香蕉微波炉

用winpcap测试自己的通信协议（一）

浅雾 Roy
2018-09-01
计算机/业务方案和架构设计
winpcap, 通信协议, 以太网帧

通信协议的设计 ​

说到通信，我们肯定会想到OSI七层模型，想到TCP/IP，想到Socket。但是如果我们需要直接和物理设备通信，尤其是对实时性、安全性要求较高的时候，采用在数据链路层发送自己设计的裸包的方法是最好不过的了：

第一，安全性可控。自己设计的通信协议当然可以控制想要加密什么东西了。

第二，实时性。不需要经过高层的封包解包，直接向MAC地址发送裸包。

第三，也是最重要的，可裁剪。我们可以裁剪掉不需要的功能，增加需要的功能，这对于有内存闪存大小限制的嵌入式设备是很有意义的。

那么，该如何去设计这个通信协议呢？最简单的协议可以考虑这些内容：

序号‌协议字段名‌详细描述
1‌协议标识标记这个包是用的你的协议
2‌协议版本当协议有多个版本后，可以协调兼容问题
3‌包类型握手包、心跳包、数据包、断开包
4‌包序号发送者设定序号，接受者回复同样的号
5‌数据长度数据字段有多少字节
6‌数据要传输的数据，可以为空
7‌校验和校验包在传输过程中是否发生了错误

当然，更深层次的协议可以去设计错误码、重传、分片、加密、压缩、FLAG字段、透传token等等，甚至还需要考虑各种开源代码是否可以使用（如果你不想开源的话，使用MIT License的代码是很好的选择）。

简单包中的1~4可以看做传说中的包头（Header），我们定义自己的一个简单通信协议，称为BTP(BWB Transport Protocol)： fc3ef3057163efc4bb5a359d5c85b087.png

其中：

序号BTP字段名说明
1协议标识0x42（大写的'B'）
2协议版本0x01（1.0版本）
3包类型握手请求包：0x01
握手响应包：0x02
心跳请求包：0x03
心跳响应包：0x04
数据包：0x05
断开请求包：0x06
断开响应包：0x07
4包序号0x00~0xFF循环使用
5数据长度0x0000~0xFFFF
6数据要传输的数据，可以为空
7校验和采用经典的CRC32

一个简单BTP传输协议就设计好啦。

使用winpcap进行简单收发包测试 ​

实验工具和平台 ​

  • 操作系统：windows 8 / VMware14（windows xp sp3）
  • 开发软件：Visual Studio 2013 / Wireshark 2.6.2（可以运行在windows 8 上） / Wireshark 1.4.9（可以运行在windows xp上）
  • 插件：WinPcap 4.1.2

实验拓扑 ​

a0ddd5e964e522f452afdf7e63c0d380.png

PA端是真实的电脑，PB端是vmware开的windows xp虚拟机，虚拟机网络连接方式选择NAT模式。这样，主机上的VMnet8 Adapter就能够和虚拟机的虚拟网卡处于同一个网段中来通信了。

收发包基础环境搭建 ​

PA发包 ​

1、搭建Visual Studio可用环境 ​

  1. 文件→新建→项目→Visual C++空项目→命名为BTPsender

  2. 右键→添加→新建项：新建一个头文件BTPsender.h和源文件BTPsender.c34ef07c73472ddf92e861a8dce50e608.png

  3. 屏蔽安全报错

相信不少VS老玩家都应该知道_s的安全报错，直接在代码里写并不是一个好的方法，修改预处理器更好，当然你也可以直接屏蔽所有的警告，这里不再赘述。

调试→属性→配置属性→C/C++→预处理器→预处理器定义，添加：

c
_CRT_SECURE_NO_WARNINGS;
  1. 写个helloworld测试一下

BTPsender.h

c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

BTPsender.c

c
#include "BTPsender.h"
int main(){
	printf("1");
	return 0;
}
2、添加winpcap支持 ​

  1. 前往winpcap官网下载源码包 3b3641f1407ec6def9110bf583224e9e.pngabc08428974415f989821ebede687a66.png

  2. 将源码包解压到合适的位置，注意路径不要带中文 eb1e2c6bf4cb96816ce84c2e12b06a7e.png

  3. 调试→属性→配置属性→C/C++→预处理器→预处理器定义，添加：

c
HAVE_REMOTE;WPCAP;

401307d57ca5914488874e5079f16fec.png

  1. 调试→属性→配置属性→链接器→输入→附加依赖项，添加：
c
ws2_32.lib;wpcap.lib;Packet.lib;

