计算机网络课程设计源代码和实验报告+帧封装、IP数据包解析和发送TCP数据包.pdf

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1、 计算机网络课程设计之协议编程 实验一帧封装 实验目的：编写程序，根据给出的原始数据，组装一个 IEEE 802.3 格式的帧（题目）默认的输入文件为二进制原始数据（文件名分别为 input1 和 input2）。要求程序为命令行程序。比如，可执行文件名为 framer.exe，则命令行形式如下：framer inputfile outputfile，其中，inputfile 为原始数据文件，outputfile 为输出结果。输出:对应 input1 和 input2 得结果分别为 output1 和 output2。试验要求：编写程序，根据给出的原始数据，组装一个 IEEE 802.3 格式

2、的帧（题目）默认的输入文件为二进制原始数据（文件名分别为 input1 和 input2）。要求程序为命令行程序。比如，可执行文件名为 framer.exe，则命令行形式如下：framer inputfile outputfile，其中，inputfile 为原始数据文件，outputfile 为输出结果。输出:对应 input1 和 input2 得结果分别为 output1 和 output2 验设计相关知识：帧：来源于串行线路上的通信。其中，发送者在发送数据的前后各添加特殊的字符，使它们成为一个帧。Ethernet从某种程度上可以被看作是机器之间的数据链路层连接。按 802.3标准的帧结

3、构如下表所示（802.3标准的 Ethernet帧结构由 7部 分组成）802.3标准的帧结构 前导码 帧前定界符 目的地址 源地址 长度字段 数据字段 校验字段 7B 1B(2/6B)(2/6B)(2B)(长度可变)(4B)其中，帧数据字段的最小长度为 46B。如果帧的 LLC数据少于 46B，则应将数据字段填充至 46B。填充字符是任意的，不计入长度字段值中。在校验字段中，使用的是 CRC校验。校验的范围包括目的地址字段、源地址字段、长度字段、LLC数据字段。循环冗余编码(CRC)是一种重要的线性分组码、编码和解码方法，具有简单、检错和纠错能力强等特点，在通信领域广泛地用于实现差错控制。C

4、RC校验码的检错能力很强，不仅能检查出离散错误，还能检查出突发错误。利用 CRC进行检错的过程可简单描述如下：在发送端根据要传送的 k 位二进制码序列，以一定的规则产生一个校验用的 r 位监督码(CRC码)，附在原始信息的后边，构成一个新的二进制码序列(共 k+r位)，然后发送出去。在接收端，根据信息码和 CRC码之间所遵循的规则进行检验，以确定传送中是否出错。这个规则在差错控制理论中称为“生成多项式”。CRC的基本实现 前导码 帧前定界符 目的地址 源地址 长度字段 数据字段 校验字段 7B 1B(2/6B)(2/6B)(2B)(长度可变)(4B)循环冗余校验码的特点：（1）CRC校验码可检

5、测出所有单个错误。（2）CRC校验码可检测出所有奇数位错误。（3）CRC校验码可检测出所有双位的错误（4）CRC校验码可检测出所有小于、等于校验位长度的突发错误。（5）CRC校验码可以(1/2)-11-k的概率检测出长度为(K+1)位的突发错误 实验分析：填充帧头部字段 要完成一次帧封装的过程，首先要完成的就是帧头部的装入，这一过程只要将签到吗、定界符、目的地址、源地址、长度字段的相应数值按顺序写入就可以了。其中，长度字段的值即为要发送的数据的实际长度。填充数据字段 在填充数据字段的过程中要注意的主要问题是数据字段的长度。802.3 标准中规定了帧数据字段的最小长度为 46B，最大长度为 15

6、00B。如果数据不足 46B，则需要通过填充 0 来补足；若数据长度超过 1500B，则的大奖超过部分封装入下一个帧进行发送。CRC 校验 帧封装的最后一步就是对数据进行校验，并将校验结果记入帧校验字段。程序流程图：以二进制、可读写方式打开输出文件开始写入前导码和这界定符获取当前文件指针写入目的地址和源地址打开输入数据文件、获得稳健长度length，并将长度值写入输出文件将输入数据文件的内容填入数据字段数据字段长度=46B填充（46-length）字节0关闭输入数据文件添加1字节0，用于CRC计算计算CRC值，填充校验字段风转完成，关闭输出文件NY CRC计算流程图：序源代码：#include

