IP层网络数据抓包实现方法

    做过网管或协议分析的人一般都熟悉sniffer这个工具，它可以捕捉流经本地网卡的所有数据包。抓取网络数据包进行分析有很多用处，如分析网络是否有网络病毒等异常数据，通信协议的分析（数据链路层协议、IP、UDP、TCP、甚至各种应用层协议），敏感数据的捕捉等。下面我们就来看看在windows下如何实现数据包的捕获。

    WINSOCK本身就提供了抓取流经网卡的所有数据包的函数，虽然只能在IP协议层上捕捉，但只要您的工作没有涉及到数据链路层的话，这也就足够用了。抓取数据包的编程方法基本和编写其它网络应用程序一样，只需多一个步骤，即将SOCKET设置为接收所有数据的模式，这是用WSAIoctl来实现的。

    编程实现主要有以下几个步骤：
    1. 初始化WINSOCK库；
    2. 创建SOCKET句柄；
    3. 绑定SOCKET句柄到一个本地地址；
    4. 设置该SOCKET为接收所有数据的模式；
    5. 接收数据包；
    6. 关闭SOCKET句柄，清理WINSOCK库；

    除第4个步骤外，其它的步骤都和编写其它网络应用程序一样。那我们就主要来看一下第4个步骤WSAIoctl。

    WSAIoctl是定义在mstcpip.h里面的。系统SDK里面本身就有。函数原型如下：
int WSAIoctl(
  SOCKET s,
  DWORD dwIoControlCode,
  LPVOID lpvInBuffer,
  DWORD cbInBuffer,
  LPVOID lpvOutBuffer,
  DWORD cbOutBuffer,
  LPDWORD lpcbBytesReturned,
  LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped,
  LPWSAOVERLAPPED_COMPLETION_ROUTINE lpCompletionRoutine
);
    参数很多，但我们只需用到5个。s是步骤2创建的句柄；dwIoControlCode设为SIO_RCVALL；lpvInBuffer和cbInBuffer是输入参数，SIO_RCVALL的输入参数是u_long，给它一个1的值就可以了；lpcbBytesReturned是返回字节数，给一个DWORD变量的地址；其它的都没用，传0就可以了；

u_long sioarg  =   1 ;
DWORD wt = 0 ;
WSAIoctl( h, SIO_RCVALL ,  & sioarg, sizeof (sioarg),NULL, 0 , & wt,NULL,NULL ) ;

    下面我们就来看一下完整的代码：

#include  < winsock2.h >
#include  < windows.h >
#include  < Mstcpip.h >

#pragma  comment(lib,"Ws2_32.lib")

#include  < iostream >
using   namespace  std;

// IP首部
typedef  struct  tIPPackHead
... {
    enum PROTOCOL_TYPE...{
        PROTOCOL_TCP = 6,
        PROTOCOL_UDP = 17,
        PROTOCOL_ICMP = 1,
        PROTOCOL_IGMP = 2    
    };
    inline unsigned HeadLen() const
    ...{
        //首部长度单位为4bytes。因此乘4
        return (ver_hlen & 0x0F) << 2;
    }
    inline unsigned PackLen() const
    ...{
        return wPacketLen;
    }
    BYTE ver_hlen;    //IP协议版本和IP首部长度。高4位为版本，低4位为首部的长度(单位为4bytes)
    BYTE byTOS;     //服务类型
    WORD wPacketLen; //IP包总长度。包括首部，单位为byte。[Big endian]
    WORD wSequence;  //序号，一般每个IP包的序号递增。[Big endian]
    WORD wMarkFragPoi;  
    BYTE byTTL;       //生存时间  
    BYTE byProtocolType; //协议类型，见PROTOCOL_TYPE定义
    WORD wHeadCheckSum;  //IP首部校验和[Big endian]
    DWORD dwIPSrc;       //源地址
    DWORD dwIPDes;       //目的地址
}  IP_PK_HEAD;


int  DecodeIP( char   * buf,  int  len);

int  DecodeIP( char   * buf,  int  len)
... {
    int n = len;

    if( n >= sizeof(IP_PK_HEAD) )
    ...{
        IP_PK_HEAD iphead;
        memcpy( &iphead, buf, sizeof(iphead) );

        //以下三个为Big Endian字节顺序，转换成主机字节顺序
        iphead.wPacketLen = ntohs( iphead.wPacketLen );
        iphead.wSequence = ntohs( iphead.wSequence );
        iphead.wHeadCheckSum = ntohs( iphead.wHeadCheckSum );

        in_addr src,dst;
        src.S_un.S_addr = iphead.dwIPSrc;
        dst.S_un.S_addr = iphead.dwIPDes;

        char strsrc[20],strdst[20];
        strcpy(strsrc, inet_ntoa(src) );
        strcpy( strdst , inet_ntoa(dst));

        printf( "IP数据包: ver=%d,hlen=%d,protocol=%d,pklen=%d,seq=%d,src=%s,dst=%s _fcksavedurl="%s,dst=%s" ",
            iphead.ver_hlen >> 4,
            (iphead.ver_hlen & 0x0F) << 2,
            iphead.byProtocolType,
            iphead.wPacketLen,
            iphead.wSequence,
            strsrc,
            strdst );
    }

    return 0;
}

void  AutoWSACleanup()
... {
    ::WSACleanup();
}

int  _tmain( int  argc, _TCHAR *  argv[])
... {
    //初始化winsock库，使用2.2版本
    u_short wVersionRequested = 0x0202;
    WSADATA wsaData;
    if( SOCKET_ERROR == WSAStartup( wVersionRequested, &wsaData ) )
    ...{        
        cout << WSAGetLastError();
        return 0;
    }
    atexit( AutoWSACleanup );

