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《计算机网络》课程设计 解析IP数据包.doc

发布时间：2022-06-10 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.21M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    3.2.5 IP包的解析
    解析IP包的字段有两种策略。针对长度为8位、16位和32位的字段(或子字段)时，可以利用IP-HEA
    四、课程设计过程
    首先，分析任务，明确该程序需要实现的功能；然后，根据该功能画出相应的程序流程图；其次，打开VC，用C
    图 10截获的IP数据包
    实验测试结果显示，在截获的IP数据包中大多数为ICMP、TCP、UDP协议的数据包，并且版本都为4。
    [3] 王春晓 赵艳标.计算机网络教程 北京:机械工业出版社,2005.08.
    [4] 兰少华 杨余旺 吕建勇.TCP/IP网络与协议 北京:清华大学出版社 2006.01.
    计算机网络课程设计报告 题 目： 解析 IP 数据包 学生姓名： 学 号： 专业班级： 同组姓名: 指导教师： 潘梅森 设计时间： 2010 年上学期第 17 周 指导老师意见： 评定成绩： 签名： 日期： 年 月 日
    一、课程设计的目的和意义 课程设计目的： 本章课程设计的目的就是设计一个解析 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。 课程设计意义： 1、有利于编程能力的提高 在做设计的过程中，我再一次熟悉了开发设计的基本流程，从分析任务到确 立整体框架再到确定算法，然后再一步步实现各函数的功能。从中，我熟悉了许 多新的库函数，并提高了编程技巧。 2、有利于基础知识的理解 在这次课程设计之前，我们已经学完了网络层的理论知识，可是对它的理解 很粗浅。之前只知道关于网络层的一些概念性的东西。可是做完设计后，我才从 整体上理解了网络层的框架，明白了网络层的每一个组成部分都是有它特定的功 能和意义的，从而对网络层协议有了更深入的理解。 3、有利于逻辑思维的锻炼 程序设计能直接有效地训练我们的创新思维，培养分析问题、解决问题的能 力。即使一个简单的程序，从任务分析、确定算法、界面布局、编写代码到调试 运行，整个过程学生都需要有条理地构思，这中间有猜测设想、判断推理的抽象 思维训练，也有分析问题、解决问题、预测目标等能力的培养。 二、课程设计的内容和要求 本设计的目标是捕获网络中的 IP 数据包，解析数据包的内容，将结果显示 在标准输出上，并同时写入日志文件。 程序的具体要求如下： 1）以命令行形式运行：ipparse logfile，其中 ipparse 是程序名, 而 logfile 则代表记录结果的日志文件。 1
    2）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。 3）当程序接收到键盘输入 Ctrl+C 时退出。 三、课程设计的相关技术 3.1 IP 数据包的格式与分析 互联网层是 TCP/IP 协议参考模型中的关键部分。IP 协议把传输层送来的消 息组装成 IP 数据包，并把 IP 数据传递给数据链路层。IP 协议在 TCP/IP 协议族 中处于核心地位，IP 协议制定了统一的 IP 数据包格式，以消除各通信子网间的 差异，从而为信息发送方和接收方提供了透明的传输通道。编制本程序前，首先 要对 IP 包的格式有一定的了解。图（1）给出了 IP 协议的数据包格式。 IP 数据包的第一字段是版本字段，其长度为 4 位，表示所使用的 IP 协议的 版本。目前的版本 IPV4，版本字段的值为 4，下一代的版本是 IPV6，版本字段 的值为 6。本程序主要针对版本值为 4 的 IP 数据包的解析。 报头标长(IHL)字段为 4 位，它定义了以 4B 为一个单位的 IP 包的报头长度。 报头除了选项字段和填充域字段外，其他各字段是定长的。因此，IP 数据包的 头长度在 20-40B 之间，是可变的。 0 31（位） 16 19 24 4 8 版本 报头标长 服务类型 总长度 标 识 标 志 片偏移 生存时间 协 议 头校验和 源 IP 地址 目的 IP 地址 任选项（0 或多项） 填充 数据部分 图 1IP 数据包的格式 2
    服务类型字段共 8 位，用于指示路由器如何处理该数据包。该字段长度由 4 位服务类型(TOS)子域和 3 位优先级(b7 b6 b5)(precedence)子域组成，1 位为保 留位，该字段结构如图（2）所示： b3 b7 b6 b4 b5 b2 b1 b0 优先级 D T R C 0 图 2 服务类型字段结构 优先级共有关 8 种，优先级越高表明数据包越重要。图（3）列出了各种优 先级所代表的意义。 位数(b7b6b5) 111 110 101 100 011 010 001 000 意义 网络控制 网络间控制 重要(CRITIC/ECP) 即时、优先 即时 立刻 优先 普通 图 3 优先级子域的说明 在 4 位服务类型子域中，b4 b3 b2 b1 分别表示 D（延迟）、T（吞吐量）、R （可靠性）与（成本）。表图（4）列出了服务类型子域的构成。 位数（b4 b3 b2 b1） 1111 1000 0100 0010 0001 0000 意义 安全 延迟最小 吞吐量最大 可靠性最大 成本最小 普通服务 图 4 列出了服务类型子域 3
