Socket数据包分析

通 过对数据包的分析，我们可以判断通信双方的操作系统、网络信息流量、经过的路由、数据包的大小，以及数据包的内容等等。对于喜欢网络安全的人来说，掌握这 方面的知识是相当重要的。现在的网络通信中，大部分数据都没有加密，我们可以轻易地从数据包中提取账号、密码之类我们关心的数据.大家在看本文时如有困 难，可先读一读计算机网络及C程序设计还有协议分析方面的书。下面我将分TCP/IP族协议结构、程序部分函数及数据结构说明、案例程序剖析三个部分与大 家共同学习数据包分析程序的设计方法。

一、TCP/IP族协议结构
在说TCP/IP之前，先让我们来认识一下以太网，因为我们现 在接触最多的就是以太网，并且研究数据包又是离不开以太网的帧的。在以太网中，数据是以被称为帧的数据结构本为单位进行交换的。以太网中常用的协议是 CSMA/CD(carrier sense multiple access with collision detection)即载波监听多点接入/碰撞检测，在这里，我们关注的是帧的格式。常用的以太网帧的格式有两种标准，一种是DIX Ethernet V2标准，另一种是IEEE的802.3标准。现在最常用的MAC帧是V2格式，这也是我们所要研究的格式，至于802.3帧我们不再讨论。以太网V2帧 的格式如下：
(插入8字节）目的地址（6字节）->源地址(6字节)->类型(2字节)->数据(46-1500)->FCS(4字节)
以 太网的地址由48位的二进制来表示,也就是我们常说的MAC地址及硬件地址。在MAC帧前还有8字节的前同步码和帧的开始定界符，之后才是地址等报头信 息。接收端和发送端的地址之后是2字节的类型字段，存放帧中传送数据的上层协议类型，RFC1700号文档规定了这些，如下：
ETHER TYPES(十六进制) PROTOCOlS
800 IP
806 ARP
8035 Revese ARP
809B Apple Talk
8137/8138 Novel
814c SNMP
帧的数据部分长度为46－1500字节，当小于46时，会在后面加入一个整数字节的填充字段。FCS(Frame Check Sequence)在以太网常用循环冗佘校检(CRC:cyclic redandancy check)。
IP协议为网络层协议，网络层的数据结构体被称为IP数据报。IP地址及域名这两个概念我们就不说了，下面我们来看一看IP数据报的结构：
成员名 字节数 说明
version 1/2 IP的版本，现在为IPV4
IHL(报送长度) 1/2 最常用为20，取5－15之前的值，最大60字节
Type Of Service 1 优先和可靠性服务要求的数值
Total Lenth 2 IP数据报的全长
Identification 2 识别IP数据报的编号
Flags 3/8 1位为0表示有碎块，2位为0表示是最后的碎块，为1表示接收中。
Fragment Offset 13/8 分片在原分组中的位置
TTL 1 数据报寿命，建议值为32秒
Protocol 1 上层协议
Headerchecksum 2 报头检验码
Source Address 4 发送端IP地址
Destination Address 4 接收端IP地址
Options And Padding 4 选项及填充位
其中协议字段的值对我们分析数据包是很重要的，下面列出来给大家看看：
值 协议 意义
1 ICMP Internet Control Message Protocol
6 TCP              Tranfer Control Protocol
8 EGP Exterior Gateway Protocol
     9 IGP Interior Gateway Protocol
17 UDP User Datagram Protocol
下面这些协议的值在后面的程序中我们可以见到，请大家留心记一下。接着我们介绍地址解析协议(ARP/RARP):
成员名 字节数 说明
Hardware address 2 硬件类型，以太网为1
Protocol address 2 上层协议类型，IP为800
Byte length of each hardware 1     查询物理地址的字节长度，以太网为6
Byte length of each protocol address 1 查询上层协议的字节长度，IPv4时为4
Opcode 2 1为ARP请求，2为响应；3为RARP请求，4为响应
Hardware address of sender of this packet 6 发送端硬件地址
protocol address of sender of this packet 4 发送端IP地址
Hardware address of target of this packet 6 查询对象硬件地址
Protocol address of target of this packet 4 查询对象IP地址
ARP/RARP 协议用来查询IP对应的硬件地址或反过来查询IP地址，这在我们分析数据包时也会见到。下面介绍ICMP协议。我们常用的PING命令就是用的这个协议， 这个协议比较简单，由类型(1字节)、代码(1字节)、检验和(2字节)、还有四个字节的与类型相关的可变部分及数据构成。
数据包在运输层还有两个重要的协议，即TCP/UDP，TCP/UDP中使用端口的概念，以区别计算机上不同的程序。下面我们先来看看TCP数据报的首部构成：
成员名 字节数 说明
Source Port 2 发送端端口号
Destination Port 2 接收端端口号
Sequence NO 4 本报文段所发送的第一个字节的序号
ACk Number 4 期望收到的下一个报文段的序号
DAta Offset 1/2 首部的长度
Reserved 3/4 保留今后用
Contol Bits 3/4 控制位
Window 2 滑动窗口的大小
Checksum 2 检验和
Urgent Pointer 2 紧急指针
