站作好接收准备。
IEEE 802.3帧的前导码占用7个字节，紧随其后的是长度为1个字节的帧首定界符（SOF）。以太网帧把SOF包含在了前导码当中，因此，前导码的长度扩大为8个字节。
帧首定界符（SOF:Start-of-Frame Delimiter）：IEEE 802.3帧中的定界字节，以两个连续的代码1结尾，表示一帧实际开始。
目标和源地址（DA、SA）：表示发送和接收帧的工作站的地址，各占据6个字节。其中，目标地址可以是单址，也可以是多点传送或广播地址。
类型（以太网）：占用2个字节，指定接收数据的高层协议。
长度L（IEEE 802.3）：表示紧随其后的以字节为单位的数据段的长度。
数据L（以太网）：在经过物理层和逻辑链路层的处理之后，包含在帧中的数据将被传递给在类型段中指定的高层协议。虽然以太网版本2中并没有明确作出补齐规定，但是以太网帧中数据段的长度最小应当不低于46个字节。
数据（IEEE 802.3：LLCPDU逻辑链路层协议数据单元）：IEEE 802.3帧在数据段中对接收数据的上层协议进行规定。如果数据段长度过小，使帧的总长度无法达到64个字节的最小值，那么相应软件将会自动填充数据段，以确保整个帧的长度不低于64个字节。
LLCPDU——它的范围处在46字节至1500字节之间。
最小LLCPDU长度46字节是一个限制，目的是要求局域网上所有的站点都能检测到该帧，即保证网络工作正常。如果LLCPDU小于46个字节，则发送站的MAC子层会自动填充“0”代码补齐
802.3一个帧的长度计算公式：
DA+SA+L+LLCPDU+FCS=6+6+2+(46～1500)+4=64～1518
即当LLCPDU为46个字节时，帧最小，帧长为64字节；当LLCPDU为1500字节时，帧最大，帧长为1518字节
帧校验序列（FCS:Frame Check Sequence）：该序列包含长度为4个字节的循环冗余校验值（CRC），由发送设备计算产生，在接收方被重新计算以确定帧在传送过程中是否被损坏。
循环冗余编码(CRC)是一种重要的线性分组码、编码和解码方法，具有简单、检错和纠错能力强等特点，在通信领域广泛地用于实现差错控制。CRC校验码的检错能力很强，不仅能检查出离散错误，还能检查出突发错误。
利用CRC进行检错的过程可简单描述如下：在发送端根据要传送的k位二进制码序列，以一定的规则产生一个校验用的r位监督码(CRC码)，附在原始信息的后边，构成一个新的二进制码序列(共k+r位)，然后发送出去。在接收端，根据信息码和CRC码之间所遵循的规则进行检验，以确定传送中是否出错。这个规则在差错控制理论中称为“生成多项式”。
CRC的基本实现
前导码
帧前定界符
目的地址
源地址
长度字段
数据字段
校验字段
7B
1B
(2/6B)
(2/6B)
(2B)
(长度可变)
(4B)
循环冗余校验码的特点：（1）CRC校验码可检测出所有单个错误。（2）CRC校验码可检测出所有奇数位错误。（3）CRC校验码可检测出所有双位的错误（4）CRC校验码可检测出所有小于、等于校验位长度的突发错误。（5）CRC校验码可以的概率检测出长度为(K+1)位的突发错误。

程序流程图：

任务分析：
• 填充帧头部字段
要完成一次帧封装的过程，首先要完成的就是帧头部的装入，这一过程只要将签到吗、定界符、目的地址、源地址、长度字段的相应数值按顺序写入就可以了。其中，长度字段的值即为要发送的数据的实际长度。
• 填充数据字段
在填充数据字段的过程中要注意的主要问题是数据字段的长度。802.3标准中规定了帧数据字段的最小长度为46B，最大长度为1500B。如果数据不足46B，则需要通过填充0来补足；若数据长度超过1500B，则的大奖超过部分封装入下一个帧进行发送。
• CRC校验
帧封装的最后一步就是对数据进行校验，并将校验结果记入帧校验字段。

程序流程图：

CRC计算流程图：

程序源代码：
#include
#include
#include

void main(intargc,char*argv[])
{
//如果输入命令行不正确，则输出提示后退出。
if(argc!=3)
{
cout< char des_add[]={char(0x00),char(0x00),char(0xE4),char(0x86),char(0x3A),char(0xDC)};
file.write(des_add,6);//写入B的目的地址。

char sor_add[]={char(0x00),char(0x00),char(0x80),char(0x1A),char(0xE6),char(0x65)};
file.write(sor_add,6);//写入B的源地址。

