计算机网络解析ARP数据包

摘 要

1  课程设计目的............................................................1

2  课程设计要求    1

3    相关知识    1

4    课程设计分析    1

5    程序代码    1

6    运行结果与分析    1

7  个人心得...................................................................1

8    参考文献    1

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FDDIIP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（address 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）  

下面对数据包的各个部分进行说明

●硬件类型：指定硬件接口类型。例如，值为1表示Ethernet

●协议类型：指定发送方支持的上层协议的类型

●物理地址长度：指定物理（硬件）地址的长度

●协议地址长度：网络层协议的地址长度。若为IP协议，其值为4

●操作：指定ARP的操作类型，例如，1表示ARP请求，2表示ARP应答

●源物理地址：指定发送方的IP地址

●目的物理地址：指定目的物理地址。

●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

               将ARP数据包封装成一个帧

(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：

●输出网卡设备列表。

●选择网卡并打开。

●捕获数据包时，可能需要设置过滤器。

●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 proto\\\\arp”。

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：

5程序代码

#include

#include

#include

#include"pcap.h"

#include

#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")

#pragma comment(lib,"wpcap.lib")

//定义ARP包数据

struct arppkt

{

    unsigned short hdtyp;              //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/RARP

    u_char smac[6];                  //源MAC地址

    u_char sip[4];                    //源IP地址

    u_char dmac[6];                  //目的MAC地址

    u_char dip[4];                    //目的IP地址

};

void packet_handler(const pcap_pkthdr *header,const u_char *pkt_data,ostream& 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<sip[i])<<'.';

    out.setf(ios::left);

out<sip[3])<<" ";

    out.unsetf(ios::left);

    //输出源MAC地址

    char oldfillchar=out.fill('0');

    out.setf(ios::uppercase);

for(i=0;i<5;i++)

out<smac[i])<<'-';

out<smac[5])<<" ";

    out.fill(oldfillchar);

    out.unsetf(ios::hex|ios::uppercase);

    //输出目的IP地址

for(i=0;i<3;i++)

out<dip[3])<<'.';

    out.unsetf(ios::left);

out<dip[3])<<' ';

    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<dmac[i])<<'-';

out<dmac[5])<<" ";

    out.fill(oldfillchar);

    out.unsetf(ios::hex|ios::uppercase);

    //输出操作类型

out<op)<<" ";

    //输出操作时间

    struct tm *ltime;

ltime=localtime(&header->ts.tv_sec);

    out.fill('0');

out<tm_hour<<':'<tm_min<<':'<tm_sec;

    out.fill(oldfillchar);

out<}

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"<        

        return;

    }

    //初始化网络设备相关参数

    pcap_if_t *alldevs;

    pcap_if_t *d;

    pcap_t *adhandle;

    char errbuf[PCAP_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　all　devs:"<        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Ethernet

        if(pcap_datalink(adhandle)==DLT_EN10MB&&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)

{ cout<<"\\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 "<description<<"..."<ofstream fout(argv[1],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<fout<<"\\ARP request(1)/reply(2) on"<cout<<"Sour Ip Addr"<<" "<<"Sour MAC Address" <<" "<<"Des Ip Addr"<<" "<<"Des MAC Address"<<" "<<"OP"<<" "<<"Time"<fout<<"Sour Ip Addr"<<" "<<"Sour MAC Address" <<" "<<"Des Ip Addr"<<" "<<"Des MAC Address" <<" "<<"OP"<<" "<<"Time"<//释放设备列表

pcap_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),0,(struct sockaddr *)&from,&from_len);

4)接收到包后，判断是否为ARP包，若是ARP包则进行处理，否则丢弃。

If( (ntohs(eth_header->ether_type)==0x0806)

&&(ntohs(arp_header->ar_hrd)==0x0001)

&&(ntohs(arp_header->ar_pro)==0x0800)

&&(arp_header->ar_hln==0x06)

&&(arp_header->ar_pln==0x04)

&&( (ntohs(arp_header->ar_op)==0x01)||

(ntohs(arp_header->ar_op)==0x02)))

  {

对ARP数据包进行分析并打印

}

5)算法在3、4步之间进行循环，直到强行退出为止。

7 个人心得

    本次课程设计，完成了在xp环境下的解析ARP数据包。在具体实现获取网络中的ARP数据包解析数据包的内容，并将其写入日志文件的过程中，是我更加清楚物理地址、IP地址的关联，源地址与目的地址的关系，以及二者对数据类型的格式要求。最重要的是通过这次的实际训练让我对ARP协议更加理解。为了完成本次课程设计查阅了大量的资料，学到了很多知识，使我对计算机网络有了更深入的了解。我觉得这次课程设计我觉得收获挺大的。之前的学习仅限于书本，网络的很多东西都只知道其然而不知道其所以然。通过这次课程设计，我也领略到网络安全的一些知识，例如ARP欺骗，黑客等等，，同时也锻炼实践能力。随着科学技术发展的日新月异，网络已经成为当今计算机发展中空前活跃的领域，在生活中可以说是无处不在，特别是我们在寝室上网的时候，也涉及到ARP欺骗的问题，网络安全特别引起我们的注意，我感觉这次的课设，通过上网查资料，我也学到了很多网络安全的知识，以后对付一些简单的网络攻击，应该还行。

8参考文献

[1]谢希仁 编著.  计算机网络 （第5版） .北京：电子工业出版社，2008

[2]吴宜功  吴英 编著. 计算机网络课程设计 （第2版）.   北京: 机械工业出版社，2012

[3]百度百科