套接字编程

1.知识点

1.1套接字的分类

流套接字：TCP；数据报套接字：UDP；原始套接字：可以读写内核没有处理的IP数据包。

1.2 IP数据报格式

（1）4位版本，IPV4或者IPV6
 (2)4位首部长度，单位32字长，4字节。最大首部长度60字节。当IP首部长度不是4字节的整数倍，要填充，数据部分以4的整数倍开始。
 (3)16位总长度，65535字节
（4）16位标识，作用是将属于同一数据报的不同分片组装起来
（5）3位标志，只有两位有意义。最低位MF，MF=1表示后面还有分片。中间位DF，DF=0表示允许分片。
（6）13位片偏移，片偏移的作用是指出某片在原分组中的相对位置，片偏移以8个字节为偏移单位，每个分片的长度一定是8字节（64位）的整数倍。
（7）8位生存时间TTL，每经过一个路由器，TTL减去数据报在路由器中的消耗时间。当消耗时间小于1S，将TTL减1，TTL为0，丢弃数据报。
（8）8位协议，标志承载的是什么类型的报文。（TCP是6，UDP是17）
（9）16位首部检验和，一直变化（随着数据报的路由改变）。
（10）32位源，目的IP地址。

typedef struct IpHeader
{
	unsigned char Version_Hlen;
	unsigned char TOS;
	unsigned short Length; 
	unsigned short Ident;
	unsigned short Flags_Offset;
	unsigned char TTL;
	unsigned char Protocol;
	unsigned short Checksum;//short是两个字节16位
	unsigned int SourceAddr;
	unsigned int DestinationAddr;
}IpHeader;

1.3 TCP数据报格式

（1）源端口和目的端口，各占两个字节
（2）序号，4个字节，指的是本报文段所发送的数据的第一个字节的序号
（3）确认号，4个字节，确认号为N，表示前面的N-1都收到
（4）检验和，2字节，检验首部和数据，计算时应该加上12字节的伪首部
（5）紧急指针，2字节，仅在URG=1时有意义，指出本报文段中紧急数据的字节数，紧急数据的末尾在报文段的位置。
（6）选项，最长达到40字节，当没有选项，首部长度20字节。

#define URG 0x20
#define ACK 0x10
#define PSH 0x80
#define RST 0x40
#define SYN 0x02
#define FIN 0x01
typedef struct TcpHeader {
	USHORT SrcPort;
	USHORT DstPort;
	unsigned int SequenceNum;
	unsigned int Ackowledgement;
	unsigned char HdrLen;
	unsigned char Flags;
	USHORT AdvertisedWindow;
	USHORT Checksum;
	USHORT UrgPtr;

}TcpHeader;
typedef struct PsdTcpHeader {
	unsigned long SourceAddr;
	unsigned long DestinationAddr;
	char Zero;
	char Protcol;
	unsigned short TcpLen;
}; PsdTcpHeader//定义TCP伪首部

1.4校验和的计算

对需要检验的数据每16bit进行二进制求和，高16bit不为0时需要将高16bit和低16bit反复相加，从而获得一个16bit的值，将该16bit值取反
实例：简化成4bit
发送端：
数据:1000 0100 校验和0000
反码 0111 1011       1111
叠加0111+1011+1111=0010 0001
高于4bit叠加到低4位 0001+0010=0011得到校验和
接收端：
数据:1000 0100 校验和0011
反码 0111 1011       1100
叠加0111+1011+1100=0001 1110高低叠加1111 正确

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);//高十六位和低十六位相加
	cksum += (cksum >> 16);//有溢出继续加
	return (USHORT)(~cksum);//按位取反

