第14章 路由器基本功能實現(xiàn)程序-1

TechnologyofNetworkProgramming網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)第14章路由器基本功能實現(xiàn)程序1概述

路由器是實現(xiàn)IP協(xié)議最為關(guān)鍵的設(shè)備之一。通過簡單路由器程序的設(shè)計與實現(xiàn)，掌握路由器基本工作原理，理解路由選擇與數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的方法2網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)編程訓(xùn)練目的編程訓(xùn)練要求相關(guān)知識介紹程序設(shè)計分析擴展與提高提綱3網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)編程訓(xùn)練目的在理解IP協(xié)議、ICMP協(xié)議與路由選擇基本工作原理的基礎(chǔ)上，完成路由器基本功能的設(shè)計與編程實現(xiàn)掌握Windwos平臺下路由程序測試環(huán)境的搭建方法熟悉Winpcap編程，掌握數(shù)據(jù)包捕獲與發(fā)送的方法。熟悉動態(tài)路由協(xié)議原理以及動態(tài)路由表的實現(xiàn)方法4網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)編程訓(xùn)練目的編程訓(xùn)練要求相關(guān)知識介紹程序設(shè)計分析擴展與提高提綱5網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)編程訓(xùn)練要求

利用Winpcap編寫一個簡單的路由處理程序，該路由程序應(yīng)該至少應(yīng)該包括以下功能：靜態(tài)路由表維護IP數(shù)據(jù)包處理ARP請求與解析處理IP數(shù)據(jù)包的TTL值重新計算IP數(shù)據(jù)包的頭部校驗和生成和處理ICMP報文記錄日志功能6網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)程序運行的參考界面

7網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)編程訓(xùn)練目的編程訓(xùn)練要求相關(guān)知識介紹程序設(shè)計分析擴展與提高提綱8網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)路由器結(jié)構(gòu)

9網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)路由器基本功能

為經(jīng)過的IP數(shù)據(jù)包選擇路由處理IP數(shù)據(jù)包選項處理IP數(shù)據(jù)包TTL值分片處理重新計算IP數(shù)據(jù)包的頭部校驗和生成和處理ICMP報文實現(xiàn)動態(tài)路由協(xié)議、維護靜態(tài)路由實現(xiàn)ARP協(xié)議、形成數(shù)據(jù)幀10網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)路由選擇的基本原理IP互聯(lián)網(wǎng)采用表驅(qū)動的路由選擇算法需要路由選擇的設(shè)備保存一張IP路由表路由表存儲有關(guān)目的地址及怎樣到達目的地的信息通過查詢路由表決定把數(shù)據(jù)報發(fā)往何處IP路由選擇利用IP地址隱藏主機信息連接到同一網(wǎng)絡(luò)的所有主機共享同一網(wǎng)絡(luò)號11網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)標準的路由選擇算法12網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)子網(wǎng)選路13網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)路由表路由表中的每一條路由表項含有五個屬性：目的網(wǎng)絡(luò)地址、網(wǎng)絡(luò)掩碼、下一跳、接口和躍點數(shù)

14網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)相關(guān)的ICMP差錯報文目的不可達報文當路由器不能為數(shù)據(jù)包找到路由器或主機交付數(shù)據(jù)包時，就丟棄該數(shù)據(jù)包，然后向源主機發(fā)出ICMP目的不可達報文超時報文路由器在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時，如果生存周期TTL值減1后為0，就丟棄這個數(shù)據(jù)包。當丟棄這樣的數(shù)據(jù)包時，路由器向源主機發(fā)送一個超時報文當計時器的時限到，而目的主機還沒有接收到一個數(shù)據(jù)包的所有分片時，它會將接收的分片丟棄，并向源主機發(fā)送超時報文15網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)編程訓(xùn)練目的編程訓(xùn)練要求相關(guān)知識介紹程序設(shè)計分析擴展與提高提綱16網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)測試環(huán)境的搭建測試環(huán)境示意圖

17網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)測試環(huán)境的搭建測試環(huán)境示意圖

邏輯結(jié)構(gòu)物理結(jié)構(gòu)18網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)路由程序的設(shè)計路由器初始化模塊初始化模塊負責(zé)初始化設(shè)備，添加與路由器直接相連網(wǎng)絡(luò)的路由表項，并啟動相應(yīng)的數(shù)據(jù)包捕獲與處理模塊靜態(tài)路由表維護模塊靜態(tài)路由表維護模塊完成路由表的添加、刪除以及顯示

