计算机网络 | 实验二 WINPCWP编程
实验二 WINPCWP编程
| 班级 | xxx | 实验环境 | Win10 Pro 1709(64位) |
|---|---|---|---|
| 姓名 | xxx | 开发环境 | Visual Studio 2013 |
| 学号 | xxx | 软件版本 | WinPcap 4.1.3 |
一、实验目的
- 了解WINPCAP的架构
- 学习WINPCAP编程
二、实验原理
WinPcap是一个基于Win32平台的，用于捕获网络数据包并进行分析的开源库.
大多数网络应用程序通过被广泛使用的操作系统元件来访问网络，比如sockets。 这是一种简单的实现方式，因为操作系统已经妥善处理了底层具体实现细节（比如协议处理，封装数据包等等），并且提供了一个与读写文件类似的，令人熟悉的接口。
然而，有些时候，这种“简单的方式”并不能满足任务的需求，因为有些应用程序需要直接访问网络中的数据包。也就是说，那些应用程序需要访问原始数据包，即没有被操作系统利用网络协议处理过的数据包。
WinPcap产生的目的，就是为Win32应用程序提供这种访问方式； WinPcap提供了以下功能 ：
1.捕获原始数据包，无论它是发往某台机器的，还是在其他设备（共享媒介）上进行交换的
2.在数据包发送给某应用程序前，根据用户指定的规则过滤数据包
3.将原始数据包通过网络发送出去
4.收集并统计网络流量信息
以上这些功能需要借助安装在Win32内核中的网络设备驱动程序才能实现，再加上几个动态链接库DLL。
所有这些功能都能通过一个强大的编程接口来表现出来,易于开发，并能在不同的操作系统上使用。这本手册的主要目标是在一些程序范例的帮助下，叙述这些编程接口的使用。
WinPcap可以被用来制作网络分析、监控工具。一些基于WinPcap的典型应用有：
1.网络与协议分析器 (network and protocol analyzers)
2.网络监视器 (network monitors)
3.网络流量记录器 (traffic loggers)
4.网络流量发生器 (traffic generators)
5.用户级网桥及路由 (user-level bridges and routers)
6.网络入侵检测系统 (network intrusion detection systems (NIDS))
7.网络扫描器 (network scanners)
8.安全工具 (security tools)
三、实验内容
通过学习WINPCAP架构，编写一个网络抓包程序。
四、实验过程
1.WinPcap的下载、安装与配置
- 访问WinPcap官网：https://www.winpcap.org/
- 选择WinPcap的最新版，下载Installer for Windows并安装
- 在VS中导入相应头文件和lib文件
2.获取设备列表
WinPcap提供了 pcap_findalldevs_ex() 函数来实现获取设备列表的功能，这个函数返回一个 pcap_if 结构的链表， 每个这样的结构都包含了一个适配器的详细信息。值得注意的是，数据域 name 和 description 表示一个适配器名称和一个可以让人们理解的描述。下面获取适配器列表，并在屏幕上显示出来，如果没有找到适配器，将打印错误信息。
#include 运行结果：
WinPcap获取的设备列表显示主机有四块逻辑网卡，与控制面板-网络适配器显示的一致
3.获取已安装设备的高级信息
上一部分的获取设备列表，获取了适配器的基本信息 (如设备的名称和描述)，而WinPcap提供了其他更高级的信息。由 pcap_findalldevs_ex() 返回的每一个 pcap_if 结构体，都包含一个 pcap_addr 结构体，这个结构体由如下元素组成：
- 一个地址列表
- 一个掩码列表
- 一个广播地址列表
- 一个目的地址列表
另外，函数 pcap_findalldevs_ex() 还能返回远程适配器信息和一个位于所给的本地文件夹的pcap文件列表。