7、#include#include void main(int argc,char*argv)/如果输入命令行不正确，则输出提示后退出。if(argc!=3)coutendl请按以下格式输入：framer inputfile outputfileendl;exit(0);/打开指定的输出文件，以二进制方式打开并可读可写，如文件存在，则清除其内容。fstream file(argv2,ios:out|ios:in|ios:binary|ios:trunc,0);for(int i=0;i8);file.put(char(length&0 xff);/将文件长度值按照逆序写入到输出文件的长度字段中。

8、file.write(data,length);/将 data内容写入到输出文件中。/如果输入文件长度不足 B，则用补足 B。if(length46)for(int j=length;j46;j+)file.put(char(0 x00);file.put(char(0 x00);/将数据字段后添加个 file.seekg(8,ios:beg);/将读指针指向目的地址字段，从此处开始 CRC计算 unsigned char ch;/ch用来保存读入的字符。unsigned char crc=char(0 x00);/余数初始值为。while(1)/进行 CRC计算 file.get(ch);i

9、f(ch=0 xff)/判断是否到了文件结尾，如果是，则退出循环。break;for(i=0;i8;i+)/对入读入的字符的位分别处理。if(0 x80=(crc&(0 x80)/当前余数最高位为，需要进行除法运算。crc=(crc7);/将输入数据相应的值递补到余数末位。crc=crc(0 x07);/进行除法运算，即与除数的低位相异或。else/当前余数的最高位为，不需要进行除法运算。crc=(crc7);/将输入数据相应位的值递补到余数末位。ch=ch1;/读到的字符左移位，使数据下一位作为输入位。file.clear();file.seekp(-1,ios:end);/将写指针移到输出

10、文件的最后。file.put(crc);/写入 crc码。file.close();infile.close();/关闭输入文件和输出文件。coutendl数据帧文件argv2封装完成endl;运行结果：运行结果如下所示：执行 framer.exe文件的结果如下所示：实验小结：实现帧的封装，主要是将帧的七个部分-前导码、帧前定界符、目的地址、源地址、长度字段、数据字段和校验字段，一个一个按顺序封装的，最后使得一个帧的封装得以完成。同时，在编写程序的过程中，用到了很多的函数，这些函数的运用使得程序简便而且正确的运行出来。实验二解析IP数据包 实验目的：设计一个解析 IP 数据包的程序，并根据这个

11、程序，说明 IP 数据包的结构及 IP 协议的相关问题，从而对 IP 层的工作原理有更好的理解和认识。实验要求：本实验的目标是捕获网络中的 IP 数据包，解析数据包的内容，见个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：以命令行形式运行：ipparse logfile，其中 ipparse 是程序名，而 logfile 则代表记录结果的日志文件。在标准输出、和日志文件中写入捕获的 IP 包的版本、头长度、服务类型、数据包总长度、数据包标识、分段标志、分段偏移值、生存时间、上层协议类型、头校验和、源 IP 地址和目的 IP 地址等内容。当程序接收到键盘输入 Ctrl+C 时退出

12、。设计相关知识：IP 数据报的格式说明 IP 协议都具有什么功能。其首部，版本目前广泛使用的版本号为 4；首部长度站 4bit；服务类型占 8bit，其中服务类型 TOS子域占 4位，优先级子域占 3 位，另一位为保留位；总长度字段为 2B，IP 数据包的最大长度是 65535B；标识占 16bit，它是一个计数器，用来产生数据报的标识；标志占 3bit，其中最低为为 MF，MF=1时为后面“还有分片”，MF=0表示这是数据报片中的最后一个，DF=0时，表示允许分片；片偏移以 8个字节为偏移单位；生存时间字段记为 TTL，单位为秒；协议段占 8bit，用于指出次数据是使用何种协议，典型的协议号

13、有 6：TCP，17：UDP，1：ICMP。本程序使用套接字 socket编程，将网卡设为能够接受流经网卡的所有类型的数据包。首先，初始化套接字，然后监听数据包，解析数据包。SOCKET sock=socket(AF_INET,SOCK_RAW,IPPROTO_IP)用来创建套接字，其参数 为通信发生的区字段和套接字的类型。WSAIoctl(sock,IO_RCVALL,&dwBufferInLen,sizeof(dwBufferInLen)函数用来把网卡设置为混杂模式。recv(sock,buffer,65535,0)函数用来接收经过的IP 包，其参数分别是套接字描述符，缓冲区的地址，缓冲区

14、的大小。typedef struct IP_HEAD ip_head;用来定义IP 头部数据。setsockopt(sock,IPPROTO_IP,IP_HDRINCL,(char*)函数用来获取本机IP 地址 htons()函数将无符号短整型转换为网络字节顺序的数据 本程序在windows环境下利用C+语言编写。实验设计分析：为了获取网络中的 IP 数据包，必须对网卡进行编程，我们使用套接字进行编程。使用套接字 接收数据包 定义 IP 头部的数据结构 IP 包的解析 程序流程图：具体程序代码：#include#include 构造程序运行环境，生成输出文件开始创造原始套接字，并初始化捕获IP