    总长度字段为 2B，它定义了以字节为单位的数据包的总长度。IP 数据包的 最大长度为 216 =65535B。 标识字段长度为 16 位，用于识别 IP 数据包的编号。每批数据都有一个标识 值，用于让目的主机判断新来的数据属于哪个分组。 报头中的标志字段如图（5）所示。标志字段共 3 位，最高位是 0，禁止分 片标志 DF 字段的值若为 1，表示不能对数据包分片；若 DF 值为 0，则表明可 以分片。分片标志 MF 的值为 1，表示接收到的不是最后一个分片；若 MF 值为 0，表示接收到的是最后一个分片。 0 DF MF 图 5 标志字段的结构 片偏移字段共 13 位，说明分片在整个数据包中的相对位置。片偏移值是 8B 为单位来计数的，因此选择的分片长度应该是 8B 的整数倍。 生存时间（TTL）字段为 8 位，用来设置数据包在互联网络的传输过程的寿 命，通常是用一个数据包可以经过的最多的路由器跳步数来限定的。 协议字段为 8 位，表示使用 IP 数据包的高层协议类型，常用的协议号如图 （6）所示。 序号 协议名称 序号 协议名称 1 2 4 6 8 ICMP IGMP IP in IP TCP EGP 17 41 46 89 UDP IPv6 RSVP OSPF 图 6 典型的协议号 头部验和字段为 16 位，用于存放检查报头错误的校验码。校验的范围是整 个 IP 包的包头。校验和按如下方法计算： 1）将头校验和的字段置为 0。 2）将报头部分的所有数据以 16 位为单位进行累加，累加方式是求异或。 3）将累加的结果取反码，就是头校验和。 4
    当收到一个 IP 包时，要检查报头是否出错，就把报头中的所有数据以 16 位为单位进行累加，若累加的结果为 0，则报头没有出错。 地址字段包含源地址和目的地址。源地址和目的地址的长度都是 32 位，分 别表示发送数据包的源主机和目的主机的 IP 地址。 选项字段的长度范围是 0~40B，主要用于控制和测试。在使用选项字段的 过程中，有可能出现报头部分的长度不是 32 位的整数倍的情况。如果出现这种 情况，就需要通过填充位来凑齐。 3.2 程序分析设计 3.2.1 网卡设置 为了获取网络中的 IP 数据包，必须对网卡进行编程，在这里我们使用套接 字(socket)进行编程。但是，在通常情况下，网络通信的套接字程序只能响应与 自己硬件地址相匹配的数据包或是以广播形式发出的数据包。对于其他形式的数 据包，如已到达网络接口，但却不是发送到此地址的数据包，网络接口在骓投递 地址并非自身地址之后将不引起响应，也就是说应用程序无法收取与自己无关的 数据包。我们要想获取网络设备的所有数据包，就是需要将网卡设置为混杂模式。 3.2.2 程序设计 本程序主要由三部分构成：初始化原始套接字，反复监听捕获数据包和解析 数据包。下面就结合核心代码对程序的具体实现进行分析，同时使程序流程更加 清晰，去掉了错误检查等保护性代码。 3.2.3 使用原始套接字 套接字分为三种，即流套接字(Stream socket)、数据报套接字(Datagram Socket)和原始套接字(Raw Socket)。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=WSAsocket(AF_INET,SOCK_RAW,IPPROTO_IP,NULL,0,WSA_FLAG_OVERL APPED); 本设计不用考虑超时情况。 创建套接后，IP 头就会包含在接收数据包中。然后，我可以设置 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， 5
    表明用户可以亲自对 IP 头进行处理。最后使用 bind()函数将 socket 绑定到本地 网卡上。绑定网卡后，需用 WSAIoctl()函数把网卡设置为混杂模式，使网卡能够 接收所有的网络数据。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。 /* 设置 IP 头操作选项，使用户可以对 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); bind(sock,(PSOCKADDR)&addr_in,sizeof(addr_in)) ; /* 绑定 socket */ 3.2.4 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。 3.2.5 IP 包的解析 6
    解析 IP 包的字段有两种策略。针对长度为 8 位、16 位和 32 位的字段(或子 字段)时，可以利用 IP-HEADER 的成员直接获取。要解析长度不是 8 位倍数的 字段(或子字段)时，可以利用 C 语言中的移位以人、及与、或操作完成。 四、课程设计过程 首先，分析任务，明确该程序需要实现的功能；然后，根据该功能画出相应 的程序流程图；其次，打开 VC，用 C++语言书写源代码，并且进行调试，直到得 出正确的结果，并对程序的最后运行结果进行截图；最后，完成课程设计报告。 4.1 程序流程图如下 开 始 构造程序运行环境 创建原始接字，并初始化 捕获 IP 包 解析 IP 包 解析 IP 包 Ctrl+C(中断) Y 结 束 图 6 程序流程图 7 N
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