412230f7e657dd67057aa8dc28306064.png

  1. 调试→属性→VC++目录，包含目录添加E:\WpdPack\Include，库目录添加E:\WpdPack\Lib，这两个路径就是你刚才解压winpcap源码的路径。 af5eea27d2e88dc38c0a7349c9db6b5b.png

  2. 测试一下是否引入成功

BTPsender.h添加：

c
#include <pcap.h>

运行，发现报错，找不到sys/time.h： 48e79b82c11eed76d65038b15dc02546.png 我们点击这个报错进去看，发现是这几行代码： 9e80f88e5ef64384f63af7a8899bb5d0.png 很容易能读懂，就是没有定义WIN32这个常量，导致被识别为UNIX系统，引入了UNIX的头文件，当然找不到了。解决办法就是直接注释掉整段，强行写一个#include： 462b3931fb61bcd046c79d4e7fde54e2.png 保存，再次运行，成功通过编译。

3、发包测试 ​
  1. 打开windows xp虚拟机PB，网络适配器选择NAT模式，用ipconfig /all查看虚拟网卡MAC地址，这里是00-0C-29-86-B8-C8： 7bd65e5fb11a7dd200c6061ea5daabba.png
  2. 回到主机PA，同样用ipconfig /all查看本机VMnet8的MAC地址，这里是00-50-56-C0-00-08： a69d0c6ab7d81c0233c3127ceb37cb98.png
  3. 构造一个以太网帧，数据字段就随便填写一个字符串，然后使用winpcap发送出去。

这里有个知识点就是以太网帧的格式，这里使用最常见的Ethernet II，有关以太网帧的比较可以参看《四种格式的以太网帧结构》，以后也许会有机会自己写一篇。 2c41e237cc4a8f3e371b1cd7b657da08.png

  • FCS：FCS就是目的MAC到数据之间的内容得到的校验和，一般用CRC32。这一部分是不需要自己添加的，网卡驱动会自行计算。
  • 数据：至于为什么数据最少要有46字节，简单的来说就是为了及时检测冲突，如果包小于64字节，那么对于相距很远的主机，很可能这边发送完了认为发送成功，那边冲突的信号还没传过来。我们所设计的协议包就是放在以太网帧的数据字段里面，所以这里先随便填写一个字符串，测试发送的通畅性。
  • 类型：类型字段表明这个帧到底是什么，比如常见的IP包，这里会写0x0800；ARP包，这里会写0x0806；PPPoE发现阶段为0x8863等等。这里随便填一个，填类型为IP包即可。

不难写出这样的发包程序：

c
// BTPsender.h
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pcap.h>
#include <winsock.h>
	
#define ETHERTYPE_IP					0x0800 /* IP */ 
#define ERROR_GENERAL					-1
#define ERROR_FINDALLDEVS_FAILURE		-2
#define ERROR_INTERFACES_NOT_FOUND		-3
#define ERROR_BAD_INPUT					-4
#define ERROR_OPEN_ADAPTER_FAILURE		-5
#define ERROR_SENDING_FAILURE			-6
#define SEND_BUFSIZE					1024
#define SEND_TIMES						10000
#define SEND_INTVAL						1000
 
typedef struct ETH_HEADER
{
	u_char dest_mac[6];
	u_char src_mac[6];
	u_short etype;
}ETH_HEADER;
c
// BTPsender.c
#include "BTPsender.h"
 
int main()
{
	pcap_t *adapter;						/* 网卡句柄 */
	char errbuf[PCAP_ERRBUF_SIZE];			/* 错误信息buffer */
	ETH_HEADER eth_header;					/* 以太网包头 */
 
	char package[] = { "BTP test.<46" };	/* 测试用的字符串 */
	int index;								/* 发送buffer偏移 */
	u_char sendbuf[SEND_BUFSIZE];			/* 发送buffer */
 
	pcap_if_t *alldevs;	/* 全部网卡列表 */
	pcap_if_t *d;		/* 一个网卡 */
	int did;			/* 选择的网卡ID */
 
	int i;				/* 迭代 */
 
	/* 查找网卡 */
	if (pcap_findalldevs_ex(PCAP_SRC_IF_STRING, NULL, &alldevs, errbuf) == -1) {
		fprintf(stderr, "[ERROR] pcap_findalldevs error: %s\n", errbuf);
		return ERROR_FINDALLDEVS_FAILURE;
	}
 