15、包解析IP包输出IP包信息Ctrl+C结束NY#include#include#include#pragma comment(lib,ws2_32)/指定连接到网络应用和 internet#define IO_RCVALL _WSAIOW(IOC_VENDOR,1)typedef struct IP_HEAD union/定义联合 unsigned char Version;unsigned char HeadLen;unsigned char ServiceType;unsigned short TotalLen;unsigned short Identifier;union unsigne

16、d short Flags;unsigned short FragOffset;unsigned char TimeToLive;unsigned char Protocol;unsigned short HeadChecksum;unsigned int SourceAddr;unsigned int DestinAddr;unsigned char Options;ip_head;/定义 IP 头部的数据结构 void main(int argc,char*argv)using namespace std;ofstream outfile(C:logfile.txt,ios:out);if

17、(argc!=2)coutendl请以下格式输入命令行:PackParse packet_sumendl;return;WSADATA WSAData;if(WSAStartup(MAKEWORD(2,2),&WSAData)!=0)coutendlWSASTartup 初始化失败endl;return;SOCKET sock=socket(AF_INET,SOCK_RAW,IPPROTO_IP);/三个参分别为通信发生的区字段，套接字的类型，与 IP 协议 if(sock=INVALID_SOCKET)coutendl创建 Socket 失败!endl;closesocket(sock);W

18、SACleanup();BOOL flag=TRUE;if(setsockopt(sock,IPPROTO_IP,IP_HDRINCL,(char*)&flag,sizeof(flag)=SOCKET_ERROR)coutendlsetsockopt 操作失败:WSAGetLastError()endl;closesocket(sock);WSACleanup();char hostName128;/获取主机名 if(gethostname(hostName,100)=SOCKET_ERROR)coutendlgethostname 操作失败:WSAGetLastError()endl;clo

19、sesocket(sock);WSACleanup();hostent*pHostIP;/获取本地 IP if(pHostIP=gethostbyname(hostName)=NULL)coutendlgethostbyname 操作失败:WSAGetLastError()h_addr_list0;if(bind(sock,(PSOCKADDR)&host_addr,sizeof(host_addr)=SOCKET_ERROR)coutendlbind 操作失败:WSAGetLastError()endl;closesocket(sock);/绑定网卡 WSACleanup();DWORD d

20、wBufferLen10;DWORD dwBufferInLen=1;DWORD dwBytesReturned=0;if(WSAIoctl(sock,IO_RCVALL,&dwBufferInLen,sizeof(dwBufferInLen),&dwBufferLen,sizeof(dwBufferLen),&dwBytesReturned,NULL,NULL)=SOCKET_ERROR)coutendlWSAIoctl 操作失败:WSAGetLastError()endl;closesocket(sock);/将网卡设为混杂模式，以接受所有数据 WSACleanup();coutendl开

21、始解析 IP 包:endl;char buffer65535;/设置缓冲区 int packsum=atoi(argv1);/字符串转换为整形 for(int i=0;i0)/四个参数分别是套接字描述符，缓冲区的地址，缓冲区大小，附加标志 ip_head ip=*(ip_head*)buffer;cout-endl;cout版本:4)endl;/获取头部长度字段 cout头部长度:(ip.HeadLen&0 x0f)*4)endl;/获取头部长度字段 cout服务类型:Priority5),Service1)&0 x0f)endl;/优先级子域和 TOS 子域 cout总长度:ip.Total

22、Lenendl;/获取总长度字段 cout标识符:ip.Identifierendl;/获取标识字段 cout标志位:15)&0 x01),DF=14)&0 x01),Mf=13)&0 x01)endl;/获得标志字段 cout片偏移:(ip.FragOffset&0 x1fff)endl;/获取分段偏移字段 cout生存周期:(int)ip.TimeToLiveendl;/获取生存时间字段 cout协议:Protocol(int)ip.Protocolendl;/获取协议字段 cout头部校验和:ip.HeadChecksumendl;/获取头校验和字段 cout原地址:inet_ntoa(

23、*(in_addr*)&ip.SourceAddr)endl;/获取源 IP 地址字段 cout目的 IP 地址:inet_ntoa(*(in_addr*)&ip.DestinAddr)endl;/获取目的 IP 地址字段 outfile-endl;outfile版本:4)endl;outfile头部长度:(ip.HeadLen&0 x0f)*4)endl;outfile服务类型:Priority5),Service1)&0 x0f)endl;outfile总长度:ip.TotalLenendl;outfile标识符:ip.Identifierendl;outfile标志位:15)&0 x01