}

1.5 原始套接字编程

（1）Winsock头文件：Winsock2.h来使用Winsock的API，Ws2tcpip头文件包含了
在Windock2协议兼容文档中为TCP、IP用于检索IP地址的新函数和数据结构
（2）初始化Winsock环境

int WSAStartup(
WORD wVersionRequested,//wod双字节的指定版本号
LPWSADATA lpWSAData//指向WSADATA的指针
);

struct WSAData {
WORD wVersion;//Windows Sockets规范的版本，高位字节储存副版本号，低位字节存储主版本号
WORD wHighVersion;//DLL能够支持的Windows Sockets规范的最高版本
char szDescription[WSADESCRIPTION_LEN+1];//DLL对Windows Sockets实现的描述
char szSystemStatus[WSASYSSTATUS_LEN+1];//DLL把有关的状态或配置信息放在里面
unsigned short iMaxSockets;//最大的Sockets线程数量
unsigned short iMaxUdpDg;//能够接受或发送的最大数据报协议的字节数，不应该超过MTU
char *lpVendorInfo;
};

（3）Winsock库的释放，用WSACleanup（）

if (WSACleanup() == SOCKET_ERROR)
 {
 printf("WSACleanup failed with error %d\n", WSAGetLastError());
 return 0;
 }
 return 1;

2.实例 （有些结构系统已经定义，为了便于理解都写上了）

（1）套接字的创建和关闭。使用套接字之前，必须使用Socket函数创建一个套接字对象，此函数调用成功将返回套接字句柄。注意用完之后调用closesocket将之关闭。

int closesocket（SOCKET s);//参数是要关闭的套接字的句柄，无错误返回0，否则返回SOCKET_ERROR，用WSAGetLastError()获取相应代码

	SOCKET socket(
		int af,//协议族，如果想建一个TCP或UDP，只能用AF_INET
		int type,//描述套接口的类型，af为AF_INET的时候只能为SOCK_STRAM/SOCK_DGRAM/SOCL_RAW
		int protocol//协议字段
	);

（2）创建接收套接字的socket

	SOCKET RecSocket;
	RecSocket = socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_IP);

（3）绑定套接字，使用Bind()函数

int bind(
Socket s,//标识未绑定的套接字
const struct sockaddr FAR*name,//与指定协议有关的地址结构指针，存储了套接口的地址信息
int namelen//表示地址参数的长度
);

Winsock中使用sockaddr_in结构指定IP地址和端口信息

struct sockaddr_in{
	short sin_family;//表示IP地址族，一般为AF_INET
	u_short sin_port;//16位端口号，若参数值为0，则系统自动指派一个1024~5000之间唯一的端口号
	struct in_addr sin_addr;//32位IP地址，若参数值为INADDR_ANY,则由系统内核指定
	char sin_sero[8];//用0填充
	}

绑定代码	

Result=bind(RecSocket,(PSOCKADDR)&sock,sizeof(sock));//由sock变量提供绑定的地址和端口号，类型为sockaddr_in
	if (Result2 == SOCKET_ERROR)
	{
		printf("bind failed with error%d\n", WSAGetLastError());
		closesocket(RecSocket);
		return 0;
	}

获取本机ip地址的程序

char Name[255];
	Result = gethostname(Name, 255);//返回本地主机的标准主机名
	if (Result == SOCKET_ERROR)
	{
		printf("gethostname failed with error%d\n", WSAGetLastError());
		return 0;
	}
	struct hostent* pHostent;//hostent记录该主机的信息
	pHostent = (struct hostent*)malloc(sizeof(struct hostent));
	pHostent = gethostbyname(Name);//返回对应于给定主机名的包含主机名字和地址信息的hostent结构指针
	sock.sin_family = AF_INET;
	sock.sin_port = htons(5555);//htons的功能是将一个无符号短整型的主机值转换为网络字节序。整数在地址空间的存储方式为：高位字节存放在内存的低地址处。
	memcpy(&sock.sin_addr.S_un.S_addr, pHostent->h_addr_list[0], pHostent->h_length);//从源src所指的内存地址的起始位置开始拷贝n个字节到目标dest所指的内存地址的起始地址中void *memcpy(void *dest,const void *src,size_t n);

hostent的定义

struct hostent{
	char *h_name;//地址的正式名称
	char **h_aliases;//地址的预备名称的指针
	int h_addrtype;//地址类型，通常是AF_INET
	int h_length;//地址的比特长度
	char **h_addr_list;//主机网络地址指针，网络字节序
	#define h_addr h_addr_list[0]//第一地址

