计算机网络解析ARP数据包

1、 沈阳理工大学课程设计专用纸 No14成 绩 评 定 表学生姓名班级学号1103050409专 业计算机科学与技术课程设计题目解析ARP数据包评语组长签字：成绩日期 20 年 月 日课程设计任务书学 院信息科学与工程学院专 业计算机科学与技术学生姓名班级学号课程设计题目解析ARP数据包实践教学要求与任务:1. 课程设计的目的是对网络上的ARP数据包进行解析，从而熟悉ARP数据包的结构，对ARP协议有更好的理解和认识。2. 通过编写程序，获取网络中的ARP数据包，解析数据包的内容，将结果显示在标准输出上，并同时写入日志文件。工作计划与进度安排:第15周星期一：设计任务分析和总体设计星期二：软件算

2、法和流程设计星期三：软件编码实现星期四：软件总体调试星期五：交课程设计报告、答辩、验收程序指导教师： 201 年 月 日专业负责人：201 年 月 日学院教学副院长：201 年 月 日目 录摘 要1 课程设计目的.12 课程设计要求13相关知识14课程设计分析15程序代码16运行结果与分析17 个人心得.18参考文献1沈阳理工大学摘 要 本文首先介绍了解析ARP数据包课程设计的目的与意义，本次课程设计的要求，接着说明了，什么是ARP？ARP数据报消息格式以及ARP协议的工作流程加强我们对ARP协议的认识，然后分析了本次课程设计的难点、重点、参考算法、核心代码，以及对运行结果的分析，还有一些相关

3、知识的拓展。最后对本次课设进行了个人心得的总结。1课程设计目的 课程设计的目的是对网络上的ARP数据包进行解析，从而熟悉ARP数据包的结构，对ARP协议有更好的理解和认识。2 课程设计要求 通过编写程序，获取网络中的ARP数据包，解析数据包的内容，将结果显示在标准输出上，并同时写入日志文件。程序的具体要求如下所示：(1) 以命令行的形式运行，如下所示：ParseArp log_file其中，arpparse为程序名；log_file为日志文件名。(2)程序输出内容如下所示：源IP地址 源MAC地址 目的IP地址 目的MAC地址 操作 时间各部分的说明如下所示：源IP地址：输出ARP消息格式中的

4、源IP地址字段源MAC地址：输出ARP消息格式中的源物理地址字段目的IP地址：输出ARP消息格式中的目的IP地址字段。目的MAC地址：输出ARP消息格式中的目的物理地址字段 操作：输出ARP消息格式中的操作字段，若为ARP请求， 则为1，若为ARP应答，则为2。时间：该ARP包产生的时间。（3）当程序接收到键盘输入Ctrl+C时字段退出。3 相关知识(1)什么是ARP地址解析协议（Address Resolution Protocol，ARP）是在仅知道主机的IP地址时确定其物理地址的一种协议。因IPv4和以太网的广泛应用，其主要用作将IP地址翻译为以太网的MAC地址，但其也能在ATM和FDD

5、IIP网络中使用。从IP地址到物理地址的映射有两种方式：表格方式和非表格方式。ARP具体说来就是将网络层（IP层，也就是相当于OSI的第三层）地址解析为数据连接层（MAC层，也就是相当于OSI的第二层）的MAC地址。在以太网协议中规定，同一局域网中的一台主机要和另一台主机进行直接通信，必须要知道目标主机的MAC地址。而在TCP/IP协议栈中，网络层和传输层只关心目标主机的IP地址。这就导致在以太网中使用IP协议时，数据链路层的以太网协议接到上层IP协议提供的数据中，只包含目的主机的IP地址。于是需要一种方法，根据目的主机的IP地址，获得其MAC地址。这就是ARP协议要做的事情。所谓地址解析（a

6、ddress resolution）就是主机在发送帧前将目标IP地址转换成目标MAC地址的过程。 另外，当发送主机和目的主机不在同一个局域网中时，即便知道目的主机的MAC地址，两者也不能直接通信，必须经过路由转发才可以。所以此时，发送主机通过ARP协议获得的将不是目的主机的真实MAC地址，而是一台可以通往局域网外的路由器的某个端口的MAC地址。于是此后发送主机发往目的主机的所有帧，都将发往该路由器，通过它向外发送。这种情况称为ARP代理（ARP Proxy）。(2)ARP数据报的消息格式网络上的每台主机或设备都有一个或多个IP地址。IP地址是网络层的地址，在网络层，数据被组装成IP包。但是发送

7、IP包需要物理设备的支持（通常是Ethernet设备，在本课程设计中我们指定为Ethernet设备），即发送端必须知道目的物理地址才能将IP包发送出去，所以需要一种将IP地址映射为物理地址的机制。ARP协议就是用来完成这个任务的。ARP协议能够在同一个物理网络中，在给定目的主机或设备的IP地址的条件下，得到目的主机或设备的物理地址。ARP协议的数据包格式如图所示： 0 8 16 24 31（位） 硬件类型 协议类型物理地址长度协议地址长度 操作 源物理地址（八位组03） 源物理地址（八位组45） 源IP地址（八位组01） 源IP地址（八位组23） 目的物理地址（八位组01） 目的物理地址（八位