24、),DF=14)&0 x01),Mf=13)&0 x01)endl;outfile片偏移:(ip.FragOffset&0 x1fff)endl;outfile生存周期:(int)ip.TimeToLiveendl;outfile协议:Protocol(int)ip.Protocolendl;outfile头部校验和:ip.HeadChecksumendl;outfile原地址:inet_ntoa(*(in_addr*)&ip.SourceAddr)endl;outfile目的 IP 地址:inet_ntoa(*(in_addr*)&ip.DestinAddr)1)cksum+=*buffer

25、+;size-=sizeof(USHORT);if(size)cksum+=*(UCHAR*)buffer;cksum=(cksum 16)+(cksum&0 xffff);cksum+=(cksum 16);return(USHORT)(cksum);程序流程图：源程序代码：#include#include#include#include#include#include#include 构造原始套接字，并初始化开始填充IP头部计算IP头部检验和构造TCP伪头部填充TCP头部计算TCP头部校验和发送TCP数据报结束#include#pragma comment(lib,ws2_32.lib)#

26、define IPVER 4 /IP 协议预定#define MAX_BUFF_LEN 65500 /发送缓冲区最大值 typedef struct ip_hdr /定义 IP 首部 UCHAR h_verlen;/4 位首部长度,4 位 IP 版本号 UCHAR tos;/8 位服务类型 TOS USHORT total_len;/16 位总长度（字节）USHORT ident;/16 位标识 USHORT frag_and_flags;/3 位标志位 UCHAR ttl;/8 位生存时间 TTL UCHAR proto;/8 位协议(TCP,UDP 或其他)USHORT checksum;

27、/16 位 IP 首部校验和 ULONG sourceIP;/32 位源 IP 地址 ULONG destIP;/32 位目的 IP 地址 IP_HEADER;typedef struct tsd_hdr/定义 TCP 伪首部 ULONG saddr;/源地址 ULONG daddr;/目的地址 UCHAR mbz;/没用 UCHAR ptcl;/协议类型 USHORT tcpl;/TCP 长度 PSD_HEADER;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 ULONG

28、 th_seq;/32 位序列号 ULONG th_ack;/32 位确认号 UCHAR th_lenres;/4 位首部长度/6 位保留字 UCHAR 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 TCP_HEADER;/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

29、(USHORT);if(size)cksum+=*(UCHAR*)buffer;cksum=(cksum 16)+(cksum&0 xffff);cksum+=(cksum 16);return(USHORT)(cksum);int main(int argc,char*argv)WSADATA WSAData;SOCKET sock;IP_HEADER ipHeader;TCP_HEADER tcpHeader;PSD_HEADER psdHeader;char Sendto_BuffMAX_BUFF_LEN;/发送缓冲区 unsigned short check_BuffMAX_BUFF_

30、LEN;/检验和缓冲区 const char tcp_send_data=This is my homework of networt,I am happy!;BOOL flag;int rect,nTimeOver;if(argc!=5)printf(Useage:SendTcp soruce_ip source_port dest_ip dest_port n);return false;if(WSAStartup(MAKEWORD(2,2),&WSAData)!=0)printf(WSAStartup Error!n);return false;if(sock=WSASocket(AF_

31、INET,SOCK_RAW,IPPROTO_RAW,NULL,0,WSA_FLAG_OVERLAPPED)=INVALID_SOCKET)printf(Socket Setup Error!n);return false;flag=true;if(setsockopt(sock,IPPROTO_IP,IP_HDRINCL,(char*)&flag,sizeof(flag)=SO CKET_ERROR)printf(setsockopt IP_HDRINCL error!n);return false;nTimeOver=1000;if(setsockopt(sock,SOL_SOCKET,SO

32、_SNDTIMEO,(char*)&nTimeOver,sizeof(nTimeOver)=SOCKET_ERROR)printf(setsockopt SO_SNDTIMEO error!n);return false;/填充 IP 首部 ipHeader.h_verlen=(IPVER4|sizeof(ipHeader)/sizeof(unsigned long);ipHeader.tos=(UCHAR)0;ipHeader.total_len=htons(unsigned short)sizeof(ipHeader)+sizeof(tcpHeader)+sizeof(tcp_send_d