(4)设置套接字利用函数setsockopt（）实现

int setsockopt(SOCKET s,int level,int optname,const char FAR *optval,int optlen);
s://标识一个套接字的描述符
level://选项定义的层次，如SOL_SOCKET(套接字层）和IPPROTO_TCP层
optname://需设置的选项
optval://指针，指向存放选项值的缓冲区
optlen://optval缓冲区长度

设置手工填充ip数据包首部

	BOOL flag;
	flag = 1;
	int nTimeOver = 100;
	if (setsockopt(SendSocket, SOL_SOCKET, SO_SNDTIMEO, (char*)&nTimeOver, sizeof(nTimeOver)) == SOCKET_ERROR)
	{
		printf("setsockopt faied with error%d\n\n", WSAGetLastError());
		return 0;
	}//SO_SNDTIMEO表示发送数据超时时间

设置SOCK_RAW为SIO_RCVALL，接收所有数据包

int WSAloctl(
	SOCKET s,//一个套接口的句柄
	DWORD dwloControlCode,//将进行的操作的控制代码
	LPVOID lpInBuffer,//输入缓冲区的地址
	DWORD cbInBuffer,//输入缓冲区的大小
	LPVOID IpvOutBuffer,//输出缓冲区的地址
	DWORD cbOutBuffer,//输出缓冲区的大小
	LPDWORD IpcbBytesReturned,//输出实际字节数的地址
	LPWSAOVERLAPPED IpOverlapped,//WSAOVERLAPPED结构的地址
	LPWSAOVERLAPPED_COMPLETION_ROUTINE IpCompletionRoutline//一个指向操作结束后调用的例程指针

Result =WSAIoctl(RecSocket, SIO_RCVALL, &dwBufferInLen, sizeof(dwBufferInLen), 
&dwBufferLen, sizeof(dwBufferLen), &dwBytesReturned, NULL, NULL);
 if (Result == SOCKET_ERROR)
 {
 printf("WSAIoctl failed with error %d\n", WSAGetLastError());
 closesocket(RecSocket);
 return 0;
 }//SIO_RCVALL 表示接收所有数据包

（5）用send()函数在已经建立的套接口上发送数据

int send(
SOCKET s, //标识已建立连接的套接字
33
const char FAR * buf, //一个字符缓冲区，内有将要发送的数据
int len, //即将发送的缓冲区中的字符数
int flags//用于控制数据传输方式，0 表示按正常方式发送数据；
//宏MSG_DONTROUTE 说明系统目标主机就在直接连接的本地网络中，无需路由选择；MSG_OOB 指出数据是按带外数据发送的
);

对于无连接的套接口使用sendto()函数

int sendto(
SOCKET s, //本机的套接字
const char FAR * buf, //待发送数据的缓冲区地址
int len, //指明 buf 缓冲区中要发送的数据长度
int flags, //调用方式标志位
const struct sockaddr * to, //可选指针，指向接收数据的目的套接口
地址
int tolento//所指的地址的长度
);

（6）套接字用recv()函数接收数据包	

int recv(
SOCKET s,//已建立连接的套接口
char FAR * buf, //用于接收数据的缓冲区
int len, //缓冲区的长度
int flags//指定调用的方式。0表示接收的是正常数据，无特殊行为。
//MSG_PEEK表示会使有用的数据复制到所提供的接收端缓冲区内，但是没有从系统缓冲区中将数据删除。MSG_OOB 表示处理带外数据。
);

对于无连接的套接字要用recvfrom()函数

int recvfrom(
SOCKET s,// 标识一个套接口的描述字
char FAR * buf,//接收数据的缓冲区
int len,//接收数据缓冲区的长度
int flags,//调用操作方式，同 recv()中的 flags
struct sockaddr FAR * from,//可选指针，指向装有源地址的缓冲区
int FAR * fromlen//可选指针，指向 from 缓冲区的长度值
);

3.练习

练习1

编写一个基本的原始套接字程序，屏幕输出wsaData中的各项参数。
主函数如下：

void main()
{
	int Result;
	struct WSAData wsaData;//引用WSAData变量
	Result = WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData);
	if (Result == SOCKET_ERROR)
	{
		printf("WSAStartup failed with error %d\n", Result);
	}//检验初始化
	else {
		printf("%x\n", wsaData.wVersion);
		printf("%x\n", wsaData.wHighVersion);
		printf("%s\n",wsaData.szDescription);
		printf("%s\n", wsaData.szSystemStatus);
		printf("%ld\n", wsaData.iMaxSockets);
		printf("%ld\n", wsaData.iMaxUdpDg);
	}
	WSACleanup();	
}

