网络技术与应用大作业简单路由器程序的设计

Created 2021-01-30| Updated 2021-02-22|web

Word count:3k|Reading time: 13 min

|Post View:

设计性大作业（1）简单路由器程序的设计

内容说明

简单路由器程序设计实验的具体要求为：

（1）设计和实现一个路由器程序，要求完成的路由器程序能和现有的路由器产品（如思科路由器、华为路由器、微软的路由器等）进行协同工作。

（2）程序可以仅实现IP数据报的获取、选路、投递等路由器要求的基本功能。可以忽略分片处理、选项处理、动态路由表生成等功能。

（3）需要给出路由表的手工插入、删除方法。

（4）需要给出路由器的工作日志，显示数据报获取和转发过程。

（5）完成的程序须通过现场测试，并在班（或小组）中展示和报告自己的设计思路、开发和实现过程、测试方法和过程。

第1节实验步骤

实验设计思路

路由器工作流程

具体工作流程详见下一部分的代码解析

关键代码分析

报文格式

#pragma pack(1)//以1byte方式对齐
#pragma pack()//恢复4bytes对齐

报文首部

typedef struct FrameHeader_t {//帧首部
	BYTE DesMAC[6];//目的地址
	BYTE SrcMAC[6];//源地址
	WORD FrameType;//帧类型
}FrameHeader_t;

ARP报文格式

typedef struct ARPFrame_t {
	FrameHeader_t FrameHeader;//帧首部
	WORD HardwareType;//硬件类型
	WORD ProtocolType;//协议类型
	BYTE HLen;//硬件地址长度
	BYTE PLen;//协议地址
	WORD Operation;//操作
	BYTE SendHa[6];//发送方MAC
	DWORD SendIP;//发送方IP
	BYTE RecvHa[6];//接收方MAC
	DWORD RecvIP;//接收方IP
}ARPFrame_t;

IP报文首部

typedef struct IPHeader_t {//IP首部
	BYTE Ver_HLen;
	BYTE TOS;
	WORD TotalLen;
	WORD ID;
	WORD Flag_Segment;
	BYTE TTL;//生命周期
	BYTE Protocol;
	WORD Checksum;//校验和
	ULONG SrcIP;//源IP
	ULONG DstIP;//目的IP
}IPHeader_t;

typedef struct Data_t {//包含帧首部和IP首部的数据包
	FrameHeader_t FrameHeader;//帧首部
	IPHeader_t IPHeader;//IP首部
}Data_t;

ICMP报文格式

由于本次实验只对ICMP数据报进行简单解析，不需要复杂操作，所以只用char*表示即可

typedef struct ICMP {//包含帧首部和IP首部的数据包
	FrameHeader_t FrameHeader;
	IPHeader_t IPHeader;
	char buf[0x80];
}ICMP_t;

存储结构

路由表表项

class routeitem
{
public:
	DWORD mask;//掩码
	DWORD net;//目的网络
	DWORD nextip;//下一跳
	int index;//第几条
	int type;//0为直接连接，1为用户添加，1不可删除
	routeitem* nextitem;//采用链表形式存储
	routeitem()
	{
		memset(this, 0, sizeof(*this));//初始化为全0
	}
	void printitem();//打印表项内容，打印出掩码、目的网络和下一跳IP、类型（是否是直接投递）
};

路由表

class routetable
{
public:
	routeitem* head, * tail;//支持最多添加50转发表
	int num;//条数
	routetable();//初始化，添加直接连接的网络

	//路由表的添加，直接投递在最前，前缀长的在前面
	void add(routeitem* a);

	//删除，type=0不能删除
	void remove(int index);
	//路由表的打印 mask net next type
	void print();
	//查找，最长前缀,返回下一跳的ip
	DWORD lookup(DWORD ip);

};

routetable::routetable()//初始化，添加直接连接的网络
{
	head = new routeitem;
	tail = new routeitem;
	head->nextitem = tail;
	num = 0;
	for (int i = 0; i < 2; i++)
	{
		routeitem* temp = new routeitem;
		temp->net = (inet_addr(ip[i])) & (inet_addr(mask[i]));//本机网卡的ip和掩码进行按位与即为所在网络
		temp->mask = inet_addr(mask[i]);
		temp->type = 0;//0表示直接投递的网络，不可删除
		this->add(temp);//添加表项
	}
}

ARP表

为减少发送ARP请求的次数，将IP和MAC的对应关系存储在一张表里，在实际情况中需要设置表项的生命周期，防止一段时间后个别表项IP和MAC出现不对应的情况，本次实验较为简单，故没有设置

class arptable
{
public:
	DWORD ip;//IP
	BYTE mac[6];//MAC
	static int num;//表项个数
	static void insert(DWORD ip,BYTE mac[6]);//插入
	static int lookup(DWORD ip, BYTE mac[6]);//查询
}atable[50];