33、ata);ipHeader.ident=0;/16 位标识 ipHeader.frag_and_flags=0;/3 位标志位 ipHeader.ttl=128;/8 位生存时间 ipHeader.proto=IPPROTO_UDP;/协议类型 ipHeader.checksum=0;/检验和暂时为 0 ipHeader.sourceIP=inet_addr(argv1);/32 位源 IP 地址 ipHeader.destIP=inet_addr(argv3);/32 位目的 IP 地址 /计算 IP 头部检验和 memset(check_Buff,0,MAX_BUFF_LEN);memcp

34、y(check_Buff,&ipHeader,sizeof(IP_HEADER);ipHeader.checksum=checksum(check_Buff,sizeof(IP_HEADER);/构造 TCP 伪首部 psdHeader.saddr=ipHeader.sourceIP;psdHeader.daddr=ipHeader.destIP;psdHeader.mbz=0;psdHeader.ptcl=ipHeader.proto;psdHeader.tcpl=htons(sizeof(TCP_HEADER)+sizeof(tcp_send_data);/填充 TCP 首部 tcpHea

35、der.th_dport=htons(atoi(argv4);/16 位目的端口号 tcpHeader.th_sport=htons(atoi(argv2);/16 位源端口号 tcpHeader.th_seq=0;/SYN 序列号 tcpHeader.th_ack=0;/ACK 序列号置为 0 /TCP 长度和保留位 tcpHeader.th_lenres=(sizeof(tcpHeader)/sizeof(unsigned long)4|0);tcpHeader.th_flag=2;/修改这里来实现不同的标志位探测，2 是 SYN，1 是/FIN，16 是ACK 探测等等 tcpHeade

36、r.th_win=htons(unsigned short)16384);/窗口大小 tcpHeader.th_urp=0;/偏移大小 tcpHeader.th_sum=0;/检验和暂时填为 0 /计算 TCP 校验和 memset(check_Buff,0,MAX_BUFF_LEN);memcpy(check_Buff,&psdHeader,sizeof(psdHeader);memcpy(check_Buff+sizeof(psdHeader),&tcpHeader,sizeof(tcpHeader);memcpy(check_Buff+sizeof(PSD_HEADER)+sizeof(

37、TCP_HEADER),tcp_send_data,sizeof(tcp_send_data);tcpHeader.th_sum=checksum(check_Buff,sizeof(PSD_HEADER)+sizeof(TCP_HEADER)+sizeof(tcp_send_data);/填充发送缓冲区 memset(Sendto_Buff,0,MAX_BUFF_LEN);memcpy(Sendto_Buff,&ipHeader,sizeof(IP_HEADER);memcpy(Sendto_Buff+sizeof(IP_HEADER),&tcpHeader,sizeof(TCP_HEADE

38、R);memcpy(Sendto_Buff+sizeof(IP_HEADER)+sizeof(TCP_HEADER),tcp_send_data,sizeof(tcp_send_data);int datasize=sizeof(IP_HEADER)+sizeof(TCP_HEADER)+sizeof(tcp_send_data);/发送数据报的目的地址 SOCKADDR_IN dest;memset(&dest,0,sizeof(dest);dest.sin_family=AF_INET;dest.sin_addr.s_addr=inet_addr(argv3);dest.sin_port=

39、htons(atoi(argv4);rect=sendto(sock,Sendto_Buff,datasize,0,(struct sockaddr*)&dest,sizeof(dest);if(rect=SOCKET_ERROR)printf(send error!:%dn,WSAGetLastError();return false;else printf(send ok!n);closesocket(sock);WSACleanup();return 1;实验运行结果：所以进入 dos，并进入到该可执行文件的目录下后在命令提示行下输入：sendtcp 192.168.18.3 12 19

40、2.168.18.7 25，回车运行，运行截图如下：本实验小结：在对 TCP数据包头部进行填充时，首先需要我们去充分了解它的数据结构，在这个过程中可以了解相应字节上应该存放的内容和它们的功能。由于本次的课程设计只要求填充一个 TCP数据包，然后将其发送出去，使用的数据发送函数是 sendto()，成功地完成 sendto()调用只能保证数据已经从本地发送出去，并不意味着数据传送到达目的地。课程设计总结 在此次的计算机网络课程设计中，我们一共做了三个程序设计的实验，帧封装、IP 数据包解析和发送 TCP数据包。在编写程序的过程中，用到了很多的函数，这些函数的运用使得程序简便而且正确的运行出来。为了正确的实现这些函数，查阅了很多相关的资料，从中获得了大量的有用的信息，收获也颇丰富。在这次的课程设计中，动手能力得到了很大的提高，而且将这学期所学的网络的知识和以前所学的编程的知识充分的联系起来，对这门课的认识又提高了一层。