《网络通信协议分析》课程设计开发实例

网络协议分析课程设计之协议编程

实验一帧封装

实验目的：

?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。

试验要求：

?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。

输出:对应input1和input2得结果分别为output1和output2

验设计相关知识：

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

其中，帧数据字段的最小长度为46B 。如果帧的LLC 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、LLC 数据字段。

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”。

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](1/2)-[11-k 的概率检测出长度为(K+1)位的突发错误

实验分析：

? 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：

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<

exit(0);

}

//打开指定的输出文件，以二进制方式打开并可读可写，如文件存在，则清除其内容。

fstream file(argv[2],ios::out|ios::in|ios::binary|ios::trunc,0);

for(int i=0;i<7;i++)

file.put((char)0xaa);

file.put((char)0xab);//写入B的前导码和B的帧前定界符。

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。

ifstreaminfile(argv[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.put(char(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，即与除数的低位相异或。

}

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<

}

运行结果：

运行结果如下所示：

执行framer.exe文件的结果如下所示：

实验小结：

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。

实验二解析IP数据包

实验目的：

?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。实验要求：

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。

实验设计分析：

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Array?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

#include

#include

#include

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

#define IO_RCV ALL _WSAIOW(IOC_VENDOR,1)

typedefstruct 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;

unsignedintSourceAddr;

unsignedintDestinAddr;

unsigned char Options;

}ip_head; //定义IP头部的数据结构

void main(intargc,char *argv[])

{

using namespace std;

ofstreamoutfile("C:\\logfile.txt",ios::out);

if(argc!=2)

{

cout<

return;

}

WSADATA WSAData;

if(WSAStartup(MAKEWORD(2,2), &WSAData)!=0)

{

cout<

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==INV ALID_SOCKET)

{

cout<

closesocket(sock);

WSACleanup();

}

BOOL flag=TRUE;

if(setsockopt(sock,IPPROTO_IP,IP_HDRINCL,(char *) &flag,sizeof(flag))==SOCKET_ERROR) {

cout<

closesocket(sock);

WSACleanup();

}

char hostName[128];//获取主机名

if(gethostname(hostName,100)==SOCKET_ERROR)

{

cout<

closesocket(sock);

WSACleanup();

}

hostent *pHostIP; //获取本地IP

if((pHostIP=gethostbyname(hostName))==NULL)

{

cout<

closesocket(sock);

WSACleanup();

}

sockaddr_inhost_addr;//

host_addr.sin_family=AF_INET;

host_addr.sin_port=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<

closesocket(sock); //绑定网卡

WSACleanup();

}

DWORD dwBufferLen[10];

DWORD dwBufferInLen=1;

DWORD dwBytesReturned=0;

if(WSAIoctl(sock , IO_RCV ALL ,&dwBufferInLen , sizeof(dwBufferInLen) , &dwBufferLen,sizeof(dwBufferLen),&dwBytesReturned,NULL,NULL)==SOCKET_ERROR) {

cout<

closesocket(sock); //将网卡设为混杂模式，以接受所有数据

WSACleanup();

}

cout<

char buffer[65535]; //设置缓冲区

intpacksum=atoi(argv[1]); //字符串转换为整形

for(inti=0;i

{

if(recv(sock,buffer,65535,0)>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_headip=*(ip_head *)buffer;

cout<<"-----------------------"<

cout<<"版本:"<<(ip.Version>>4)<

cout<<"头部长度:"<<((ip.HeadLen&0x0f)*4)<

cout<服务类型:Priority"<<(ip.ServiceType>>5)<<", Service"<<((ip.ServiceType>>1)&0x0f)<

cout<<"总长度:"<

cout<<"标识符:"<

cout<<"标志位:"<<((ip.Flags>>15)&0x01)<<",DF= "<<((ip.Flags>>14)&0x01)<<",Mf="<<((ip.Flags>>13)&0x01)<

cout<<"片偏移:"<<(ip.FragOffset&0x1fff)<

cout<<"生存周期:"<<(int)ip.TimeToLive<

cout<<"协议:Protocol"<<(int)ip.Protocol<

cout<<"头部校验和:"<

cout<<"原地址:"<

cout<<"目的IP地址:"<

outfile<<"-----------------------"<

outfile<<"版本:"<<(ip.Version>>4)<

outfile<<"头部长度:"<<((ip.HeadLen&0x0f)*4)<

outfile<<"服务类型:Priority"<<(ip.ServiceType>>5)<<", Service"<<((ip.ServiceType>>1)&0x0f)<

outfile<<"总长度:"<

outfile<<"标识符:"<

outfile<<"标志位:"<<((ip.Flags>>15)&0x01)<<",DF= "<<((ip.Flags>>14)&0x01)<<",Mf="<<((ip.Flags>>13)&0x01)<

outfile<<"片偏移:"<<(ip.FragOffset&0x1fff)<

outfile<<"生存周期:"<<(int)ip.TimeToLive<

outfile<<"协议:Protocol"<<(int)ip.Protocol<

outfile<<"头部校验和:"<

outfile<<"原地址:"<

outfile<<"目的IP地址:"<

}

}

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。

试验小结：

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数据报的各种位与协议的概念和意义，通过解析IP数据包这个实验，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。

实验三发送TCP数据包

实验目的：

?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协议与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。

?

实验要求：

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,IPPROTO_IP,NULL,0,WSA_FLAG_OV ERLAPPED);

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);

}