//创建输入文件流并打开指定的输入文件，以二进制方式打开并可读。

ifstreaminfileargv[1],ios::in|ios::binary,0);

int length=0;
infile.seekg(0,ios::end);//将读指针移到文件末尾。
length=infile.tellg();//计算指针偏移量，即为输入文件的长度。
unsigned char* data=new unsigned char[length];//创建字符指针并根据文件长度初始化。
infile.seekg(0,ios::beg);//将读指针移到文件开始。
infile.read(data,length);//将文件数据读入到字符指针data中。
file.putchar(length>>8));
file.put(char(length&0xff));//将文件长度值按照逆序写入到输出文件的长度字段中。
file.write(data,length);//将data内容写入到输出文件中。

//如果输入文件长度不足B，则用补足B。

if(length<46)
{
for(int j=length;j<46;j++)
file.put(char(0x00));
}

file.put(char(0x00));//将数据字段后添加个
file.seekg(8,ios::beg);//将读指针指向目的地址字段，从此处开始CRC计算
unsigned char ch;//ch用来保存读入的字符。
unsigned char crc=char(0x00);//余数初始值为。

while(1)//进行CRC计算
{
file.get(ch);
if(ch==0xff)//判断是否到了文件结尾，如果是，则退出循环。
break;

for(i=0;i<8;i++)//对入读入的字符的位分别处理。
{
if(0x80==(crc&(0x80)))//当前余数最高位为，需要进行除法运算。
{
crc=(crc<<1)&(0xff);//crc左移位最低位补。
crc=crc|((ch&0x80)>>7);//将输入数据相应的值递补到余数末位。
crc=crc^(0x07);//进行除法运算，即及除数的低位相异或。
}
else//当前余数的最高位为，不需要进行除法运算。
{
crc=(crc<<1)&(0xff);//crc左移位，最低位补。
crc=crc|((ch&0x80)>>7);//将输入数据相应位的值递补到余数末位。
}
ch=ch<<1;//读到的字符左移位，使数据下一位作为输入位。
}
}

file.clear();
file.seekp(-1,ios::end);//将写指针移到输出文件的最后。
file.put(crc);//写入crc码。

file.close();
infile.close();//关闭输入文件和输出文件。

cout< echo "OK"
exit 0
fi

小结：
实现帧的封装，主要是将帧的七个部分---前导码、帧前定界符、目的地址、源地址、长度字段、数据字段和校验字段，一个一个按顺序封装的，最后使得一个帧的封装得以完成。同时，在编写程序的过程中，用到了很多的函数，这些函数的运用使得程序简便而且正确的运行出来。

任务二 解析IP数据包
任务目的：
• 设计一个解析IP数据包的程序，并根据这个程序，说明IP数据包的结构及IP协议的相关问题，从而对IP层的工作原理有更好的理解和认识。

任务要求：
本实验的目标是捕获网络中的IP数据包，解析数据包的内容，见个结果显示在标准输出上，并同时写入日志文件。
程序的具体要求如下：
• 以命令行形式运行：ipparselogfile，其中ipparse是程序名，而logfile则代表记录结果的日志文件。
• 在标准输出、和日志文件中写入捕获的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、分段偏移值、生存时间、上层协议类型、头校验和、源IP地址和目的IP地址等内容。
• 当程序接收到键盘输入Ctrl+C时退出。

设计相关知识：
IP数据报的格式说明IP协议都具有什么功能。其首部，版本目前广泛使用的版本号为4；首部长度站4bit；服务类型占8bit，其中服务类型TOS子域占4位，优先级子域占3位，另一位为保留位；总长度字段为2B，IP数据包的最大长度是65535B；标识占16bit，它是一个计数器，用来产生数据报的标识；标志占3bit，其中最低为为MF，MF=1时为后面“还有分片”，MF=0表示这是数据报片中的最后一个，DF=0时，表示允许分片；片偏移以8个字节为偏移单位；生存时间字段记为TTL，单位为秒；协议段占8bit，用于指出次数据是使用何种协议，典型的协议号有6：TCP，17：UDP，1：ICMP。
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。
typedefstruct IP_HEAD
{
}}ip_head;用来定义IP头部数据。
setsockopt(sock,IPPROTO_IP,IP_HDRINCL,(char *)函数用来获取本机IP地址
htons()函数将无符号短整型转换为网络字节顺序的数据
本程序在windows环境下利用C++语言编写。

