IP数据包的捕获与解析

1.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。

2.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。

3.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。

4.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： 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。

No

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);