下面的程序使用了 ifprint() 函数来打印出 pcap_if 结构体中所有的内容。程序对每一个由 pcap_findalldevs_ex() 函数返回的 pcap_if ，都调用 ifprint() 函数来实现打印。
#include "pcap.h"
#include 运行结果：
结果分析：
WinPcap获取了4块逻辑网卡的高级信息：包含设备描述、IP地址、子网掩码、广播地址等，如下表所示
| 编号 | 备注 | IP地址 | 子网掩码 | 广播地址 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Sangfor SSL VPN支持 | 未获得 | 未获得 | 未获得 |
| 2 | 蓝牙网络连接 | 未获得 | 未获得 | 未获得 |
| 3 | 无线网络连接 | 10.0.0.106 | 255.255.255.0 | 255.255.255.255 |
| 4 | 有线网络连接 | 10.0.0.108 | 255.255.255.0 | 255.255.255.255 |
4.打开适配器并捕获数据包
编写一个程序，将每一个通过适配器的数据包打印出来。
打开设备的函数是 pcap_open()。下面是参数 snaplen, flags 和 to_ms 的解释说明
snaplen：制定要捕获数据包中的哪些部分。 在一些操作系统中 (比如 xBSD 和 Win32)， 驱动可以被配置成只捕获数据包的初始化部分： 这样可以减少应用程序间复制数据的量，从而提高捕获效率。本例中，将值定为65535，它比能遇到的最大的MTU还要大，因此总能收到完整的数据包。
flags：最最重要的flag是用来指示适配器是否要被设置成混杂模式。 一般情况下，适配器只接收发给它自己的数据包， 而那些在其他机器之间通讯的数据包，将会被丢弃。 相反，如果适配器是混杂模式，那么不管这个数据包是不是发给我的，我都会去捕获。也就是说，我会去捕获所有的数据包。 这意味着在一个共享媒介(比如总线型以太网)，WinPcap能捕获其他主机的所有的数据包。 大多数用于数据捕获的应用程序都会将适配器设置成混杂模式，所以在下面的范例中，使用混杂模式。
to_ms：指定读取数据的超时时间，以毫秒计(1s=1000ms)。在适配器上进行读取操作(比如用 pcap_dispatch() 或 pcap_next_ex()) 都会在 to_ms 毫秒时间内响应，即使在网络上没有可用的数据包。 在统计模式下，to_ms 还可以用来定义统计的时间间隔。 将 to_ms 设置为0意味着没有超时，那么如果没有数据包到达的话，读操作将永远不会返回。 如果设置成-1，则情况恰好相反，无论有没有数据包到达，读操作都会立即返回。
#include "pcap.h"
#define PCAP_SRC_IF_STRING "rpcap://"
#define PCAP_SRC_FILE_STRING "file://"
#define PCAP_OPENFLAG_PROMISCUOUS 1
//Defines if the adapter has to go in promiscuous mode.
#define PCAP_OPENFLAG_DATATX_UDP 2
//Defines if the data trasfer(in case of a remote capture) has to be done with UDP protocol.
#define PCAP_OPENFLAG_NOCAPTURE_RPCAP 4
//Defines if the remote probe will capture its own generated traffic.
#define PCAP_OPENFLAG_NOCAPTURE_LOCAL 8
//Defines if the local adapter will capture its own generated traffic.
#define PCAP_OPENFLAG_MAX_RESPONSIVENESS 16
//This flag configures the adapter for maximum responsiveness.