任务设计分析：
为了获取网络中的IP数据包，必须对网卡进行编程，我们使用套接字进行编程。
• 使用套接字
• 接收数据包
• 定义IP头部的数据结构
• IP包的解析
程序流程图：

具体程序代码：

#include
#include
#includeip.h>
#include
#include
//#include

#pragma comment(lib,"ws2_32") //指定连接到网络应用和internet

#define IO_RCVALL _WSAIOW(IOC_VENDOR,1)

typedef struct IP_HEAD
{
union //定义联合
{
unsigned char Version;
unsigned char HeadLen;
};
unsigned char ServiceType;
unsigned short TotalLen;
unsigned short Identifier;
union
{
unsigned short Flags;
unsigned short FragOffset;
};
unsigned char TimeToLive;
unsigned char Protocol;
unsigned short HeadChecksum;
unsigned int SourceAddr;
unsigned int DestinAddr;
unsigned char Options;
}ip_head; //定义IP头部的数据结构

void main(int argc,char *argv[])
{

using namespace std;
ofstream outfile("e:\\logfile.txt",ios::out);
if(argc!=2)
{
cout<0)
{
cout<IP_HDRINCL,(char *) &flag,sizeof(flag))==SOCKET_ERROR)
{
cout<losesocket(sock);
WSACleanup();

}
hostent *pHostIP; //获取本地IP
if((pHostIP=gethostbyname(hostName))==NULL)
{
cout<t=htons(6000);
host_addr.sin_addr=*(in_addr *)pHostIP->h_addr_list[0];
if(bind(sock,(PSOCKADDR)&host_addr,sizeof(host_addr))==SOCKET_ERROR)
{
cout<
DWORD dwBytesReturned=0;
if(WSAIoctl(sock , IO_RCVALL ,&dwBufferInLen , sizeof(dwBufferInLen) , &dwBufferLen,sizeof(dwBufferLen),&dwBytesReturned,NULL,NULL)==SOCKET_ERROR)
{
cout<out<0) //四个参数分别是套接字描述符，缓冲区的地址，缓冲区大小，附加标志
{
ip_head ip=*(ip_head *)buffer;
cout<<"-----------------------"<n>>4)<>5)<<", Service"<<((ip.ServiceType>>1)&0x0f)<>15)&0x01)<<",DF= "<<((ip.Flags>>14)&0x01)<<",Mf="<<((ip.Flags>>13)&0x01)<和字段
cout<<"原地址:"<>4)<务类型:Priority"<<(ip.ServiceType>>5)<<", Service"<<((ip.ServiceType>>1)&0x0f)<>15)&0x01)<<",DF= "<<((ip.Flags>>14)&0x01)<<",Mf="<<((ip.Flags>>13)&0x01)<ffset&0x1fff)<

closesocket(sock);
WSACleanup();
}
程序运行结果：
程序编译运行后：

以命令行形式运行程序ipparse:

同时在程序所在的文件夹中生成了名为logfile的txt文件，里面记录了上面显示的内容。

小结：
IP数据报的格式说明了IP协议都具有什么功能，因为完全不知道如何使用套接字socket()函，查阅了相关资料，了解了IP数据报的各种位及协议的概念和意义，通过解析IP数据包这个任务，基本掌握了用套接字编程来实现获取并解析IP数据包的方法。

任务三 发送TCP数据包
任务目的：
• 设计一个发送TCP数据包的程序，并根据本设计说明TCP数据包的结构以及TCP协议及IP协议的关系，使大家对TCP协议的工作原理有更深入的认识。
•
任务要求：
本程序的功能是填充一个TCP数据包，并发送给目的主机。
• 以命令行形式运行：SendTCPsource_ipsource_portdest_ipdest_port
其中SendTCP为程序名；source_ip为源IP地址；source_port为源端口；dest_ip为目的IP地址；dest_port为目的端口。
• 其他的TCP头部参数自行设定。
• 数据字段为“This is my homework of network
• 成功发送后在屏幕上输出“send OK”。