	/* 选择网卡d */
	for (d = alldevs, i = 0; d; d = d->next) {
		if (d->description)
			printf("NO.%d: %s\n", ++i, d->description);
		else
			printf("[WARN] No description available\n");
	}
 
	if (i == 0) {
		printf("[ERROR] No interfaces found! Make sure WinPcap is installed.\n");
		return ERROR_INTERFACES_NOT_FOUND;
	}
 
	printf("[INFO] Enter the interface number (1-%d):", i);
	scanf("%d", &did);
 
	if (did < 1 || did > i) {
		printf("[ERROR] Interface number out of range.\n");
		pcap_freealldevs(alldevs);
		return ERROR_BAD_INPUT;
	}
 
	for (d = alldevs, i = 0; i < did - 1; d = d->next, i++);
 
	/* 打开网卡 */
	if ((adapter = pcap_open_live(d->name,	/* 设备名 */
							65536,			/* 捕获数据包的长度（65536捕获所有数据包） */
							1,				/* 混杂模式（非0表示使用混杂模式） */
							1000,			/* 超时时间（0表示没有超时限制） */
							errbuf			/* 错误缓存（存储错误信息） */
		)) == NULL) {
		fprintf(stderr, "[ERROR] Unable to open the adapter. %s is not supported by WinPcap\n");
		pcap_freealldevs(alldevs);
		return ERROR_OPEN_ADAPTER_FAILURE;
	}
 
	/*目的PB的mac地址*/
	eth_header.dest_mac[0] = 0x00;
	eth_header.dest_mac[1] = 0x0C;
	eth_header.dest_mac[2] = 0x29;
	eth_header.dest_mac[3] = 0x86;
	eth_header.dest_mac[4] = 0xB8;
	eth_header.dest_mac[5] = 0xC8;
 
	/*源PA的mac地址*/
	eth_header.src_mac[0] = 0x00;
	eth_header.src_mac[1] = 0x50;
	eth_header.src_mac[2] = 0x56;
	eth_header.src_mac[3] = 0xC0;
	eth_header.src_mac[4] = 0x00;
	eth_header.src_mac[5] = 0x08;
 
	eth_header.etype = htons(ETHERTYPE_IP);
 
 
 
	memcpy(sendbuf, &eth_header, sizeof(eth_header));
	index = sizeof(eth_header);
	memcpy(&sendbuf[index], package, sizeof(package));
	index += sizeof(package);
	
	/* 发包 */
	for (i = 0; i < SEND_TIMES; i++) {
		if (pcap_sendpacket(adapter,	/* 网卡句柄 */
							sendbuf,	/* 要发送的帧 */
							index		/* 帧的大小 */
			) != 0) {
			fprintf(stderr, "[ERROR] Error sending the packet: %s\n", pcap_geterr(adapter));
			return ERROR_SENDING_FAILURE;
		}
		printf("packet send successed!\n");
		Sleep(SEND_INTVAL);
	}
 
	pcap_close(adapter);
	return 0;
}

这里要注意的是，引入了#include <winsock.h>，并且使用了eth_header.etype = htons(ETHERTYPE_IP);的写法，我们来看看不这样做会发生什么，用wireshark抓vmnet8的包： 338bebecdfbac4c21e9b44ed9cfe92ae.png

被识别为了802.3的帧，长度为8，巧合的是设置的IP类型也为0x0800。没错，由于网络字节序，0x0800被存储为了0x0008，导致被识别为802.3协议。一种改法是采用类似MAC地址的那种字节数组，然而这不利于使用宏定义；还有一种就是修改宏定义，改为0x0008，但是这又不利于阅读了。所以我们最好写的时候正常写，发包的时候再利用htons（也就是host to network short）函数转换： d60918afa3cff45dcb51d1ac4f6b66e9.png

还有一点值得注意的是，发送的数据包小于46字节，也没有报错。我们先来看看在虚拟机windows xp上低版本的wireshark抓到的包是什么样的： 0f9ead31831a2d5ad45b9445bbf80965.png

原来后面都填充了0，一共60字节（有4字节校验码没有显示），所以推测wireshark高版本不再显示这些自动填充字节了。PA发包，PB收到相同的包，说明发包成功了~