Options And Padding 4 可选，真充项
Tcp被使用在跨越路由器进行网络服务的网络应用程序中，如WWW、电子邮件、新闻、FTP等。UDP则是在IP的基础上加入了端口的概念，其结构很简单，只有八个字节首部如下：
源端口(2字节)->目的端口(2字节)->长度(2字节)->检验和(2字节)

二、程序部分函数及数据结构说明
在此部分我们将介绍后面程序中用到的部分函数及数据结构。在程序中我们使用了PCAP程序库，大家可以从
Linux下测试程序，这里简单介绍一下程序库的安装方法，其它环境请大家自行解决。我的目的是给大家编写数据包分析程序提供思路，至于实用程序的实现这 里不做介绍，第三部分给出的程序也不具实用性，为了演示，程序中实现的功能较多而有些地方又不够详细，编写实用程序时请适当取舍并加入你所需要的功能实现 部分。PCAP程序库的安装方法如下：
1、解压文件
2、进入文件目录执行./configure 及make
3、使用Make命令，设定手册和Include文件(要有Root权限)，执行以下命令：
make install -man
make install -incl
4、如出现不存在Include及Include/net目录，则建立此目录并重新执行 make install -incl
5、检查/usr/include/netinet/目录是否存在Protocols.h文件，不存在则拷贝过去。至此程序库安装完毕。
下面介绍程序中出现的部分函数及数据结构：
1、PCAP_t *pd;
此型数据结构称为数据包捕捉描述符。
2、Pcap_Open_Live(argv[1],DEFAUT_SNALEN,1,1000,ebuf)
此函数对Pcap程序库进行初始化并返回指向Pcap_t型数据的指针，其参数列表如下：
        char * 指定网络接口
int 取得数据的最大字节数
int 指定网络接口卡，一般用1
int 读出暂停时间
char * 错误消息用缓冲区
3、Pcap_loop(pd,-1,packet_proce,NUll)
     此函数程序的核心，反复执行，利用Pcap取得数据包，返回的是读入数据包的个数，错误时返回－1，其参数列表如下：
Pcap_t * 指定取得数据包的数据包捕捉描述符
int 取得数据包的个数，－1为无限
返回指向函数的指针 指定数据包处理的函数
U_char * 指向赋给数据包处理函数字符串的指针
4、struct ether_header * eth
此结构体存储以太网报头信息，其成员如下：
ether_dhost[6] 接收端的MAC地址
ether_shost[6] 发送端的MAC地址
ether_type 上层协议的种类
5、fflush(stdout)
此函数完成的是强制输出，参数Stdout，强制进行标准输出。
6、noths(((struct ether_header *P)->ether_type))
此函数将短整型网络字节顺序转换成主机字节顺序。此类函数还有：
ntohl 长整型 功能同上
htons 短整型 将主机字节顺序转换成网络字节顺序
htons 长整型 同上
7、struct IP *iph
ip型结构体在IPh文件中定义，其成员和第一部分讲到的IP数据报结构对应，如下：
成员名 类型 说明
ip_hl 4位无符号整数 报头长度
ip_v 同上 版本，现为4
ip_tos 8位无符号整数 Type of service
ip_len 16位无符号整数 数据报长度
ip_id 同上 标识
ip_off 同上 数据块偏移和标志
ip_ttl 8位无符号整数 TTL值
ip_p 同上 上层协议
ip_sum 16位无符号整数 检验和
ip_src in_addr结构体 发送端IP
ip_dst 同上 接收端IP
8、struct ether_arp *arph
ether_arp型结构体成员如下：
成员名 类型 说明
ea_hdr arphdr型结构体 报头中地址以外的部分
arp_sha 8位无符号整数数组 发送端MAC地址
arp_spa 同上 发送端IP地址
arp_tha 同上 目标MAC地址
arp_tpa 同上 目标IP地址
9、struct icmphdr * icmp
icmphdr型结构体中包含共用体根据数据报类型的不同而表现不同性质，这里不再列出，只列能通用的三个成员
成员名 说明
type 类型字段
code 代码
checksum 检验和

三、案例程序剖析
//example.c
//使用方法：example〈网络接口名〉 > 〈输出文件名〉
//例如：example etho > temp.txe
//结束方法：ctrl+c
//程序开始，读入头文件
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include //pcap程序库
#include //DNS检索使用
#define MAXSTRINGSIZE 256 //字符串长度
#define MAXSIZE 1024 //主机高速缓存中的最大记录条数
#fefine DEFAULT_SNAPLEN 68 /数据包数据的长度
typedef struct
{
    unsigned long int ipaddr; //IP地址
    char hostname[MAXSTRINGSIZE]; //主机名
}dnstable; //高速缓存数据结构
typedef struct
{
    dnstable table[MAXSIZE];
    int front;
    int rear;
}sequeue;
sequeue *sq; //定义缓存队列
sq->rear=sq->front=0; //初始化队列
//输出MAC地址函数
void print_hwadd(u_char * hwadd)
{
    for(int i=0,i<5;++i)
        printf("%2x:",hwadd[i]);