/* packet handler 函数原型 */
void packet_handler(u_char *param, const struct pcap_pkthdr *header, const u_char *pkt_data);
main()
{
pcap_if_t *alldevs;
pcap_if_t *d;
int inum;
int i = 0;
pcap_t *adhandle;
char errbuf[PCAP_ERRBUF_SIZE];
/* 获取本机设备列表 */
if (pcap_findalldevs_ex(PCAP_SRC_IF_STRING, NULL, &alldevs, errbuf) == -1)
{
fprintf(stderr, "Error in pcap_findalldevs: %s\n", errbuf);
exit(1);
}
/* 打印列表 */
for (d = alldevs; d; d = d->next)
{
printf("%d. %s", ++i, d->name);
if (d->description)
printf(" (%s)\n", d->description);
else
printf(" (No description available)\n");
}
if (i == 0)
{
printf("\nNo interfaces found! Make sure WinPcap is installed.\n");
return -1;
}
printf("Enter the interface number (1-%d):", i);
scanf("%d", &inum);
if (inum < 1 || inum > i)
{
printf("\nInterface number out of range.\n");
/* 释放设备列表 */
pcap_freealldevs(alldevs);
return -1;
}
/* 跳转到选中的适配器 */
for (d = alldevs, i = 0; i< inum - 1; d = d->next, i++);
/* 打开设备 */
if ((adhandle = pcap_open(d->name, // 设备名
65536, // 65535保证能捕获到不同数据链路层上的每个数据包的全部内容
PCAP_OPENFLAG_PROMISCUOUS, // 混杂模式
1000, // 读取超时时间
NULL, // 远程机器验证
errbuf // 错误缓冲池
)) == NULL)
{
fprintf(stderr, "\nUnable to open the adapter. %s is not supported by WinPcap\n", d->name);
/* 释放设备列表 */
pcap_freealldevs(alldevs);
return -1;
}
printf("\nlistening on %s...\n", d->description);
/* 释放设备列表 */
pcap_freealldevs(alldevs);
/* 开始捕获 */
pcap_loop(adhandle, 0, packet_handler, NULL);
return 0;
}
/* 每次捕获到数据包时，libpcap都会自动调用这个回调函数 */
void packet_handler(u_char *param, const struct pcap_pkthdr *header, const u_char *pkt_data)
{
struct tm *ltime;
char timestr[16];
time_t local_tv_sec;
/* 将时间戳转换成可识别的格式 */
local_tv_sec = header->ts.tv_sec;
ltime = localtime(&local_tv_sec);
strftime(timestr, sizeof timestr, "%H:%M:%S", ltime);
printf("%s,%.6d len:%d\n", timestr, header->ts.tv_usec, header->len);
}
运行结果（捕获的是无线网卡的数据包）
结果分析：
适配器被打开，捕获工作就可以用 pcap_dispatch() 或 pcap_loop() 进行。 这两个函数非常的相似，区别就是 pcap_ dispatch() 当超时时间到了(timeout expires)就返回 (尽管不能保证) ，而 pcap_loop() 不会因此而返回，只有当 cnt 数据包被捕获，所以，pcap_loop() 会在一小段时间内，阻塞网络的利用。pcap_loop() 对于这个简单的范例来说，可以满足需求，不过， pcap_dispatch() 函数一般用于比较复杂的程序中。
这两个函数都有一个 回调 参数， packet_handler指向一个可以接收数据包的函数。 这个函数会在收到每个新的数据包并收到一个通用状态时被libpcap所调用 ( 与函数 pcap_loop() 和 pcap_dispatch() 中的 user 参数相似)，数据包的首部一般有一些诸如时间戳，数据包长度的信息，还有包含了协议首部的实际数据。 注意：冗余校验码CRC不再支持，因为帧到达适配器，并经过校验确认以后，适配器就会将CRC删除，与此同时，大部分适配器会直接丢弃CRC错误的数据包，所以，WinPcap没法捕获到它们。
上面的程序将每一个数据包的时间戳和长度从 pcap_pkthdr 的首部解析出来，并打印在屏幕上。
5.分析数据包
捕获的数据包的协议首部，打印一些网络上传输的UDP数据的信息。
#include "pcap.h"
#define PCAP_SRC_IF_STRING "rpcap://"
#define PCAP_SRC_FILE_STRING "file://"
#define PCAP_OPENFLAG_PROMISCUOUS 1
//Defines if the adapter has to go in promiscuous mode.
#define PCAP_OPENFLAG_DATATX_UDP 2
//Defines if the data trasfer(in case of a remote capture) has to be done with UDP protocol.