PB收包 ​

1、搭建Visual Studio可用环境 ​

与前面一样，项目名BTPrecver，文件BTPrecver.h / BTPrecver.c

2、添加winpcap支持 ​

与前面一样。

3、支持xp ​

这一步的原因是因为懒得去配置windows xp下的编程环境了，我们直接在windows 8上采用vs2013来编写和编译，然后把生成的exe发到虚拟机运行即可，因此需要让程序支持xp。

  1. 调试→属性→配置属性→常规→平台工具集，选择Visual Studio 2013 - Windows Xp（v120_xp） 6f401b617abb9b73b1aa63fa516e191d.png

  2. 调试→属性→配置属性→链接器→系统→子系统，选择窗口(/SUBSYSTEM:WINDOWS)，同时注意一下所需最低版本是不是5.01： 154f723e70e767ffa64d459025064a70.png

  3. 调试→属性→配置属性→链接器→命令行，添加：

c
/SUBSYSTEM:CONSOLE,"5.01"

ab5bf81c17a75c44e329d53d4f1db6ca.png 这一步非常重要，否则你的程序跑在windows xp上就会提示“不是有效的win32应用程序”。

  1. 使用静态编译 这样就不需要动态链接库了，把所有依赖都打包进exe。

调试→属性→配置属性→C/C++→代码生成→运行库，选择多线程(/MT)： 66c5d745d7a2082d5781a4db65f85306.png

  1. 收包测试
c
// BTPrecver.h
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pcap.h>
#include <winsock.h>
 
#define ERROR_GENERAL					-1
#define ERROR_FINDALLDEVS_FAILURE		-2
#define ERROR_INTERFACES_NOT_FOUND		-3
#define ERROR_BAD_INPUT					-4
#define ERROR_OPEN_ADAPTER_FAILURE		-5
#define ERROR_SENDING_FAILURE			-6
#define ERROR_INVALID_DATALINK_TYPE		-7
#define ERROR_COMPILE_FILTER_FALIURE	-8
#define ERROR_SET_FILTER_FALIURE		-9
 
typedef struct ETH_HEADER
{
	u_char dest_mac[6];
	u_char src_mac[6];
	u_short etype;
}ETH_HEADER;
 
 
void packet_handler(u_char *param, const struct pcap_pkthdr *header, const u_char *pkt_data);/* 抓包回调函数 */
void format_mac(LPSTR lpHWAddrStr, const unsigned char *HWAddr);/* mac地址格式化函数 */
c
// BTPrecver.c
#include "BTPrecver.h"
 
int main()
{
	pcap_t *adapter;				/* 网卡句柄 */
	char errbuf[PCAP_ERRBUF_SIZE];	/* 错误信息buffer */
	u_int netmask;					/* 掩码信息 */
	char packet_filter[] = "ether src 00:50:56:C0:00:08 and ether dst 00:0C:29:86:B8:C8"; /* 过滤规则 */
	struct bpf_program fcode;		/* 存储编译好的过滤码 */
 
	pcap_if_t *alldevs;	/* 全部网卡列表 */
	pcap_if_t *d;		/* 一个网卡 */
	int did;			/* 选择的网卡ID */
 
	int i = 0;			/* 迭代 */
 
	/*查找网卡*/
	if (pcap_findalldevs_ex(PCAP_SRC_IF_STRING, NULL, &alldevs, errbuf) == -1) {
		fprintf(stderr, "[ERROR] pcap_findalldevs error: %s\n", errbuf);
		return ERROR_FINDALLDEVS_FAILURE;
	}
 
	/* 选择网卡d */
	for (d = alldevs, i = 0; d; d = d->next) {
		if (d->description)
			printf("NO.%d: %s\n", ++i, d->description);
		else
			printf("[WARN] No description available\n");
	}
 
	if (i == 0) {
		printf("[ERROR] No interfaces found! Make sure WinPcap is installed.\n");
		return ERROR_INTERFACES_NOT_FOUND;
	}
 
	printf("[INFO] Enter the interface number (1-%d):", i);
	scanf("%d", &did);
 
	if (did < 1 || did > i) {
		printf("[ERROR] Interface number out of range.\n");
		pcap_freealldevs(alldevs);
		return ERROR_BAD_INPUT;
	}
 
	for (d = alldevs, i = 0; i < did - 1; d = d->next, i++);
 