练习2

利用原始套接字构造并发送 TCP 包，输出显示所构造的 IP 头和 TCP 头字段内容。

#include "Winsock2.h"
#include 
#include 
#include 
#pragma comment(lib,"Ws2_32.lib")

#define MAX 100
#define SOURCE_PORT 7234
#define MAX_RECEIVEBYTE 255 
using namespace std;
typedef struct ip_hdr //定义IP首部
{
	unsigned char h_verlen; //4位首部长度,4位IP版本号
	unsigned char tos; //8位服务类型TOS
	unsigned short total_len; //16位总长度（字节）
	unsigned short ident; //16位标识
	unsigned short frag_and_flags; //3位标志位
	unsigned char ttl; //8位生存时间 TTL
	unsigned char proto; //8位协议 (TCP, UDP 或其他)
	unsigned short checksum; //16位IP首部校验和
	unsigned int sourceIP; //32位源IP地址
	unsigned int destIP; //32位目的IP地址
}IPHEADER;
typedef struct tsd_hdr //定义TCP伪首部
{
	unsigned long saddr; //源地址
	unsigned long daddr; //目的地址
	char mbz;
	char ptcl; //协议类型
	unsigned short tcpl; //TCP长度
}PSDHEADER;

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
	unsigned int th_seq; //32位序列号
	unsigned int th_ack; //32位确认号
	unsigned char th_lenres; //4位首部长度/6位保留字
	unsigned char 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
}TCPHEADER;

//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);
	}
	if (size)
	{
		cksum += *(UCHAR*)buffer;
	}

	cksum = (cksum >> 16) + (cksum & 0xffff);
	cksum += (cksum >> 16);
	return (USHORT)(~cksum);
}

int main()
{
	int a;
	int Result;
	WSADATA wsaData;
	//初始化套接字
	Result = WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData);
	if (Result == SOCKET_ERROR)
	{
		printf("WSAStartup failed with error %d\n", Result);
		return 0;
	}
	//创建套接字
	SOCKET RecSocket = socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_IP);
	if (RecSocket == INVALID_SOCKET)
	{
		printf("socket failed with error %d\n", WSAGetLastError());
		closesocket(RecSocket);
		return 0;
	}
	//sock定义
	char Name[255];
	Result = gethostname(Name, 255);
	if (Result == SOCKET_ERROR)
	{
		printf("gethostname failed with error %d\n", WSAGetLastError());
		return 0;
	}
	struct hostent* pHostent;
	pHostent = (struct hostent*)malloc(sizeof(struct hostent));
	pHostent = gethostbyname(Name);
	SOCKADDR_IN sock;
	sock.sin_family = AF_INET;
	sock.sin_port = htons(5555);
	memcpy(&sock.sin_addr.S_un.S_addr, pHostent->h_addr_list[0], pHostent->h_length);

	//设置超时时间 
	int nTimeOver = 1000;
	if (setsockopt(RecSocket, SOL_SOCKET, SO_SNDTIMEO, (char*)&nTimeOver, sizeof(nTimeOver)) == SOCKET_ERROR)
	{
		printf("setsockopt failed with error2 %d\n\n", WSAGetLastError());
		return false;
	}

	//sockaddr结构体定义
	struct sockaddr_in* Rsock;
	Rsock = (struct sockaddr_in*)malloc(sizeof(struct sockaddr_in));
	Rsock->sin_family = AF_INET;
	Rsock->sin_port = htons(8083);
	Rsock->sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
	int lenth = 0;
	lenth = sizeof(Rsock->sin_port) + sizeof(Rsock->sin_addr);

	IPHEADER ipHeader;
	TCPHEADER tcpHeader;
	PSDHEADER psdHeader;
	char szSendBuf[60] = { 0 };
	int rect;