數(shù)據(jù)包捕獲與處理模塊

數(shù)據(jù)包捕獲與處理模塊用于捕獲流經(jīng)本路由器的數(shù)據(jù)包并按照路由協(xié)議進行處理

19網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)定義數(shù)據(jù)包頭數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

#pragmapack(1)typedef

struct

FrameHeader_t{ //幀首部

UCHAR DesMAC[6]; //目的地址

UCHAR SrcMAC[6]; //源地址

USHORT FrameType; //幀類型}FrameHeader_t;typedef

struct

ARPFrame_t{ //ARP幀

FrameHeader_t

FrameHeader; //幀首部

WORD HardwareType; //硬件類型

WORD ProtocolType; //協(xié)議類型

BYTE HLen; //硬件地址長度

BYTE PLen; //協(xié)議地址長度

WORD Operation; //操作值

UCHAR SendHa[6]; //源MAC地址

ULONG SendIP; //源IP地址

UCHAR RecvHa[6]; //目的MAC地址

ULONG RecvIP; //目的IP地址}ARPFrame_t;20網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)定義數(shù)據(jù)包頭數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

typedef

struct

IPHeader_t

{ //IP首部

BYTE Ver_HLen; //版本+頭部長度

BYTE TOS; //服務(wù)類型

WORD TotalLen; //總長度

WORD ID; //標識

WORD Flag_Segment; //標志+片偏移

BYTE TTL; //生存時間

BYTE Protocol; //協(xié)議

WORD Checksum; //頭部校驗和

ULONG SrcIP; //源IP地址

ULONG DstIP; //目的IP地址}IPHeader_t;typedef

struct

ICMPHeader_t

{ //ICMP首部

BYTEType; //類型

BYTECode; //代碼

WORDChecksum; //校驗和

WORDId; //標識

WORDSequence; //序列號}ICMPHeader_t;21網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)路由程序的設(shè)計路由器初始化模塊初始化模塊負責(zé)初始化設(shè)備，添加與路由器直接相連網(wǎng)絡(luò)的路由表項，并啟動相應(yīng)的數(shù)據(jù)包捕獲與處理模塊靜態(tài)路由表維護模塊靜態(tài)路由表維護模塊完成路由表的添加、刪除以及顯示

數(shù)據(jù)包捕獲與處理模塊

數(shù)據(jù)包捕獲與處理模塊用于捕獲流經(jīng)本路由器的數(shù)據(jù)包并按照路由協(xié)議進行處理

22網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)1、定義存儲信息接口數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

typedef

struct

ip_t{//網(wǎng)絡(luò)地址

ULONG IPAddr;//IP地址

ULONG IPMask;//子網(wǎng)掩碼}ip_t;typedef

struct

IfInfo_t

{ //接口信息

CString

DeviceName;//設(shè)備名

CString Description;//設(shè)備描述

UCHAR MACAddr[6];//MAC地址

CArray<ip_t,ip_t&> ip;//IP地址列表

pcap_t *adhandle;//pcap句柄}IfInfo_t;//打開并由一個線程監(jiān)聽流經(jīng)該接口的數(shù)據(jù)報23網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)1、定義路由表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

typedef

struct

RouteTable_t

{ //路由表結(jié)構(gòu)

ULONG Mask;//子網(wǎng)掩碼

ULONG DstIP;//目的地址

ULONG NextHop;//下一跳步

UINT IfNo;//接口序號}RouteTable_t;24網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)2、定義全局變量

IfInfo_t

IfInfo[MAX_IF]; //接口信息數(shù)組UINT_PTRTimerCount;//定時器個數(shù)CList<SendPacket_t,SendPacket_t&>SP;//發(fā)送數(shù)據(jù)包緩存隊列CList<IP_MAC_t,IP_MAC_t&>IP_MAC;//IP-MAC地址映射列表CList<RouteTable_t,RouteTable_t&>RouteTable;//路由表25網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)路由器

初始化模塊26網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)3、初始化-獲得本機的設(shè)備列表

//獲得本機的設(shè)備列表

if(pcap_findalldevs_ex(PCAP_SRC_IF_STRING,NULL/*無需認證*/,&alldevs,errbuf)==-1){ //錯誤，返回錯誤信息

sprintf(strbuf,"pcap_findalldevs_ex錯誤:%s",errbuf);

MessageBox(strbuf);

PostMessage(WM_QUIT,0,0);}27網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)3、初始化-獲得接口信息和IP地址信息

for(d=alldevs;d!=NULL;d=d->next) {

if(d->addresses!=NULL) //排除集成modem的影響（沒有IP地址）{ //得到一個有效的接口和其IP地址列表

IfInfo[i].DeviceName=d->name;

