TCP/IP协议分析器的设计与实现

武焱 袁焊忠 席振元

摘 要：在当今计算机网络无处不在的时代，网络攻击时刻威协着我们所处局域网络的安全。为了确保网络的安全性，就要对网络交互的数据包进行分析。本文提出了TCP/IP协议分析器的设计开发方案，并通过Qt Creator和C++编程实现。该分析器能够捕获网络数据包，并根据网络协议格式对数据进行解析，从而为进一步分析网络系统的安全性提供依据。

关键词：网络数据包；TCP/IP协议；数据分析

1 系统需求分析

本系统主要功能需求有以下几项：

①具备网络数据包捕获的参数设置： 在进行数据捕获之前要进行协议类型、MAC地址、IP地址等参数的设置，满足用户的一些常规需求，保证用户使用系统的合理性。

②能够捕获到本机所有的网络数据包：通过本系统可以对网络上的数据包进行捕获，包括ICMP、DNS、ARP、RARP等一些网络协议的数据包的捕获，让用户通过本系统能够捕获到有用的数据包。

③能正确地对捕获到的网络数据包进行网络协议分析：在捕获到网络数据包后能够对网络数据包进行包结构分析，对数据链路层数据按照帧格式进行分析，对网络层的IP数据报的分析，对传输层TCP和UDP的头格式进行分析，对应用层协议进行分析。

④能够把捕获到的网络数据包保存到当地文件中：在用户的使用过程中，可能需要对捕获到的网络数据包进行存储，那么需要满足用户对网络数据包的存储功能，让用户能够更灵活地使用本系统。

⑤能够打开已经捕获到的网络数据文件并进行网络协议分析：能够满足用户打开已经保存的网络数据文件，并进行网络协议分析，这样用户就能随时随地对以前的网络数据进行协议分析了。

⑥能统计当前所有网络接口的网络数据包：通过这个功能，用户可以查看当前网络接口的数据包数量和每秒通过的数据量，用户可以清晰地掌握当前网络接口通过数据包的状况，有助于用户对网络接口的检测。

2 总体设计

2.1系统总体模块设计

通过系统需求分析可以将网络协议分析器分为四大主要功能模块，分别为文件存储与读取模块、抓包参数设置模块、数据包捕获模块和数据包分析模块。这些模块详细功能如下：

①文件存储与读取模块：通过捕获网络数据包，把其存储到文件中，有利于以后对网络数据包的分析；读取已经捕获到并存储到文件中的数据包，并进行协议分析。

②抓包参数设置模块：通过配置抓包参数，来确定捕获数据包的类型，可以指定捕获网络数据包的MAC地址和网络地址，并能够对网络协议和网络数据包大小进行设置。

③数据包捕获模块：通过配置的抓包参数进行数据包的捕获，在程序运行的过程中，会将捕获到的数据包以链表的形式存储起来，以供下一步的分析。

④数据包分析模块：根据捕获到的数据包进行各层协议分析，将分析的结果以可视化的界面形式展示给用户，让用户能够看清每层协议的格式和数据包数据部分内容。

系统功能模块图如图1所示：

2.2 软件开发平台

本系统开发平台是一般的PC机，使用Windows 8版本。因为本系统没有涉及到数据库所以就没有使用数据库。程序开发使用的编程环境是Qt 5.4.1中文版，并且opensource使用的版本是Qt Creator 3.3.1。用到的数据包捕获函数库为WinPcap，这个函数库主要运行在操作系统的底层，所以使用这个函数库会大大提升本系统的运行效率，尤其在大量循环捕获网络数据包的时候，优势就愈发明显。编程工具Qt Creator具有很好的跨平台性能，可以很轻松的把本系统移植到Linux环境的系统中去。

3 详细设计

系统中各个功能模块的界面是用Qt Designer来设计的，它提供可视化的界面操作，通过拖动控件来实现我们想要的界面效果，方便高效。Qt提供的信号与槽的机制对逻辑功能的编程更加方便。根据模块所需要实现的功能，编写代码，最终实现系统的整体功能。

3.1 协议头结构设计

通过对协议头结构体的设计，帮助我们完成网络数据包的解析，将定义的结构体与捕获到的网络数据包进行匹配，把相应的字段进行处理，从而分析出网络协议头格式，完成对网络协议的分析。