日志

本次实验需要输出路由器的工作日志

class log
{
public:
	int index;//索引
	char type[5];//arp和ip
	//具体内容
	ipitem ip; arpitem arp;

	log();//打开文件进行写入
	~log();//关闭文件

	static int num;//数量
	static log diary[50];//日志
	static FILE* fp;
	//写入日志
	static void write2log_arp(ARPFrame_t*);//arp类型
	static void write2log_ip(const char* a,Data_t*);//ip类型
	
	static void print();//打印日志
};

class arpitem//arp日志为ip和对应MAC
{
public:
	DWORD ip;
	BYTE mac[6];
};

class ipitem
{
public:
	DWORD sip, dip;//ip日志为源和目的的IP和mac
	BYTE smac[6], dmac[6];
};

主要函数

//获取自己的IP
void find_alldevs();	//获取本机的设备列表，将两个ip存入ip数组中,获取IP、mask，计算所在网段
DWORD getnet(DWORD ip, DWORD mask);//根据ip和掩码计算所在网络
//打开网络接口
pcap_t* open(char* name);
//获取自己的MAC
void getselfmac(DWORD ip);
//获取直接连接的网卡mac
void getothermac(DWORD mask_, DWORD ip, BYTE mac[]);
//显示基本信息 本机ip，mac
void printbasicinfo();

//数据报转发,修改源mac和目的mac
void resend(ICMP_t, BYTE dmac[]);

//打印mac
void getmac(BYTE MAC[]);

//线程函数
DWORD WINAPI handlerRequest(LPVOID lparam);

void ipprint(DWORD ip);

//检查和设置校验和
bool checkchecksum(Data_t*);
void setchecksum(Data_t*);

find_alldevs获取本机网卡的IP

void find_alldevs()	//获取网卡上的IP
{
    //获取网卡列表
	if (pcap_findalldevs_ex(pcap_src_if_string, NULL, &alldevs, errbuf) == -1)
	{
		printf("%s", "error");
	}
	else
	{
		int i = 0;
		d = alldevs;
		//获取该网络接口设备的ip地址信息
		for (; d != NULL; d = d->next)
		{
			if (i == index)
			{
				net[i] = d;
				int t = 0;
				for (a = d->addresses; a != nullptr; a = a->next)
				{
					if (((struct sockaddr_in*)a->addr)->sin_family == AF_INET && a->addr)
					{
                        //将对应第index块网卡的内容存入全局数组
						strcpy(ip[t], inet_ntoa(((struct sockaddr_in*)a->addr)->sin_addr));
						strcpy(mask[t++], inet_ntoa(((struct sockaddr_in*)a->netmask)->sin_addr));
					}
				}
				ahandle = open(d->name);//打开该网卡
			}
			i++;
		}
	}
	pcap_freealldevs(alldevs);
}

open打开网络接口

pcap_t* open(char* name)//打开网络接口，返回网卡指针
{
	pcap_t* temp = pcap_open(name, 65536, PCAP_OPENFLAG_PROMISCUOUS, 100, NULL, errbuf);
	if (temp == NULL)
		printf("error");
	return temp;
}

==getselfmac和getothermac获取MAC地址==

由于获取本机的MAC和其它机器的MAC地址逻辑相似，这里只详细说明一个

void getothermac(DWORD ip_, BYTE mac[])//获取ip对应的mac
{
	memset(mac, 0, sizeof(mac));
	ARPFrame_t ARPFrame;
	//将APRFrame.FrameHeader.DesMAC设置为广播地址
	for (int i = 0; i < 6; i++)
		ARPFrame.FrameHeader.DesMAC[i] = 0xff;
	//将APRFrame.FrameHeader.SrcMAC设置为本机网卡的MAC地址，若获取本机MAC，则伪造一个即可
	for (int i = 0; i < 6; i++)
	{
		ARPFrame.FrameHeader.SrcMAC[i] = selfmac[i];
		ARPFrame.SendHa[i] = selfmac[i];

	}

	ARPFrame.FrameHeader.FrameType = htons(0x806);//帧类型为ARP
	ARPFrame.HardwareType = htons(0x0001);//硬件类型为以太网
	ARPFrame.ProtocolType = htons(0x0800);//协议类型为IP
	ARPFrame.HLen = 6;//硬件地址长度为6
	ARPFrame.PLen = 4;//协议地址长为4
	ARPFrame.Operation = htons(0x0001);//操作为ARP请求