#define PCAP_OPENFLAG_NOCAPTURE_RPCAP 4
//Defines if the remote probe will capture its own generated traffic.
#define PCAP_OPENFLAG_NOCAPTURE_LOCAL 8
//Defines if the local adapter will capture its own generated traffic.
#define PCAP_OPENFLAG_MAX_RESPONSIVENESS 16
//This flag configures the adapter for maximum responsiveness.
#include "pcap.h"
/* 4字节的IP地址 */
typedef struct ip_address{
u_char byte1;
u_char byte2;
u_char byte3;
u_char byte4;
}ip_address;
/* IPv4 首部 */
typedef struct ip_header{
u_char ver_ihl; // 版本 (4 bits) + 首部长度 (4 bits)
u_char tos; // 服务类型(Type of service)
u_short tlen; // 总长(Total length)
u_short identification; // 标识(Identification)
u_short flags_fo; // 标志位(Flags) (3 bits) + 段偏移量(Fragment offset) (13 bits)
u_char ttl; // 存活时间(Time to live)
u_char proto; // 协议(Protocol)
u_short crc; // 首部校验和(Header checksum)
ip_address saddr; // 源地址(Source address)
ip_address daddr; // 目的地址(Destination address)
u_int op_pad; // 选项与填充(Option + Padding)
}ip_header;
/* UDP 首部*/
typedef struct udp_header{
u_short sport; // 源端口(Source port)
u_short dport; // 目的端口(Destination port)
u_short len; // UDP数据包长度(Datagram length)
u_short crc; // 校验和(Checksum)
}udp_header;
/* 回调函数原型 */
void packet_handler(u_char *param, const struct pcap_pkthdr *header, const u_char *pkt_data);
main()
{
pcap_if_t *alldevs;
pcap_if_t *d;
int inum;
int i = 0;
pcap_t *adhandle;
char errbuf[PCAP_ERRBUF_SIZE];
u_int netmask;
char packet_filter[] = "ip and udp";
struct bpf_program fcode;
/* 获得设备列表 */
if (pcap_findalldevs_ex(PCAP_SRC_IF_STRING, NULL, &alldevs, errbuf) == -1)
{
fprintf(stderr, "Error in pcap_findalldevs: %s\n", errbuf);
exit(1);
}
/* 打印列表 */
for (d = alldevs; d; d = d->next)
{
printf("%d. %s", ++i, d->name);
if (d->description)
printf(" (%s)\n", d->description);
else
printf(" (No description available)\n");
}
if (i == 0)
{
printf("\nNo interfaces found! Make sure WinPcap is installed.\n");
return -1;
}
printf("Enter the interface number (1-%d):", i);
scanf("%d", &inum);
if (inum < 1 || inum > i)
{
printf("\nInterface number out of range.\n");
/* 释放设备列表 */
pcap_freealldevs(alldevs);
return -1;
}
/* 跳转到已选设备 */
for (d = alldevs, i = 0; i< inum - 1; d = d->next, i++);
/* 打开适配器 */
if ((adhandle = pcap_open(d->name, // 设备名
65536, // 要捕捉的数据包的部分
// 65535保证能捕获到不同数据链路层上的每个数据包的全部内容
PCAP_OPENFLAG_PROMISCUOUS, // 混杂模式
1000, // 读取超时时间
NULL, // 远程机器验证
errbuf // 错误缓冲池
)) == NULL)
{
fprintf(stderr, "\nUnable to open the adapter. %s is not supported by WinPcap\n");