IfInfo[i].Description=d->description;

for(a=d->addresses;a;a=a->next){ if(a->addr->sa_family==AF_INET){

ipaddr.IPAddr=(((struct

sockaddr_in*)a->addr)->sin_addr.s_addr);

ipaddr.IPMask=(((struct

sockaddr_in*)a->netmask)->sin_addr.s_addr);

IfInfo[i].ip.Add(ipaddr); j++; } } if(i==MAX_IF) //最多處理MAX_IF個接口

{break; }

else{i++;}}28網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)3、初始化-打開設(shè)備接口

//打開接口for(i=0;i<IfCount;i++){if((IfInfo[i].adhandle=pcap_open(IfInfo[i].DeviceName,//設(shè)備名

65536,//最大包長度

PCAP_OPENFLAG_PROMISCUOUS,//混雜模式

1000,//超時時間

NULL,//遠程認證

errbuf//錯誤緩存

))==NULL){ //錯誤，顯示錯誤信息

sprintf(strbuf,"接口未能打開。WinPcap不支持%s。",IfInfo[i].DeviceName);

MessageBox(strbuf);

PostMessage(WM_QUIT,0,0);}29網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)3、初始化-獲得各接口MAC地址

//開啟數(shù)據(jù)包捕獲線程，獲取本地接口的MAC地址，線程數(shù)目為網(wǎng)卡個數(shù)CWinThread*pthread;for(i=0;i<IfCount;i++){

pthread=AfxBeginThread(CaptureLocalARP,&IfInfo[i],THREAD_PRIORITY_NORMAL);

if(!pthread) {

MessageBox("創(chuàng)建數(shù)據(jù)包捕獲線程失??！");

PostMessage(WM_QUIT,0,0); }}//為得到真實網(wǎng)卡地址，使用虛假的MAC地址和IP地址向本機發(fā)送ARP請求setMAC(srcMAC,66); //設(shè)置虛假的MAC地址srcIP=inet_addr("112.112.112.112"); //設(shè)置虛假的IP地址for(i=0;i<IfCount;i++){

ARPRequest(IfInfo[i].adhandle,srcMAC,srcIP,IfInfo[i].ip[0].IPAddr);}30網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)3、初始化-初始化路由表

//初始化路由表并顯示RouteTable_t

rt;for(i=0;i<IfCount;i++){ for(j=0;j<IfInfo[i].ip.GetSize();j++) {

rt.IfNo=i;

rt.DstIP=

IfInfo[i].ip[j].IPAddr&IfInfo[i].ip[j].IPMask;

rt.Mask=IfInfo[i].ip[j].IPMask;

rt.NextHop

=0; //直接投遞

RouteTable.AddTail(rt); m_RouteTable.InsertString(-1,IPntoa(rt.Mask)+"--"+IPntoa(rt.DstIP)+"--"+IPntoa(rt.NextHop)+"(直接投遞)"); }}31網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)3、初始化-設(shè)置過濾規(guī)則開始捕獲

//設(shè)置過濾規(guī)則:僅僅接收arp響應(yīng)幀和需要路由的幀CStringFilter,Filter0,Filter1;只接收需要轉(zhuǎn)發(fā)的IP數(shù)據(jù)報，共同特點是目的Filter0=“(”;MAC地址指向本機，但目的IP地址不屬于本機Filter1=“(”;轉(zhuǎn)發(fā)需要MAC地址，所以還需接收ARP應(yīng)答包for(i=0;i<IfCount;i++){ Filter0+="(etherdst"+MACntoa(IfInfo[i].MACAddr)+")"; for(j=0;j<IfInfo[i].ip.GetSize();j++)//mac地址為本路由器接口 { Filter1+="(ip

dsthost"+IPntoa(IfInfo[i].ip[j].IPAddr)+")"; if(((j==(IfInfo[i].ip.GetSize()-1)))&&(i==(IfCount-1))) {Filter1+=“)”;}//IP地址為本機的接口地址 else{Filter1+="or";} } if(i==(IfCount-1)) {Filter0+=")";} else{Filter0+="or";}}//需要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包Filter=Filter0+"and((arpand(ether[21]=0x2))or(not"+Filter1+"))";32網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)ARP幀結(jié)構(gòu)1632bit硬件類型協(xié)議類型硬件地址長度協(xié)議長度操作(Request1,Reply2)發(fā)送方硬件地址發(fā)送方IP地址目的硬件地址目的IP地址33網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)3、初始化-設(shè)置過濾規(guī)則開始捕獲