    //创建SOCKET
    SOCKET h = socket( AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_IP);
    if( h == INVALID_SOCKET )
    ...{
        cout << WSAGetLastError();
        return 0;
    }

    //获取本机地址
    char FAR name[128];  
    if( -1 == gethostname(name, sizeof(name)) )
    ...{
        closesocket( h );
        cout << WSAGetLastError();
        return 0;
    }

    struct hostent FAR * pHostent;
    pHostent = gethostbyname(name);

    //绑定本地地址到SOCKET句柄
    sockaddr_in addr;
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_addr = *(in_addr*)pHostent->h_addr; //IP
    addr.sin_port = 0; //端口，IP层端口可随意填
    if( SOCKET_ERROR == bind( h,(sockaddr *)&addr,sizeof(addr) ) )
    ...{
        closesocket( h );
        cout << WSAGetLastError();
        return 0;
    }

    //设置该SOCKET为接收所有流经绑定的IP的网卡的所有数据，包括接收和发送的数据包
    //该函数在mstcpip.h里面，详见MSDN帮助
    u_long sioarg = 1;
    DWORD wt=0;
    if( SOCKET_ERROR == WSAIoctl( h, SIO_RCVALL , &sioarg,sizeof(sioarg),NULL,0,&wt,NULL,NULL ) )
    ...{
        closesocket( h );
        cout << WSAGetLastError();
        return 0;
    }

    //我们只需要接收数据，因此设置为阻塞IO，使用最简单的IO模型
    u_long bioarg =  0;
    if( SOCKET_ERROR == ioctlsocket( h, FIONBIO , &bioarg ) )
    ...{
        closesocket( h );
        cout << WSAGetLastError();
        return 0;
    }

    //开始接收数据
    //因为前面已经设置为阻塞IO，recv在接收到数据前不会返回。
    //当返回<=0时表示接收失败，退出循环
    //可以在另一个线程执行此循环，主线程closesocket可以使recv失败而结束循环
    char buf[102400];
    int len = 0;
    do
    ...{
        len = recv( h, buf, sizeof(buf),0);
        if( len > 0 )
        ...{
            DecodeIP( buf, len );
        }
    }while( len > 0 );

    closesocket( h );

    return 0;
}

    绑定地址时，必须获取到本机的一个真实IP地址，不能用0.0.0.0或127.0.0.0.1。端口就没有限制了。接收数据的方法和基于TCP或UDP的接收是一样的。也可以用非阻塞IO，并采用select、WSAAsyncSelect、WSAEventSelect等IO模型来处理。但我们要做的只是简单地接收数据而已，不需要任何交互，实在没有必要给自己找麻烦。这里我用的是阻塞IO，即在接收到数据前recv不会返回，一旦返回了，要不就是接收到数据，要不就是接收失败。当接收失败时循环就退出了。不过因为是阻塞IO的关系，主线程就无法进行其它操作，最好把接收数据的循环放到第二线程内。主线程通过closesocket就可以使接收失败从而结束接收数据的循环了。

    通过这种方法接收到的数据是个IP层的数据包，每个数据包的开始是至少20个字节的IP首部，IP首部定义见tIPPackHead结构体，关于IP首部的更详细的资料可以参考《TCP-IP详解卷1：协议》第3章，在此就不多作描述。DecodeIP是对IP首部的解析，IP首部后面的数据则需要根据首部里面的协议类型进行各自不同处理。如果是TCP协议则按照TCP协议解析，UDP则按UDP协议解析。下面附上TCP和UDP首部的定义，更详细的信息请参考《TCP-IP详解卷1：协议》第11和17章。

// UDP首部
typedef  struct  tUDPPackHead
... {
     inline unsigned HeadLen() const
    ...{
        return 8;
    }
    inline unsigned PackLen() const
    ...{
        return wLength;
    }
    WORD wSPort;     /**//*Source Port*/
     WORD wDPort;     /**//*Destinate Port*/
     WORD wLength;    /**//*UDP Length*/
     WORD wCheckSum;  /**//*UDP CheckSum*/
}  UDP_PK_HEAD;

// TCP首部
typedef  struct  tTCPPackHead  
... { 
     inline unsigned HeadLen() const
    ...{
        return ((lenres>>4) & 0x0F) << 2;
    }

    WORD wSrcPort; //16位源端口 
    WORD wDstPort; //16位目的端口 
    DWORD dwSeq; //32位序列号 
    DWORD dwAck; //32位确认号 
    unsigned char lenres; //4位首部长度/6位保留字 (高4bit为head len)
    unsigned char flag; //6位标志位 (低6bit为标志)
    WORD wWin; //16位窗口大小 
    WORD wSum; //16位校验和 
    WORD wUrp; //16位紧急数据偏移量 
} TCP_PK_HEAD;