/* 释放设备列表 */
pcap_freealldevs(alldevs);
return -1;
}
/* 检查数据链路层，为了简单，我们只考虑以太网 */
if (pcap_datalink(adhandle) != DLT_EN10MB)
{
fprintf(stderr, "\nThis program works only on Ethernet networks.\n");
/* 释放设备列表 */
pcap_freealldevs(alldevs);
return -1;
}
if (d->addresses != NULL)
/* 获得接口第一个地址的掩码 */
netmask = ((struct sockaddr_in *)(d->addresses->netmask))->sin_addr.S_un.S_addr;
else
/* 如果接口没有地址，那么我们假设一个C类的掩码 */
netmask = 0xffffff;
//编译过滤器
if (pcap_compile(adhandle, &fcode, packet_filter, 1, netmask) <0)
{
fprintf(stderr, "\nUnable to compile the packet filter. Check the syntax.\n");
/* 释放设备列表 */
pcap_freealldevs(alldevs);
return -1;
}
//设置过滤器
if (pcap_setfilter(adhandle, &fcode)<0)
{
fprintf(stderr, "\nError setting the filter.\n");
/* 释放设备列表 */
pcap_freealldevs(alldevs);
return -1;
}
printf("\nlistening on %s...\n", d->description);
/* 释放设备列表 */
pcap_freealldevs(alldevs);
/* 开始捕捉 */
pcap_loop(adhandle, 0, packet_handler, NULL);
return 0;
}
/* 回调函数，当收到每一个数据包时会被libpcap所调用 */
void packet_handler(u_char *param, const struct pcap_pkthdr *header, const u_char *pkt_data)
{
struct tm *ltime;
char timestr[16];
ip_header *ih;
udp_header *uh;
u_int ip_len;
u_short sport, dport;
time_t local_tv_sec;
/* 将时间戳转换成可识别的格式 */
local_tv_sec = header->ts.tv_sec;
ltime = localtime(&local_tv_sec);
strftime(timestr, sizeof timestr, "%H:%M:%S", ltime);
/* 打印数据包的时间戳和长度 */
printf("%s.%.6d len:%d ", timestr, header->ts.tv_usec, header->len);
/* 获得IP数据包头部的位置 */
ih = (ip_header *)(pkt_data +
14); //以太网头部长度
/* 获得UDP首部的位置 */
ip_len = (ih->ver_ihl & 0xf) * 4;
uh = (udp_header *)((u_char*)ih + ip_len);
/* 将网络字节序列转换成主机字节序列 */
sport = ntohs(uh->sport);
dport = ntohs(uh->dport);
/* 打印IP地址和UDP端口 */
printf("%d.%d.%d.%d.%d -> %d.%d.%d.%d.%d\n",
ih->saddr.byte1,
ih->saddr.byte2,
ih->saddr.byte3,
ih->saddr.byte4,
sport,
ih->daddr.byte1,
ih->daddr.byte2,
ih->daddr.byte3,
ih->daddr.byte4,
dport);
}
运行结果：
首先，将过滤器设置成"ip and udp"。在这种方式下，packet_handler() 只会收到基于IPv4的UDP数据包；这将简化解析过程，提高程序的效率。其次，创建了用于描述IP首部和UDP首部的结构体。这些结构体中的各种数据会被packet_handler()合理地定位。在开始捕捉前，使用了pcap_datalink() 对MAC层进行了检测，以确保在处理一个以太网络，确保MAC首部是14位的。IP数据包的首部就位于MAC首部的后面，将从IP数据包的首部解析到源IP地址和目的IP地址。
处理UDP的首部有一些复杂，因为IP数据包的首部的长度并不是固定的，可以通过IP数据包的length域来得到它的长度。一旦知道了UDP首部的位置就能解析到源端口和目的端口。
被解析出来的值被打印在屏幕上，形式上图所示，每一行分别代表一个数据包。
五、习题与思考题
1、WINPCAP是否能实现服务质量的控制？
答：不能。WinPcap可以独立地通过主机协议发送和接受数据，如同TCP-IP。 这就意味着WinPcap不能阻止、过滤或操纵同一机器上的其他应用程序的通讯： 它仅仅能简单地"监视"在网络上传输的数据包。所以，它不能提供类似网络流量控制、服务质量调度和个人防火墙之类的支持，因而不能实现服务质量的控制。