课程设计分析：
• 使用原始套接字
• 定义IP头部、TCP头部和伪头部的数据结构
• 填充数据包
• 发送数据包

设计思想：
本课程设计的目标是发送一个TCP数据包，可以利用原始套接字来完成这个工作。整个程序由初始化原始套接字和发送TCP数据包两个部分组成。
创建一个原始套接字，并设置IP头选项
SOCKET sock;
sock = socket(AF_INET,SOCK_RAW,IPPROTO_IP);
或者：
sock=WSASoccket(AF_INET,SOCK_RAW,IPPROTOIP,NULL,0,WSA_FLAG_OVERLAPPED);
设置SOCK_RAW标志，表示我们声明的是一个原始套接字类型。
为使用发送接收超时设置,必须将标志位置位置为WSA_FLAG_OVERLAPPED。在本课程设计中，发送TCP包时隐藏了自己的IP地址，因此我们要自己填充IP头，设置IP头操作选项。其中flag设置为ture，并设定 IP_HDRINCL 选项，表明自己来构造IP头。注意，如果设置IP_HDRINCL 选项，那么必须具有 administrator权限，要不就必须修改注册表：
HKEY_LOCAL_MACHINE\System\CurrentControlSet\Services\Afd\Parameter\
修改键：DisableRawSecurity（类型为DWORD），把值修改为 1。如果没有，就添加。
BOOL Flag=TRUE;
setsockopt(sock, IPPROTO_IP, IP_HDRINCL, (char *)&Flag, sizeof(Flag));
int timeout=1000；
setsockopt(sock, SOL_SOCKET,SO_SNDTIMEO,(char*)&timeout, sizeof(timeout));
在这里我们使用基本套接字SOL_SOCKET，设置SO_SNDTIMEO表示使用发送超时设置，超时时间设置为1000ms。
构造IP头和TCP头
这里， IP头和TCP头以及TCP伪部的构造请参考下面它们的数据结构。
计算校验和的子函数
在填充数据包的过程中，需要调用计算校验和的函数checksum两次，分别用于校验IP头和TCP头部（加上伪头部），其实现代码如下：
USHORT checksum(USHORT *buffer, int size)
{
unsigned long cksum=0;
while(size >1)
{
cksum+=*buffer++;
size -=sizeof(USHORT);
}
if(size )
{
cksum += *(UCHAR*)buffer;
}
cksum = (cksum>> 16) + (cksum& 0xffff);
cksum += (cksum>>16);
return (USHORT)(~cksum);
}

程序流程图：

源程序代码：
#include
#include
#include
#include
#include >
#include
#include
#include
#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")

#define IPVER 4 //IP协议预定
#define MAX_BUFF_LEN 65500 //发送缓冲区最大值

typedef struct ip_hdr //定义IP首部
{
UCHAR h_verlen; //4位首部长度,4位IP版本号
UCHAR tos; //8位服务类型TOS
USHORT total_len; //16位总长度（字节）
USHORT ident; //16位标识
USHORT frag_and_flags; //3位标志位
UCHAR ttl; //8位生存时间 TTL
UCHAR proto; //8位协议 (TCP, UDP 或其他)
USHORT checksum; //16位IP首部校验和
ULONG sourceIP; //32位源IP地址
ULONG destIP; //32位目的IP地址
}IP_HEADER;

typedef struct tsd_hdr //定义TCP伪首部
{
ULONG saddr; //源地址
ULONG daddr; //目的地址
UCHAR mbz; //没用
UCHAR ptcl; //协议类型
USHORT tcpl; //TCP长度
}PSD_HEADER;

typedef struct tcp_hdr //定义TCP首部
{
USHORT th_sport; //16位源端口
USHORT th_dport; //16位目的端口
ULONG th_seq; //32位序列号
ULONG th_ack; //32位确认号
UCHAR th_lenres; //4位首部长度/6位保留字
UCHAR th_flag; //6位标志位
USHORT th_win; //16位窗口大小
USHORT th_sum; //16位校验和
USHORT th_urp; //16位紧急数据偏移量
}TCP_HEADER;

//CheckSum:计算校验和的子函数
USHORT checksum(USHORT *buffer, int size)
{
unsigned long cksum=0;
while(size >1)
{
cksum+=*buffer++;
size -=sizeof(USHORT);
}
if(size)
{
cksum += *(UCHAR*)buffer;
}

cksum = (cksum>> 16) + (cksum& 0xffff);
cksum += (cksum>>16);
return (USHORT)(~cksum);
}

int main(intargc, char* argv[])
{
WSADATA WSAData;
SOCKET sock;

IP_HEADER ipHeader;
TCP_HEADER tcpHeader;
PSD_HEADER psdHeader;

char Sendto_Buff[MAX_BUFF_LEN]; //发送缓冲区
unsigned short check_Buff[MAX_BUFF_LEN]; //检验和缓冲区
const char tcp_send_data[]={"This is my homework of networt,I am happy!"};

BOOL flag;
intrect,nTimeOver;

if (argc!= 5)
{
printf("Useage: SendTcp soruce_ip source_port dest_ip dest_port \n");
return false;
}