	//将ARPFrame.SendIP设置为本机网卡上绑定的IP地址，若获取本机MAC，则伪造发送IP和MAC
	ARPFrame.SendIP = inet_addr(ip[0]);
	//ipprint(ARPFrame.SendIP);
	//将ARPFrame.RecvHa设置为0
	for (int i = 0; i < 6; i++)
		ARPFrame.RecvHa[i] = 0;
	//将ARPFrame.RecvIP设置为请求的IP地址
	ARPFrame.RecvIP = ip_;

	u_char* h = (u_char*)&ARPFrame;
	int len = sizeof(ARPFrame_t);

	if (ahandle == nullptr) printf("网卡接口打开错误\n");
	else
	{
		if (pcap_sendpacket(ahandle, (u_char*)&ARPFrame, sizeof(ARPFrame_t)) != 0)
		{
			//发送错误处理
			printf("senderror\n");
		}
		else
		{
			//发送成功
			while (1)
			{
				pcap_pkthdr* pkt_header;
				const u_char* pkt_data;
				int rtn = pcap_next_ex(ahandle, &pkt_header, &pkt_data);//捕获数据报
				if (rtn == 1)//捕获到数据报
				{
					ARPFrame_t* IPPacket = (ARPFrame_t*)pkt_data;
					if (ntohs(IPPacket->FrameHeader.FrameType) == 0x806)//筛选ARP类型的消息进行处理
					{
						if (!compare(IPPacket->FrameHeader.SrcMAC, ARPFrame.FrameHeader.SrcMAC) && compare(IPPacket->FrameHeader.DesMAC, ARPFrame.FrameHeader.SrcMAC) && IPPacket->SendIP == ip_)//消息筛选
						{
							ltable.write2log_arp(IPPacket);
							//源MAC地址即为所需MAC地址
							for (int i = 0; i < 6; i++)
							{
								mac[i] = IPPacket->FrameHeader.SrcMAC[i];
							}
							break;//已经捕获到MAC，可以退出函数
						}

					}
				}
			}
		}
	}
}

==setchecksum和checkchecesum设置校验和和检验校验和==

void setchecksum(Data_t* temp)//设置校验和
{
	temp->IPHeader.Checksum = 0;
	unsigned int sum = 0;
	WORD* t = (WORD*)&temp->IPHeader;//每16位为一组
	for (int i = 0; i < sizeof(IPHeader_t)/2; i++)
	{
		sum += t[i];
		while (sum >= 0x10000)//如果溢出，则进行回卷
		{
			int s = sum >> 16;
			sum -= 0x10000;
			sum += s;
		}
	}
	temp->IPHeader.Checksum = ~sum;//结果取反
}

bool checkchecksum(Data_t* temp)//检验
{
	unsigned int sum = 0;
	WORD* t = (WORD*)&temp->IPHeader;
	for (int i = 0; i < sizeof(IPHeader_t) / 2; i++)
	{
		sum += t[i];
		while (sum >= 0x10000)//包含原有校验和一起进行相加
		{
			int s = sum >> 16;
			sum -= 0x10000;
			sum += s;
		}
	}
	if (sum == 65535)//源码+反码-》全1
		return 1;//校验和正确
	return 0;
}

==接收和处理线程函数==

为使消息转发和路由表添加、删除、打印等操作可以同时进行，使用线程函数进行消息内容处理

DWORD WINAPI handlerRequest(LPVOID lparam)
{
	routetable rtable = *(routetable*)(LPVOID)lparam;
	while (1)
	{
		pcap_pkthdr* pkt_header; const u_char* pkt_data;
		while (1)
		{
			int rtn = pcap_next_ex(ahandle, &pkt_header, &pkt_data);
			if (rtn)break;//接收到消息
		}
		FrameHeader_t* header = (FrameHeader_t*)pkt_data;
		if (compare(header->DesMAC, selfmac))//目的mac是自己的mac
		{
			else if (ntohs(header->FrameType) == 0x800)//IP格式的数据报
			{
				Data_t* data = (Data_t*)pkt_data;
				ltable.write2log_ip("接收", data);//将接收内容写入日志

