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1、计算机网络课程设计课程名称 计算机网络 题目名称 解析IP数据包 专业班级 09计算机科学与技术(1)班学 号 22 11 17 62 01 39 33 26 学生姓名 陆天扬 郝大伟 李宁 田恬 曹卫蒙 杨照平 王海 孙乐指导教师 吴璞 目 录一、课程设计目的和意义3二、设计题目和要求3三、设计内容33.1预备知识33.2课程设计分析83.2.1网卡设置83.2.2使用套接字83.2.3接收数据包93.2.4定义IP头部的数据结构93.2.5 IP包的解析93.3 IP数据包捕获处理103.4程序流程图123.5程序源代码12四、设计结果分析及总结164.1结果分析123.5总结12五、附录
2、17学 号姓 名陆天扬郝大伟王海田恬课程设计ABCC学 号姓 名曹卫蒙李宁杨照平孙乐课程设计CDDD一、课程设计的目的和意义21世纪是一个以网络为核心的信息时代，要实现信息化，就必须依靠完善的网络。通过本课程设计，使学生在对计算机网络技术与发展整体了解基础上，掌握网络的主要种类和常用协议的概念及原理，初步掌握以TCP/IP协议族为主的网络协议结构。本次课程设计的目的是设计一个解析IP数据包的程序，并根据分析结果说明IP数据包的结构及IP协议的相关问题，对IP层的工作原理有更好的理解和认识。二、设计题目和要求本设计的目的是捕获网络中的IP数据包，并解析数据包的内容，将结果显示在标准输出上，并同时
3、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。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、设计内容。三、设计内容 3.1预备知识 互联网络层是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数据包传递给数据链路层。IP协议在TCP/IP协议族中处于核心地位，I
4、P协议制定了统一的IP数据包格式，以消除个通信子网间的差异，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3-1给出了IP数据包格式。图3-1 IP数据包格式IP数据包的第一个字段是版本字段，其长度为4位，表示所使用的IP协议的版本。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。报头中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2040B之间，是可变的。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
5、位优先级（precedence）子域组成，1位为保留位。该字段结构如图3-2所示。图3-2服务类型字段优先级共有8种，优先级越高表明数据包越重要。表3-1列出了各种优先级所代表的意义。表3-1 优先级子域的说明位数（b7 b6 b5） 意义111网络控制110网络间控制101重要（CRITIC/ECP）100即时，优先011即时010立刻001优先000普通在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C（成本）。表3-2列出了服务类型子域的构成表3-2 服务类型子域位数（b4 b3 b2 b1） 意义1111安全及最高1000延迟最小0100吞
6、吐量最大0010可靠性最大0001金钱成本最小0000普通服务总长度字段为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。表示字段长度为16位，用于识别IP数据包的编号。每批数据都要有一个标识值，用于让目的主机判断新来的数据属于哪一组。报头中的标致字段如图7-3所示。标志字段共3位，最高位是0.禁止分片标志DF（do not fragment）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（more fragment）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.图3-3 标致字段的结
7、构0DFMF片偏移字段共13位，说明分片在整个数据包中的相对位置。片偏移值是以8B为单位计数的，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，表示使用此IP数据包的高层协议类型，常用的协议号如表3-3所示。表3-3 典型的协议号序号 协议名称 序号协议名称1ICMP17UDP2IGMP41IPv64IP inIP46RSVP6TCP89OSPF8EGP头校验和字段为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包的报头。校验和按如下方法计算：1）
8、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。当收到一个IP包时，要检查报头是出错，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。地址字段包括源地址和目的地址。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040B，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课程设计分析3.2.1网卡设置为了获取网络中的IP数据包，必须对网卡
9、进行编程，在这里使用套接字(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使用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
10、始套接字的代码如下：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。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
11、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。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。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。3.2.3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
12、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。3.2.4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。其代码如下：typedef struct IP_HEAD union /定义联合 unsigned char Version; unsigned char HeadLen; ; unsigned char ServiceT
13、ype; 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3.2.5 IP包的解析解
14、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。3.3 IP数据包捕获处理1.加载 Winsock；2.创建一个接收原始IP包的socket连接；3.绑定到一个接口；4.进行WSAIoctl设置，接收所有的IP数据包。代码如下：/设置SOCK_RAW为SIO_RCVALL,能接收所有IP包#define IO_RCVALL _WSAIOW(IOC_VENDOR,1)DWORD dwBufferLen10;DWORD dwBufferI
15、nLen=1;DWORD dwBytesReturned=0;WSAIoctl(sock,IO_RCVALL,&dwBufferInLen,sizeof(dwBufferInLen),&dwBufferLen,sizeof(dwBufferLen),&dwBytesReturned,NULL,NULL);5.接着设定一个线程进行捕获：（1）创建一个接收IP包的链表头；（2）设置一个标识，为真，则不断进行IP包的捕获；（3）建立一个新的结点，将捕获的数据包加入到该结点；（4）如果链表的长度达到指定的长度，创建一个线程对该链表的IP包进行解析；再设置一个在IP数据包链表不足给定的长度，而又中止IP