	/* 打开网卡 */
	if ((adapter = pcap_open_live(d->name,	/* 设备名 */
								  65536,	/* 捕获数据包的长度（65536捕获所有数据包） */
								  1,		/* 混杂模式（非0表示使用混杂模式） */
								  1000,		/* 超时时间（0表示没有超时限制） */
								  errbuf	/* 错误缓存（存储错误信息） */
		)) == NULL) {
		fprintf(stderr, "[ERROR] Unable to open the adapter. %s is not supported by WinPcap\n");
		pcap_freealldevs(alldevs);
		return ERROR_OPEN_ADAPTER_FAILURE;
	}
 
	/* 检查链路层类型 */
	if (pcap_datalink(adapter) != DLT_EN10MB) /* DLT_EN10MB指10Mb以太网 */
	{
		fprintf(stderr, "[ERROR] This program works only on Ethernet networks.\n");
		pcap_freealldevs(alldevs);
		return ERROR_INVALID_DATALINK_TYPE;
	}
 
	/* 检查地址类型 */
	if (d->addresses != NULL) /* 如果有IP地址 */
		netmask = ((struct sockaddr_in *)(d->addresses->netmask))->sin_addr.S_un.S_addr; /* 使用第一个掩码 */
	else /* 如果没有IP地址，说明是C类网络（局域网） */
		netmask = 0xffffff;	/* 掩码设置为255.255.255.0 */
 
 
	/* 编译过滤器 */
	if (pcap_compile(adapter, &fcode, packet_filter, 1, netmask) < 0) /* 1表示自动进行优化 */
	{
		fprintf(stderr, "[ERROR] Unable to compile the packet filter. Check the syntax.\n");
		pcap_freealldevs(alldevs);
		return ERROR_COMPILE_FILTER_FALIURE;
	}
 
	/* 应用过滤器 */
	if (pcap_setfilter(adapter, &fcode)<0)
	{
		fprintf(stderr, "[ERROR] Error setting the filter.\n");
		pcap_freealldevs(alldevs);
		return ERROR_SET_FILTER_FALIURE;
	}
 
	/* 开始抓包 */
	printf("listening on %s...\n", d->description);
	pcap_freealldevs(alldevs);
	pcap_loop(adapter, 0, packet_handler, NULL);
 
	return 0;
}
 
/* 抓包回调函数 */
void packet_handler(u_char *param, const struct pcap_pkthdr *header, const u_char *pkt_data)
{
	time_t local_tv_sec;	/* 时间戳 */
	struct tm *ltime;		/* 本地时间 */
	char timestr[16];		/* 格式化后的本地时间 */
	ETH_HEADER *eth_header;	/* 以太网帧包头 */
	char str_mac[50];		/* 源MAC地址 */
	char dest_mac[50];		/* 目的MAC地址 */
	char *data;		/* 数据 */
 
	/* 没有使用param  */
	(VOID)(param);
 
	/* 格式化当前时间 */
	local_tv_sec = header->ts.tv_sec;
	ltime = localtime(&local_tv_sec);
	strftime(timestr, sizeof timestr, "%H:%M:%S", ltime);
 
	/* 解析以太网帧 */
	eth_header = (ETH_HEADER *)pkt_data;
	format_mac(str_mac, eth_header->src_mac);
	format_mac(dest_mac, eth_header->dest_mac);
 
	printf("[ %s.%.6d ] receive package    \nlength=\t%d   \neth type=\t0x%x    \nsrc mac=\t%s    \ndest mac=\t%s\n", 
						timestr, header->ts.tv_usec, header->len, ntohs(eth_header->etype), str_mac, dest_mac);
 
	/* 解析数据域 */
	data = (char *)(pkt_data + 14);
	printf("data= \t%s\n", data);
}
 
 
void format_mac(char* lpHWAddrStr, const unsigned char *HWAddr)
{
	int i;
	short temp;
	char szStr[3];
 
	strcpy(lpHWAddrStr, "");
	for (i = 0; i<6; ++i)
	{
		temp = (short)(*(HWAddr + i));
		_itoa(temp, szStr, 16);
		if (strlen(szStr) == 1)
			strcat(lpHWAddrStr, "0");
		strcat(lpHWAddrStr, szStr);
		if (i<5)
			strcat(lpHWAddrStr, ":"); 
	}
}

然后把生成的EXE文件复制到虚拟机运行： 5bd149ce2667188f9835a2a5e5083af5.png

这里值得注意的有：

PA端运行发包程序，然后PB端运行收包程序，最后的结果： 226f2a87781a8e79c30ce7ff5750a77e.png

到这里，已经可以学会如何设计通信协议、以及使用winpcap进行发包收包了。

参考资料 ​

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