ip数据包的捕获与解析.

课程设计报告

实验项目名称 IP数据包的捕获与解析 实验学生班级 电力通信122 实验学生学号 208120529 实验学生姓名 颜辉 同组学生姓名 无 实验时间 12.15～12.19

实验地点 信息楼C322

实验成绩评定 指导教师签字

2014 年 12 月 20 日

目录

一.课程设计应达到的目的--------------------------------1

二.课程设计题目及要求----------------------------------1

三.课程设计思想----------------------------------------1

四.课程设计流程图--------------------------------------3

五．部分程序设计的分析---------------------------------3

六．IP数据包解析代码-----------------------------------6

七．运行结果-------------------------------------------11

八．总结-----------------------------------------------11

九．参考文献-------------------------------------------12

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：

1

4位版本4位首部长度8位服务类型(TOS)3位标志8位协议32位源IP地址32位目的IP地址16位总长度(字节为单位)13位片偏移16位首部检验和16位标识8位生存时间(TTL)

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。

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四.课程设计流程图

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 No

是否达到需要次数 Yes 结束

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

3

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*/

4

}

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*/

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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 #include #include #include

#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

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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;

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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\"; break; case 15: return \"Maximize security\"; break; default: return \"Unknow\"; } }

char * getProtocol(BYTE Protocol) { switch(Protocol) { case 1: return \"ICMP\"; case 2: return \"IGMP\"; case 4: return \"IP in IP\"; case 6: return \"TCP\"; case 8: return \"EGP\"; case 17: return \"UDP\"; case 41: return \"IPv6\"; case 46: return \"RSVP\"; case 89: return \"OSPF\"; default: return \"UNKNOW\"; }

//延迟 //安全性 //获取协议字段共8位 //以下为协议号说明： //Internet控制报文协议 //Internet组管理协议 //移动IP数据封装和隧道 //传输控制协议 //外部网关协议 //用户数据报文协议 //资源预留协议 //Open Shortest Path First 开发式最短路径优先8

}

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\ fprintf(file,\"报头标长= %d (BYTE)\\r\\n\ fprintf(file,\"服务器类型 = %s,%s\\r\\n\parseServiceType_getTOS(ip.ServiceType)); fprintf(file,\"总长度 = %d(BYTE)\\r\\n\ fprintf(file,\"标识 = %d\\r\\n\ fprintf(file,\"标志位 DF=%d , MF=%d\\r\\n\ fprintf(file,\"分段偏移值 = %d\\r\\n\ fprintf(file,\"生存期 = %d (hops)\\r\\n\ fprintf(file,\"协议 = %s\\r\\n\ fprintf(file,\"头校验和 = 0x%0x\\r\\n\ fprintf(file,\"源IP地址 = %s\\r\\n\ fprintf(file,\"目的IP地址 = %s\\r\\n\ fprintf(file,\"---------------------------------------------\\r\\n\"); }

int main() { FILE * file; if((file=fopen(\"history.txt\ { 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

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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; int n=0,c; 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\ printf(\"\\n\\n需要一次抓取几个数据包\\n\"); scanf(\"%d\ system(\"cls\"); while(true&&i=='Y'||i=='y') { if(n==-1){printf(\"\\n\\n需要一次抓取几个数据包\\n\"); scanf(\"%d\ 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); n++;

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if(n七．运行结果：

八．总结

本次课程设计让我学会了很多的东西，其中，最值得一提的是：①对IP协议有了比较深入的了解；②学习了Windows socket。

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我选择的课题是IP数据包的捕获与分析。所以需要对IP数据包有非常深入的了解。这次实验中，我把IP协议学了好多遍，知道了IP头中每一个字段的意思。

对IP数据包的捕获，我使用的是原始套接字，在Windows操作系统中实现的。在做实验的过程中，我把Windows socket大概学了一遍，重点学习了其中的原始套接字。在学习的过程中，对OSI七层模型有了更深的了解。对Windows socket的学习，让我对网络编程的基本方法和步骤有了一定的了解，相信这次的学习对我以后网络编程的学习会很有帮助。我感觉Windows socket确实是一个很强大的工具，但是由于是C语言的接口，用起来也有一些的繁琐。

在学习《计算机网络》这门课程的时候，我觉得很乏味无聊。但是，在做课程设计的时候，我才发现上课学的那些理论知识是非常有用的。如果没有那些理论知识的支撑，要完成这次的课程设计，基本是不可能完成的事情。所以，这次课程设计的经历又一次告诉我，理论和实际相结合是非常重要的。

九．参考文献

（1）................................................................... A

ndrew S.Tanenbaum，David J.Wetherall. 计算机网络（第五版）[M]. 北京：清华大学出版社，2012.3

（2）................................................................... B

ob Quinn，Dave Shute. Windows Sockets网络编程[M].北京：机械工业出版社，2012.8

（3）................................................................... M

SDN. TCP / IP原始套接字.

http://msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/desktop/ms740548(v=vs.85).aspx

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