				DWORD ip1_ = data->IPHeader.DstIP;
				DWORD ip_ = rtable.lookup(ip1_);//查找路由表中是否有对应表项
				if(ip_==-1)continue;//如果没有则直接丢弃或直接递交至上层
				if (checkchecksum(data))//如果校验和不正确，则直接丢弃不进行处理
				{
					if (data->IPHeader.DstIP != inet_addr(ip[0]) && data->IPHeader.DstIP != inet_addr(ip[1]))
					{
                        //不是广播消息
						int t1 = compare(data->FrameHeader.DesMAC, broadcast);
						int t2 = compare(data->FrameHeader.SrcMAC, broadcast);
						if (!t1 && !t2)
						{
                            //ICMP报文包含IP数据包报头和其它内容
							ICMP_t* temp_ = (ICMP_t*)pkt_data;
							ICMP_t temp = *temp_;
							BYTE mac[6];
							if(ip_==0)//直接投递，查找目的IP的MAc
							{
                                //如果ARP表中没有所需内容，则需要获取ARP
								if (!arptable::lookup(ip1_, mac))
									arptable::insert(ip1_, mac);
								resend(temp, mac);//转发
							}

							else if (ip_ != -1)//非直接投递，查找下一条IP的MAC
							{
								if (!arptable::lookup(ip_, mac))
									arptable::insert(ip_, mac);
								resend(temp, mac);
							}
						}

					}
				}
			}
		}
	}
}

==resend消息转发==

//数据报转发,修改源mac和目的mac
void resend(ICMP_t data, BYTE dmac[])
{
	Data_t* temp=(Data_t*)&data;
	memcpy(temp->FrameHeader.SrcMAC, temp->FrameHeader.DesMAC, 6);//源MAC为本机MAC
	memcpy(temp->FrameHeader.DesMAC, dmac, 6);//目的MAC为下一跳MAC
	temp->IPHeader.TTL -= 1;//TTL-1
	if (temp->IPHeader.TTL < 0)return;//丢弃
	setchecksum(temp);//重新设置校验和
	int rtn = pcap_sendpacket(ahandle, (const u_char*)temp, 74);//发送数据报
	if (rtn == 0)
		ltable.write2log_ip("转发",temp);//写入日志
}

ip打印

void ipprint(DWORD ip)
{
	in_addr addr;
	addr.s_addr = ip;
	char* pchar = inet_ntoa(addr);
	printf("%s\t", pchar);
	printf("\n");
}

getmac打印MAC

void getmac(BYTE MAC[])//打印mac
{
	printf("MAC地址为： ");
	for (int i = 0; i < 5; i++)
		printf("%02X-", MAC[i]);
	printf("%02X\n", MAC[5]);
}

路由表添加

为方便寻找最长前缀表项，在插入时对掩码进行排序

void routetable::add(routeitem* a)
{
	routeitem* pointer;
	//找到合适的地方
	//默认路由,一定是最开始的时候添加
	if (!a->type)//直接投递
	{
		a->nextitem = head->nextitem;
		head->nextitem = a;
		a->type = 0;
	}

	//其它，按照掩码由长至短找到合适的位置
	else
	{
		for (pointer = head->nextitem; pointer != tail && pointer->nextitem != tail; pointer = pointer->nextitem)//head有内容，tail没有
		{
			if (a->mask < pointer->mask && a->mask >= pointer->nextitem->mask || pointer->nextitem == tail)
				break;
		}
		a->nextitem = pointer->nextitem;
		pointer->nextitem = a;//插入到合适位置
		//a->type = 1;
	}
	routeitem* p = head->nextitem;
	for (int i = 0; p != tail; p = p->nextitem, i++)
	{
		p->index = i;
	}
	num++;
}

路由表删除

void routetable::remove(int index)
{
	for (routeitem* t = head; t->nextitem != tail; t = t->nextitem)
	{
		if (t->nextitem->index == index)
		{
			if (t->nextitem->type == 0)
			{
				printf("该项不可删除\n");
				return;
			}
			else
			{
				t->nextitem = t->nextitem->nextitem;
				return;
			}
		}
	}
	printf("无该表项\n");
}

遇到的问题

收到ping数据报但是不回复
- 可能使校验和设置错误，消息被接收方丢弃了
第一条能ping通，后面三条显示超时
- 处理了大量其它的消息，占用CPU资源，将筛选提前
ARP请求到的MAC是其它电脑的MAC
- 注意筛选收到的ARP请求的发送方IP
ping发送方显示无法访问目标网络
- 打开运行路由器的主机中的routing and remote服务

Author: Michelle19l

Link: https://gitee.com/michelle19l/michelle19l/2021/01/30/大三上/计网/网技大作业路由器/

Copyright Notice: All articles in this blog are licensed under CC BY-NC-SA 4.0 unless stating additionally.

web wpcap 大三上学期课程内容网络技术与应用

微信
支付寶

Recommend

网络技术与应用作业五互联网组网与路由器配置

网络技术与应用作业四通过编程获取IP地址与MAC地址的对应关系

网络技术与应用作业二 WPcap的安装与基本使用

网络技术与应用作业一 PacketTracer的基本使用

网络技术与应用作业三 IP地址规划与配置

网络技术与应用作业六 IPv6组网与配置

Local search

Powered by hexo-generator-search