设计协议头结构体的时候需要注意以下一些事项：①明确网络数据包的结构；②清楚网络数据包捕获的方法；③明确各层协议头数据每个字节或每个字段的含义；④定义对应的结构体用来解析网络协议；⑤把分析的结果以可视化的方式显示在界面上。

这个环节是整个系统中的一个重点，不管哪里出现任何差错，都将导致最终对网络协议的分析出现错误，所以在对网络协议头结构体设计的时候要认真细致，确保结构体里面的字段与网络协议的字段能够一一对应，保证对网络协议分析的正确性。

通过对TCP/IP网络体系各层协议格式的分析，本系统定义了以下的结构体表：数据链路层帧首部结构体表（_ETHERNET_HEADER）、ARP首部结构体表（_ARP_HEADER）、IP首部结构体表（_IP_HEADER）、IPv6首部结构体表（_IP6_HEADER）、TCP首部结构体表（_TCP_HEADER）、UDP首部结构体表（_UDP_HEADER）、ICMP首部结构体表（_ICMP_HEADER）。

3.2 算法概要

抓包模块的程序流程图如图2所示。在对抓包参数设置完点击确定的时候，将选择的每一项按照网络数据包过滤器过滤规则进行处理，转化为字符串模式并通过调用相应的接口函数，对过滤条件进行编译和设置，完成对抓包参数的设计。

当捕获到网络数据包时，这时可以选择一个想要分析的数据包并对数据包进行解析。这里用到数据包分析算法，算法中根据每层协议的协议类型对数据包进行解析，然后判断下一层协议，依次解析，直到最后一层协议。

在系统使用的过程中，可能需要保存数据包，那么这里就会有数据包保存的算法。代码中做这样的处理：每当有数据包到来都会把数据包追加到指定的文件中，当用户需要保存数据包的时候，只需要将数据包临时文件拷贝到指定的目录即可。

通常会对已经保存的数据包进行读操作，这样我们就会有数据包文件的读取功能。这个功能的算法使用标准C语言的二进制读取文件的方法，将文件一个字符一个字符地读取出来，并分离每一个数据包，并对数据包进行相应的处理。

4 系统的编码

4.1 主要函数

此处列出了主要函数，具体程序代码省略。

①捕获网络数据包函数

int pcap_loop（pcap_t *p， int cnt， pcap_handler callback， u_char *user）

函数返回值：成功返回0，失败返回负数。

参数描述：p： Libpcap句柄，cnt： 指定捕获的数据包个数，-1代表无限个，callback： 回调函数，可在此函数中对数据包进行处理，user： 表示往回调函数传的参数。

②打开存储文件函数

pcap_dumper_t *pcap_dump_open（pcap_t *p， const char *filename）

函数返回值：成功返回一个文件句柄，失败返回NULL。

参数描述：p： 表示一个Libpcap句柄，filename： 文件名。

函数功能：打开一个文件，并准备向其写入网络数据包。

③IP协议分析函数

void ethernet_protocol_IPpacket （LinkList p）

函数返回值：无返回值。

参数描述：p： LinkList类型的链表节点指针。

④TCP协议分析

void ethernet_protocol_TCPpacket （LinkList p， bool isIP6）

函数返回值：无返回值。

参数描述：p： LinkList类型的链表节点指针，isIP6： 是否为IPv6数据包。

4.2 数据包结构分析结果显示

在数据包成功捕获后，选择要解析的数据包进行数据包的解析，数据包协议分析界面如图3所示。在主窗口的右上方有一个表格，里面显示捕获到的每一个数据包的基本信息，如果要对其中的一个数据包进行协议分析，那么需要点击要分析的那个数据包，协议分析的结果会在左侧的树形列表中显示出来，下面窗口中则显示数据包的原始数据和数据包数据。

5 结束语

本系统实现了对网络数据抓包以及对数据链路层、网络层、传输层和应用层等各层协议分析。在对网络数据捕获中，主要用到了操作系统底层的WinPcap函数库，在大量捕获网络数据包时系统运行效率高；使用的编程工具是能够跨平台的Qt Creator，具有良好的可移植性和跨平台性。应用该系统能够捕获到网络上交互的全部数据包，并把数据包的内容显示给用户，把每层协议的协议头按照协议格式解析，让用户更清楚地知道当前网络的网络数据交互状态，进一步分析网络系统的安全性。

参考文献：

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基金项目：

国家级大学生创新训练项目（201335）。