16、捕获时，对链表的处理；（5）为下一个IP包链表创建一个链表头。6.建立一个进行IP包解析并显示的线程，进行解析IP数据包，然后显示IP数据包。3.4程序流程图N退出？输出IP包信息构造程序运行环境，生成输出文件解析IP包捕获IP数据包创建原始套接字，并初始化Y结 束3.5程序源代码具体程序代码：#include #include #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_HEA
17、D 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
18、; 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(C:logfile.txt,ios:out);if(argc!=2) coutendl请以下格式输入命令行:PackParse packet_sumendl; return; WSADATA WSAData; if(WSAStartup(MAKEWORD(2,2), &WSAData)!=0) coutendlWSAS
19、Tartup初始化失败endl; return; SOCKET sock=socket(AF_INET,SOCK_RAW,IPPROTO_IP); /三个参分别为通信发生的区字段，套接字的类型，与IP协议if(sock=INVALID_SOCKET) coutendl创建Socket失败!endl; closesocket(sock); WSACleanup(); BOOL flag=TRUE; if(setsockopt(sock,IPPROTO_IP,IP_HDRINCL,(char *) &flag,sizeof(flag)=SOCKET_ERROR) coutendlsetsockop
20、t操作失败:WSAGetLastError()endl; closesocket(sock); WSACleanup(); char hostName128;/获取主机名 if(gethostname(hostName,100)=SOCKET_ERROR) coutendlgethostname操作失败:WSAGetLastError()endl; closesocket(sock); WSACleanup(); hostent *pHostIP; /获取本地IPif(pHostIP=gethostbyname(hostName)=NULL) coutendlgethostbyname操作失败
21、:WSAGetLastError()h_addr_list0; if(bind(sock,(PSOCKADDR)&host_addr,sizeof(host_addr)=SOCKET_ERROR) coutendlbind操作失败:WSAGetLastError()endl; closesocket(sock); /绑定网卡WSACleanup(); DWORD dwBufferLen10; DWORD dwBufferInLen=1; DWORD dwBytesReturned=0; if(WSAIoctl(sock , IO_RCVALL ,&dwBufferInLen , sizeof(
22、dwBufferInLen) , &dwBufferLen,sizeof(dwBufferLen),&dwBytesReturned,NULL,NULL)=SOCKET_ERROR) coutendlWSAIoctl操作失败:WSAGetLastError()endl; closesocket(sock); /将网卡设为混杂模式，以接受所有数据WSACleanup(); coutendl开始解析IP包:endl; char buffer65535; /设置缓冲区int packsum=atoi(argv1); /字符串转换为整形for(int i=0;i0) /四个参数分别是套接字描述符，缓冲
23、区的地址，缓冲区大小，附加标志 ip_head ip=*(ip_head *)buffer; cout*endl; cout版本:4)endl; /获取头部长度字段cout头部长度:(ip.HeadLen &0x0f)*4)endl; /获取头部长度字段cout服务类型:Priority5), Service1)&0x0f)endl; /优先级子域和TOS子域cout总长度:ip.TotalLenendl;/获取总长度字段 cout标识符:ip.Identifierendl;/获取标识字段 cout标志位:15)&0x01),DF= 14)&0x01),Mf=13)&0x01)endl; /获
24、得标志字段cout片偏移:(ip.FragOffset&0x1fff)endl; /获取分段偏移字段cout生存周期:(int)ip.TimeToLiveendl; /获取生存时间字段cout协议:Protocol(int)ip.Protocolendl; /获取协议字段cout头部校验和:ip.HeadChecksumendl; /获取头校验和字段cout原地址:inet_ntoa(*(in_addr *)&ip.SourceAddr)endl; /获取源IP地址字段cout目的IP地址:inet_ntoa(*(in_addr *)&ip.DestinAddr)endl; /获取目的IP地址
25、字段cout*endl; outfile版本:4)endl; outfile头部长度:(ip.HeadLen &0x0f)*4)endl; outfile服务类型:Priority5), Service1)&0x0f)endl; outfile总长度:ip.TotalLenendl; outfile标识符:ip.Identifierendl; outfile标志位:15)&0x01),DF= 14)&0x01),Mf=13)&0x01)endl; outfile片偏移:(ip.FragOffset&0x1fff)endl; outfile生存周期:(int)ip.TimeToLiveendl;
26、 outfile协议:Protocol(int)ip.Protocolendl; outfile头部校验和:ip.HeadChecksumendl; outfile原地址:inet_ntoa(*(in_addr *)&ip.SourceAddr)endl; outfile目的IP地址:inet_ntoa(*(in_addr *)&ip.DestinAddr)endl; closesocket(sock); WSACleanup(); 四、设计结果分析及总结 4.1结果分析程序运行及过如下图4-1所示：图4-1 4.2总结通过这一个星期的课程设计，我基本掌握了用套接字编程来实现获取并解析IP数据
27、包的方法。当然，过程要比想象艰辛得多。首先是一个设计思想的问题。众所周知，IP数据报的格式说明了IP协议都具有什么功能。但是由于在数据报环节知识的薄弱，我特地去图书馆查阅了相关资料，才大致了解了IP数据报的各种位与协议的概念和意义。进而在脑中才形成了解决问题的理念网卡可以接收流经其的各种数据报，所以毫无疑问的应当围绕它进行编程实现。但是这也正是我最迷惑的地方因为完全不知道如何使用套接字socket()函数毕竟是以前从未接触过的领域。后来通过在一些网络编程教材上的了解和与做同类题目同学的讨论，我编程的思路才逐渐清晰起来。课程设计是培养我们综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节,是对我们实际工作能力的具体训练和考察过程。随着科学技术发展的日新月异，网络已经成为当今计算机发展中空前活跃的领域，在生活中可以说是无处不在，因此作为二十一世纪的计算机专业的大学生来说掌握网络组网技术是十分重要的。五、附录参考文献：1计算机网络（第5版） 谢希仁 编著 电子工业出版社2计算机网络课程设计 王勇 代桂平 编著 清华大学出版社 3计算机操作系统 汤子瀛 西安电子科技大学出版社20014 C语言程序设计（第三版）谭浩强著 清华大学出版社5 Visual C+面向对象程序设计教程与实验 温秀梅等著 清华大学出版社