	SOCKADDR_IN addr_in;
	addr_in.sin_family = AF_INET;
	addr_in.sin_port = htons(8086);
	addr_in.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("127.0.0.1");

	//填充IP首部
	ipHeader.h_verlen = (4 << 4 | sizeof(ipHeader) / sizeof(unsigned long));
	// ipHeader.tos=0;
	ipHeader.total_len = htons(sizeof(ipHeader) + sizeof(tcpHeader));
	ipHeader.ident = 1;
	ipHeader.frag_and_flags = 0;
	ipHeader.ttl = 128;
	tcpHeader.th_flag = 2;
	ipHeader.proto = IPPROTO_TCP;
	ipHeader.checksum = 0;
	ipHeader.sourceIP = inet_addr("127.0.0.1");
	ipHeader.destIP = inet_addr("127.0.0.1");

	//填充TCP首部
	tcpHeader.th_dport = htons(8085);
	tcpHeader.th_sport = htons(8086); //源端口号
	tcpHeader.th_seq = htonl(0x12345678);
	tcpHeader.th_ack = 0;
	tcpHeader.th_lenres = (sizeof(tcpHeader) / 4 << 4 | 0);
	tcpHeader.th_win = htons(512);
	tcpHeader.th_urp = 0;
	tcpHeader.th_sum = 0;

	psdHeader.saddr = ipHeader.sourceIP;
	psdHeader.daddr = ipHeader.destIP;
	psdHeader.mbz = 0;
	psdHeader.ptcl = IPPROTO_TCP;
	psdHeader.tcpl = htons(sizeof(tcpHeader));
	//计算校验和
	memcpy(szSendBuf, &psdHeader, sizeof(psdHeader));
	memcpy(szSendBuf + sizeof(psdHeader), &tcpHeader, sizeof(tcpHeader));
	tcpHeader.th_sum = checksum((USHORT*)szSendBuf, sizeof(psdHeader) + sizeof(tcpHeader));

	memcpy(szSendBuf, &ipHeader, sizeof(ipHeader));
	memcpy(szSendBuf + sizeof(ipHeader), &tcpHeader, sizeof(tcpHeader));
	memset(szSendBuf + sizeof(ipHeader) + sizeof(tcpHeader), 0, 4);
	ipHeader.checksum = checksum((USHORT*)szSendBuf, sizeof(ipHeader) + sizeof(tcpHeader));

	memcpy(szSendBuf, &ipHeader, sizeof(ipHeader));

	//输出TCP信息
	cout << endl << "TCP头部	" << endl;
	cout << "目标端口:" << tcpHeader.th_dport << endl;
	cout << "源端口:" << tcpHeader.th_sport << endl;
	cout << "序列号:" << tcpHeader.th_seq << endl;
	cout << "证书号:" << tcpHeader.th_ack << endl;
	cout << "标志位:" << tcpHeader.th_flag << endl;
	cout << "窗口尺寸:" << tcpHeader.th_win << endl;
	cout << "校验和:" << tcpHeader.th_sum << endl;

	//输出IP头部信息
	cout << endl << "IP头部" << endl;
	cout << "头长度：" << ipHeader.h_verlen << endl;
	cout << "总长度：" << ipHeader.total_len << endl;
	cout << "特征值：" << ipHeader.ident << endl;
	cout << "标志位：" << ipHeader.frag_and_flags << endl;
	cout << "存活时长：" << ipHeader.ttl << endl;
	cout << "源IP：" << ipHeader.sourceIP << endl;
	cout << "目标IP：" << ipHeader.destIP << endl;
	//发送数据包
	rect = sendto(RecSocket, szSendBuf, sizeof(ipHeader) + sizeof(tcpHeader), 0, (struct sockaddr*)&addr_in, sizeof(addr_in));

	if (rect == SOCKET_ERROR)
	{
		printf("Falied!蠢驴");
	}
	if (WSACleanup() == SOCKET_ERROR)
	{
		printf("WSACleanup failed with error %d\n", WSAGetLastError());
		return 0;
	}
	cin >> a;
	return 0;
}

练习3

利用原始套接字接收网络接口数据包，统计接收的数据包的个数，并分析 IP 头字段，将分析结果输出。