表達式支持邏輯操作符，and/or/not基于協(xié)議的過濾要使用協(xié)議限定符，可以是IP/ARP/RARP/TCP/UDP等?；贛AC過濾要使用限定符ether基于IP地址過濾使用限定符host基于端口的過濾使用限定符port34網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)3、初始化-設(shè)置過濾規(guī)則開始捕獲

if(pcap_compile(IfInfo[i].adhandle,&fcode,strbuf,1,IfInfo[i].ip[0].IPMask)<0){

MessageBox("過濾規(guī)則編譯不成功，請檢查書寫的規(guī)則語法是否正確！"); PostMessage(WM_QUIT,0,0);}if(pcap_setfilter(IfInfo[i].adhandle,&fcode)<0){

MessageBox("設(shè)置過濾器錯誤！");

PostMessage(WM_QUIT,0,0);}//開始捕獲數(shù)據(jù)包for(i=0;i<IfCount;i++)

pthread=AfxBeginThread(Capture,&IfInfo[i],THREAD_PRIORITY_NORMAL);35網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)路由程序的設(shè)計路由器初始化模塊初始化模塊負責(zé)初始化設(shè)備，添加與路由器直接相連網(wǎng)絡(luò)的路由表項，并啟動相應(yīng)的數(shù)據(jù)包捕獲與處理模塊靜態(tài)路由表維護模塊靜態(tài)路由表維護模塊完成路由表的添加、刪除以及顯示

數(shù)據(jù)包捕獲與處理模塊

數(shù)據(jù)包捕獲與處理模塊用于捕獲流經(jīng)本路由器的數(shù)據(jù)包并按照路由協(xié)議進行處理

36網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)1、添加路由表項

voidCRouterDlg::OnInsert(){flag=false;for(i=0;i<IfCount;i++){ for(j=0;j<IfInfo[i].ip.GetSize();j++) { if(((IfInfo[i].ip[j].IPAddr)&(IfInfo[i].ip[j].IPMask))==((IfInfo[i].ip[j].IPMask)&ipaddr))//判斷該路由表項屬于哪個接口 {

rt.IfNo=i; //記錄子網(wǎng)掩碼

m_Mask.GetAddress(ipaddr); rt.Mask=htonl(ipaddr); //記錄目的IP

m_Destination.GetAddress(ipaddr);

rt.DstIP

=htonl(ipaddr); //記錄下一跳

m_NextHop.GetAddress(ipaddr);

rt.NextHop=htonl(ipaddr);//把該條路由表項添加到路由表

RouteTable.AddTail(rt); //在路由表窗口中顯示該路由表項

m_RouteTable.InsertString(-1,IPntoa(rt.Mask)+"--" +IPntoa(rt.DstIP)+"--"+IPntoa(rt.NextHop)); flag=true; }37網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)2、刪除路由表項

//刪除路由表項voidCRouterDlg::OnDel(){

RouteTable_t

rt; POSITIONpos,CurrentPos;

m_RouteTable.GetText(i,str); //取得子網(wǎng)掩碼選項

strncat(ipaddr,str,15); mask=inet_addr(ipaddr); //取得目的地址選項

ipaddr[0]=0;

strncat(ipaddr,&str[19],15); destination=inet_addr(ipaddr); //取得下一跳選項

ipaddr[0]=0;

strncat(ipaddr,&str[38],15);

nexthop=inet_addr(ipaddr);38網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)2、刪除路由表項

if(nexthop==0){ MessageBox("直接連接路由，不允許刪除！");}//把該路由表項從路由表窗口中刪除m_RouteTable.DeleteString(i);//路由表中沒有需要處理的內(nèi)容，則返回if(RouteTable.IsEmpty()){return;}//遍歷路由表,把需要刪除的路由表項從路由表中刪除pos=RouteTable.GetHeadPosition();for(i=0;i<RouteTable.GetCount();i++){

CurrentPos=pos;

rt=RouteTable.GetNext(pos); if((rt.Mask==mask)&&(rt.DstIP==destination)&&(rt.NextHop==nexthop)) {

RouteTable.RemoveAt(CurrentPos); }}39網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)路由程序的設(shè)計路由器初始化模塊初始化模塊負責(zé)初始化設(shè)備，添加與路由器直接相連網(wǎng)絡(luò)的路由表項，并啟動相應(yīng)的數(shù)據(jù)包捕獲與處理模塊靜態(tài)路由表維護模塊靜態(tài)路由表維護模塊完成路由表的添加、刪除以及顯示

數(shù)據(jù)包捕獲與處理模塊

數(shù)據(jù)包捕獲與處理模塊用于捕獲流經(jīng)本路由器的數(shù)據(jù)包并按照路由協(xié)議進行處理

40網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)1、數(shù)據(jù)包捕獲

//數(shù)據(jù)包捕獲線程UINTCapture(PVOID

pParam){

int res;