8、组25） 目的IP地址（八位组03）ARP数据包的消息格式下面对数据包的各个部分进行说明l 硬件类型：指定硬件接口类型。例如，值为1表示Ethernetl 协议类型：指定发送方支持的上层协议的类型l 物理地址长度：指定物理（硬件）地址的长度l 协议地址长度：网络层协议的地址长度。若为IP协议，其值为4l 操作：指定ARP的操作类型，例如，1表示ARP请求，2表示ARP应答l 源物理地址：指定发送方的IP地址l 目的物理地址：指定目的物理地址。l 目的IP地址：指定目的IP地址ARP分组必须在数据链路层中被封装成侦，才能发送出去封装形式如图所示ARP消息帧头部 帧数据 将ARP数据包封装成一个帧

9、(3)ARP协议的工作流程。1) 在发送一个ARP分组之前，源主机首先根据目的IP地址，在本地ARP高速缓存表中查找与之对应的目的物理地址。如果找到对应的物理地址，就不用进行地址解析，否则需要进行地址解析。2) 实现地址解析的第一步是产生ARP请求分组。在相应的字段写入本地主机的源物理地址、源IP地址，在目的物理地址字段写入0，并在操作字段写入1。3) 将ARP分组发送到本地的数据链路层，并封装成帧。以源物理地址作为源地址，以物理广播地址（FF-FF-FF-FF-FF-FF）作为目的地址，通过物理层发送出去。4) 由于采用了广播地址，因此网段内所有的主机或设备都能接受到该帧。除了目的主机外，所

10、有接受到该分组的主机和设备都会丢弃该分组，因为目的主机能够识别ARP消息中的目的IP地址。5) 目的主机发送ARP应答分组。在ARP应答分组中，以请求分组中源物理地址、源IP地址作为其目的物理地址、目的IP地址，并将目的主机自身的物理地址、IP地址填入应答分组的源物理地址、源IP地址字段，并在操作字段中写入2。该分组通过数据链路层以点对点的方式发送出去（因为现在目的方已经知道双方的物理地址）。6) 源结点接收到ARP应答分组，知道对应于目的IP地址的目的物理地址，将它作为一条新记录加入到ARP高速缓存表。源结点将有完整源IP地址、源物理地址、目的IP地址、目的物理地址的信息和数据作为一个发送分

11、组，传送给它的数据链路层并封装成桢，然后以点对点的方式发送到目的主机。4 课程设计分析1. 课程设计中的重点及难点1) 程序中会用到Winpcap，Winpcap是Win32环境下数据包捕获的开放代码函数库。基于Winpcap的应用程序一般按照下面几个步骤进行设计：l 输出网卡设备列表。l 选择网卡并打开。l 捕获数据包时，可能需要设置过滤器。l 捕获数据包或者发送数据包。2) 在程序设计过程中需要注意网络主机字节顺序的转化。由于不同的计算机系统所采用的数据表示方式不同，对于2B或4B的数据，有的采用低字节地址存放数据的高权值位，而有的却以低地址字节存放数据低权位值，在网络的数据传输中，我们应

12、该统一表示，所以我们在捕获数据包后，应将数据包头部的表示长度或类型的数据转换成本地机的表达形式。可以利用函数ntohs()将网络字节序转换为主机字节序。3) 选择网卡并打开时，注意选择可用的网卡。2. 参考算法1) 取得当前网卡设备列表。2) 选择Ethernet网卡并打开，注意判断所选网卡是否为实际存在的可用网卡。3) 设置过滤器，此处的过滤器正则表达式为“arp”或者“ether protoarp”。4) 捕获数据包并进行处理（包括输出各IP地址，物理地址，操作类型以及时间）。由于要记录日志文件，为了便于输出流参数，建议采用pcap_next_ex()函数。流程图如图所示：开始获取网卡列表

13、选取Ethernet网卡打开网卡（混杂模式）编译设置过滤器捕获ARP包并将其相应内容输出5 程序代码#include<conio.h>#include<fstream.h>#include<iomanip.h>#include"pcap.h"#include<winsock2.h>#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")#pragma comment(lib,"wpcap.lib")/定义ARP包数据struct arppktunsigned short hdt

14、yp; /硬件类型unsigned short protyp; /协议类型unsigned char hdsize; /硬件地址长度unsigned char prosize; /协议地址长度unsigned short op; /（操作类型）操作值: ARP/RARPu_char smac6; /源MAC地址u_char sip4; /源IP地址u_char dmac6; /目的MAC地址u_char dip4; /目的IP地址;void packet_handler(const pcap_pkthdr *header,const u_char *pkt_data,ostream&

15、out) /从ARP包中找到头部位置 arppkt* arph = (arppkt *)(pkt_data +14);/输出源IP地址 for(int i=0;i<3;i+) out<<int(arph->sipi)<<'.' out.setf(ios:left); out<<setw(3)<<int(arph->sip3)<<" " out.unsetf(ios:left);/输出源MAC地址char oldfillchar=out.fill('0');out.s