    printf("%2x",hwadd[i]);
}
//输出IP地址的函数
void print_ipadd(u_char *ipadd)
{
    for(int i=0;i<3;++i)
        printf("%d.",ipadd[i]);
    printf("%d",ipadd[i]);
}
//查询端口函数
void getportname(int portno,char portna[],char* proto)
{
    if(getservbyport(htons(portno),proto)!=NULL)
    {
        strcpy(portna,getservbyport(htons(portno),proto)->s_name);
    }
    else
        sprintf(portna,"%d",portno);
}
//将IP转化为DNS名
void iptohost(unsigned long int ipad,char* hostn)
{
    struct hostent * shostname;
    int m,n,i;
    m=sq->rear;
    n=sq->front;
    for(i=n%MAXSIZE;i=m%MAXSIZE;i=(++n)%MAXSIZE)
    {
        //检查IP是否第一次出现
        if(sq->table[i].ipaddr==ipad)
        {
            strcpy(hostn,sq->table[i].hostname);
            break;
        }
    }
    if(i=m%MAXSIZE)
    {//不存在则从域名服务器查询并把结果放入高速缓存
        if((sq->rear+1)%MAXSIZE=sq->front) //判队满
            sq->front=(sq->front+1)%MAXSIZE; //出队列
        sq->table[i].ipaddr=ipad;
        shostname=gethostbyaddr((char*)&ipad,sizeof(ipad),AF_INET);
        if(shostname!=NULL)
            strcpy(sq->table[i].hostname,shostname->h_name);
        else
            strcpy(sq->table[i].hostname,"");
        sq->rear=(sq->rear+1)%MAXSIZE;
    }
}
void print_hostname(u_char* ipadd)
{
    unsigned long int ipad;
    char hostn[MAXSTRINTSIZE];
    ipad=*((unsigned long int *)ipadd);
    iptohost(ipad,hostn)
        if(strlen(hostn)>0)
            printf("%s",hostn);
        else
            print_ipadd(ipadd);
}
//处理数据包的函数
void packet_proce(u_char* packets,const struct pcap_pkthdr * header,const u_char *pp)
{
    struct ether_header * eth; //以太网帧报头指针
    struct ether_arp * arth; //ARP报头
    struct ip * iph; //IP报头
    struct tcphdr * tcph;
    struct udphdr * udph;
    u_short srcport,dstport; //端口号
    char protocol[MAXSTRINGSIZE]; //协议类型名
    char srcp[MAXSTRINGSIZE],dstp[MAXSTRINGSIZE]; //端口名
    unsigned int ptype; //协议类型变量
    u_char * data; //数据包数据指针
    u_char tcpudpdata[MAXSTRINGSIZE]; //数据包数据
    int i;
    eth=(struct ether_header *)pp;
    ptype=ntohs(((struct ether_header *)pp)->ether_type);
    if((ptype==ETHERTYPE_ARP)||(ptype==ETHERTYPE_RARP))
    {
        arph=(struct ether_arp *)(pp+sizeof(struct ether_header));
        if(ptype==ETHERTYPE_ARP)
            printf("arp ");
        else
            printf("rarp "); //输出协议类型
        print_hwadd((u_char *)&(arph->arp_sha));
        printf("(");
        print_hostname((u_char *)&(arph->arp_spa));
        printf(")->");
        print_hwadd((u_char *)&(arph->arp_tha));
        printf("(");
        print_hostname((u_char *)&(arph->arp_tpa));