IfInfo_t *pIfInfo;

struct

pcap_pkthdr *header; constu_char *pkt_data;

pIfInfo=(IfInfo_t*)pParam; //開始正式接收并處理幀

while(true) { res=pcap_next_ex(pIfInfo->adhandle,&header,&pkt_data); if(res==1) {

FrameHeader_t *fh;

fh=(FrameHeader_t*)pkt_data;41網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)1、數(shù)據(jù)包捕獲

switch(ntohs(fh->FrameType)){ case0x0806:

ARPFrame_t*ARPf;

ARPf=(ARPFrame_t*)pkt_data; //TRACE1("收到ARP包源IP為：%d\n",ARPf->SendIP);

//ARP包，轉(zhuǎn)到ARP包處理函數(shù)

ARPPacketProc(header,pkt_data); break;

case0x0800:

IPFrame_t*IPf;

IPf=(IPFrame_t*)pkt_data; //TRACE1("收到IP包源IP為：%d\n",IPf->IPHeader.SrcIP); //IP包，轉(zhuǎn)到IP包處理函數(shù)

IPPacketProc(pIfInfo,header,pkt_data); break;

default:}42網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)1、數(shù)據(jù)包緩存列表和IP-MAC緩存列表

typedef

struct

SendPacket_t{ //發(fā)送數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

int

len;//長度

BYTE PktData[2000];//數(shù)據(jù)緩存

ULONG TargetIP;//目的IP地址

UINT_PTR n_mTimer;//定時器

UINT IfNo;//接口序號}SendPacket_t;typedef

struct

IP_MAC_t{//IP-MAC地址映射結(jié)構(gòu)

ULONG IPAddr;//IP地址

UCHAR MACAddr[6];//MAC地址}IP_MAC_t;43網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)數(shù)據(jù)包捕獲與處理模塊(IP數(shù)據(jù)包的處理)44網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)2、IP數(shù)據(jù)包處理

voidIPPacketProc(IfInfo_t*pIfInfo,struct

pcap_pkthdr*header,constu_char*pkt_data){

IPFrame_t*IPf;

SendPacket_t

sPacket;

IPf=(IPFrame_t*)pkt_data;//ICMP超時IPf->IPHeader.TTL

--；//TTL值減去1

if(IPf->IPHeader.TTL<=0){

ICMPPacketProc(pIfInfo,11,0,pkt_data);}

IPHeader_t*IpHeader=&(IPf->IPHeader);//ICMP差錯

if(IsChecksumRight((char*)IpHeader)==0){//日志輸出信息

pDlg->m_Log.InsertString(-1,"IP數(shù)據(jù)包包頭校驗和錯誤，丟棄數(shù)據(jù)包");}45網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)2、IP數(shù)據(jù)包處理DWORDnextHop;//經(jīng)過路由選擇算法得到的下一站目的IP地址

UINTifNo;//下一跳的接口序號

//路由查詢

if((nextHop=RouteLookup(ifNo,IPf->IPHeader.DstIP,&RouteTable))==-1){//ICMP目的不可達

ICMPPacketProc(pIfInfo,3,0,pkt_data);}else//查找到了下一跳

{

sPacket.IfNo=ifNo;

sPacket.TargetIP=nextHop;

cpyMAC(IPf->FrameHeader.SrcMAC,IfInfo[sPacket.IfNo].MACAddr);//設(shè)IP頭中的校驗和為0

IPf->IPHeader.Checksum=0;//計算IP頭部校驗和

IPf->IPHeader.Checksum=ChecksumCompute(check_buff,sizeof(IPHeader_t));46網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)2、IP數(shù)據(jù)包處理//IP-MAC地址映射表中存在該映射關(guān)系

if(IPLookup(sPacket.TargetIP,IPf->FrameHeader.DesMAC)){memcpy(sPacket.PktData,pkt_data,header->len);

sPacket.len=header->len;

if(pcap_sendpacket(IfInfo[sPacket.IfNo].adhandle,(u_char*)sPacket.PktData,sPacket.len)!=0)}//IP-MAC地址映射表中不存在該映射關(guān)系

else{if(SP.GetCount()<65530)//存入緩存隊列

{

sPacket.len=header->len;//將需要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)報存入緩存區(qū)

memcpy(sPacket.PktData,pkt_data,header->len);

SP.AddTail(sPacket); //發(fā)送ARP請求

ARPRequest(IfInfo[sPacket.IfNo].adhand