16、etf(ios:uppercase); for(i=0;i<5;i+) out<<hex<<setw(2)<<int(arph->smaci)<<'-' out<<hex<<setw(2)<<int(arph->smac5)<<" " out.fill(oldfillchar); out.unsetf(ios:hex|ios:uppercase);/输出目的IP地址 for(i=0;i<3;i+) out<<int(arph-&

17、gt;dip3)<<'.'out.unsetf(ios:left);out<<setw(3)<<int(arph->dip3)<<' 'out.unsetf(ios:left);/输出目的MAC地址out.fill('0');out.setf(ios:uppercase);for(i=0;i<5;i+) out<<hex<<setw(2)<<int(arph->dmaci)<<'-'out<<hex<

18、<setw(2)<<int(arph->dmac5)<<" "out.fill(oldfillchar);out.unsetf(ios:hex|ios:uppercase);/输出操作类型out<<ntohs(arph->op)<<" "/输出操作时间struct tm *ltime;ltime=localtime(&header->ts.tv_sec);out.fill('0');out<<ltime->tm_hour<<

19、9;:'<<setw(2)<<ltime->tm_min<<':'<<setw(2)<<ltime->tm_sec;out.fill(oldfillchar);out<<endl;void main(int argc,char *argv )/命令行参数/检查输入命令格式if(argc!=2)cout<<"Please input command: ParseArp output_file"<<endl;return;/初始化网络设备相关参数p

20、cap_if_t *alldevs;pcap_if_t *d;pcap_t *adhandle;char errbufPCAP_ERRBUF_SIZE;u_int netmask;char packet_filter="ether proto arp"struct bpf_program fcode;struct pcap_pkthdr *header;const u_char *pkt_data;/获取网络设备列表if(pcap_findalldevs(&alldevs,errbuf)=-1)cout<<"Error in pcap_find

21、alldevs:"<<errbuf;return;/选取一个Ethernet网卡for(d=alldevs;d;d=d->next) /网卡设为混杂模式，接收所有帧if(adhandle=pcap_open_live(d->name,1000,1,300,errbuf)=NULL)cout<<"nUnable to open the adapter."pcap_freealldevs(alldevs);return;/检查数据链路是否为Ethernetif(pcap_datalink(adhandle)=DLT_EN10MB&a

22、mp;&d->addresses!=NULL)break;if(d=NULL) cout<<"nNo interfaces found! Make sure Winpcap is installed.n" return;/获得子网掩码netmask=(sockaddr_in *)(d->addresses->netmask)->sin_addr.S_un.S_addr;/编译过滤器，只捕获ARP包if(pcap_compile(adhandle,&fcode,packet_filter,1,netmask)<0) c

23、out<<"nUnable to compile the packet filter.Check the syntax.n" pcap_freealldevs(alldevs); return;/设置过滤器if(pcap_setfilter(adhandle,&fcode)<0) cout<<"nError setting the filter.n" pcap_freealldevs(alldevs); return;/显示提示信息及每项含义cout<<"listening on "&

24、lt;<d->description<<"."<<endl<<endl;ofstream fout(argv1,ios:app); /日志记录文件/为了查看日志时的方便，其中加入了日期记录time_t t;time(&t);fout.seekp(0,ios:end);if(fout.tellp()!=0) fout<<endl;fout<<"ttARP request(1)/reply(2) on"<<ctime(&t);cout<<"

25、;Sour Ip Addr"<<" "<<"Sour MAC Address" <<" "<<"Des Ip Addr"<<" "<<"Des MAC Address"<<" "<<"OP"<<" "<<"Time"<<endl;fout<<&q

26、uot;Sour Ip Addr"<<" "<<"Sour MAC Address" <<" "<<"Des Ip Addr"<<" "<<"Des MAC Address" <<" "<<"OP"<<" "<<"Time"<<endl;/释放设备列表pca

27、p_freealldevs(alldevs);/开始截获ARP包int result;while(result=pcap_next_ex(adhandle,&header,&pkt_data)>=0) /循环解析ARP数据包 if(result=0) continue;/解析ARP包，结果输出到屏幕与文件 packet_handler(header,pkt_data,cout); packet_handler(header,pkt_data,fout);6 运行结果与分析相关扩展与分析：本课程设计还可以在Linux环境下用rawsocket完成。算法和代码提示：1) 调用

28、socket（）打开协议簇为PF_PACKET的原始套接字，这样我们就可以收到数据链路帧：int fd = socket(PF_PACKET,SOCK_RAM,htons(ETH_P_ALL);2) 对打开的套接字调用ioct1（），将网卡设置为混杂模式，这样我们就可以接受到局域网中所有的包（包括目的地址不是本机的帧）： struct ifreq req; memset (&req,0,sizeof(req); strncpy(req.ifr_name,”eth0”,strlen(“eth0”)+1); ioctl(fd,SIOCGIFFLAS,&req); req.ifr_flags|=IFF_PROMISC; /设置为混杂模式 icotl(fd, SIOCGIFFLAGS,&req);3) 利用recvfrom（）接收包：recvform(fd,buffer,sizeof(buffer)