        printf(")\tpacketlen:%d",header->len);
    }
    else if(ptype==ETHERTYPE_IP) //IP数据报
    {
        iph=(struct ip *)(pp+sizeof(struct ether_header));
        if(iph->ip_p==1) //ICMP报文
        {
            strcpy(protocol,"icmp");
            srcport=dstport=0;
        }
        else if(iph->ip_p==6) //TCP报文
        {
            strcpy(protocol,"tcp");
            tcph=(struct tcphdr *)(pp+sizeof(struct ether_header)+4*iph->ip_hl);
            srcport=ntohs(tcph->source);
            dstport=ntohs(tcph->dest);
            data=(u_char *)(pp+sizeof(struct ether_header)+4*iph->ip_hl+4*tcph->doff);
            for(i=0;i            {
                if(i>=header->len-sizeof(struct ether_header)-4*iph->ip_hl-4*tcph->doff);
                break;
                else
                    tcpudpdata[i]=data[i];
            }
        } //TCP数据处理完毕
        else if(iph->ip_p=17) //UDP报文
        {
            strcpy(protocol,"udp");
            udph=(struct udphdr *)(pp+sizeof(struct ether_header)+4*iph->ip_hl);
            srcport=ntohs(udph->source);
            dstport=ntohs(udph->dest);
            data=(u_char *)(pp+sizeof(struct ether_header)+4*iph->ip_hl+8);
            for(i=0;i            {
                if(i>=header->len-sizeof(struct ether_header)-4*iph->ip_hl-8);
                break;
                else
                    tcpudpdata[i]=data[i];
            }
        }
        tcpudpdata[i]='\0';
        getportname(srcport,srcp,protocol);
        getportname(dstport,dstp,protocol);
        printf("ip ");
        print_hwadd(eth->ether_shost);
        printf("(");
        print_hostname((u_char *)&(iph->ip_src));
        printf(")[%s:%s]->",protocol,srcp);
        print_hwadd(eth->ether_dhost);
        printf("(");
        print_hostname((u_char *)&(iph->ip_dst));
        printf(")[%s:%s]",protocol,dstp);
        printf("\tttl:%d packetlen:%d,iph->ttl,header->len);
     printf("\n");
        printf("%s",tcpudpdata);
        printf("==endpacket==");
    }
    printf("\n");
}
//Main函数取数据包并初始化程序环境
int main(int argc,char ** argv)
{
    char ebuf[pcap_ERRBUF_SIZE];
    pcap * pd;
    if(argc<=1) //参数检查
    {
        printf("usage:%s\n",argv[0]);
        exit(0);
    }
    //设置PCAP程序库
    if((pd=pcap_open_live(argv[1],DEFAULT_SNAPLEN,1,1000,ebuf))=NULL)
    {
        (void)fprintf(stderr,"%s",ebuf);
        exit(1);
    }
    //循环取数据包
    //改变参数－1为其它值，可确定取数据包的个数，这里为无限个
    if(pcap_loop(pd,-1,packet_proce,NULL)<0)
    {
        (void)fprintf(stderr,"pcap_loop:%s\n",pcap_geterr(pd));
        exit(1);
    }
    pcap_colse(pd);
    exit(0);
}
//程序结束