课程设计报告-发现网络中的活动主机

重庆交通大学信息科学与工程学院课程设计实验报告专 业： 12级通信工程（2）班 学 号： 姓 名： 实验所属课程：通信网综合课程设计指 导 教 师 ： 谭晋 一、程设计的目的和意义在网络管理中，经常要确定当前网络中处于活动状态的主机，这时可以通过使用 ICMP协议的回送请求（Ping请求）和回送响应（Ping应答）消息来完成本工作。本课程设计的目的是编制程序，利用ICMP数据包，发现制定网段中的活动主机。IP协议的优点是简洁，但缺少差错控制和查询机制，而网际控制报文协议（ICMP）具有补充IP功能的作用。在网络管理中，常常要确定当前网络中处于活动状态的主机，这时可以通过使用ICMP的回送和回送响应消息来完成这项工作。本课程设计的目的就是编制程序，利用ICMP数据包，发现指定网段中的活动主机。通过课程设计，使学生更加熟悉ICMP报文的结构，对ICMP协议有更好的理解和认识。二、课程设计条件计算机，Matlab、C/C+或JAVA编程软件或者其他通信网仿真软件（如NS2、OMNET+等）、嵌入式开发板、编程器等。三、程设计的内容和要求 本程序的功能是发送ICMP数据包，以获取指定网段中的活动主机，并将结果显示到屏幕上。程序的要求1） 不允许在程序中直接调用Ping，而是用程序实现Ping的功能。2） 以命令形式运行：程序名 Start_ip End_ip, 其中，Start_IP为起始IP地址；End_IP为结束IP地址。3） 输出格式为： 活动主机1的IP地址 活动主机2的IP地址 四、课程设计的相关技术 IP 协议是一种不可靠的协议，无法进行差错控制。但IP 协议可以借助其他协议来实现这一功能，如ICMP。ICMP（Internet Control Messages Protocol, 网间控制报文协议）允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告。一般来说，ICMP 报文提供针对网络层的错误诊断、拥塞控制、路径控制和查询服务四项大的功能。如，当一个分组无法到达目的站点或TTL 超时后，路由器就会丢弃此分组，并向源站点返回一个目的站点不可到达的ICMP 报文。编制程序前首先要对ICMP报文的格式有一定的了解，ICMP报文是在IP数据报内部传输的，其结构如图10-1所示。 IP数据报 IP首部 ICMP报文 图10-1 ICMP封装在IP内部0 7 8 15 16 31（位）类型字段代码字段校验和字段（不同类型和代码有不同内容）图10-2 ICMP报文ICMP报文的格式如图10-2所示。所有报文的前4个字节都是一样的，但是其它字节则互不相同。其中类型字段可以有15个不同的值，以描述特定类型的ICMP报文，某些ICMP报文还使用代码字段的值来进一步描述不用的条件。按验和字段为2字节，校验的范围是整个ICMP报文。检验和是必须的，其计算方法与IP协议头部校验和的计算方法一样。 各种类型的ICMP报文如图10-3所示（ICMP报文类型），不同类型由报文中的类型字段和代码字段来共同决定。类 型 代 码 描 述 0 0 回送响应（PING应答）3 目的不可达0 网络不可达1 主机不可达2 协议不可达3 端口不可达4 需要进行分片但设置了禁止分片比特5 源主机选择路由失败6 无法识别目的网络7 无法识别目的主机8 源主机被隔离9 目的网络被禁止10 目的主机被禁止11 由于服务类型（TOS），网络不可达12 由于服务类型（TOS），主机不可达13 由于过滤，通信被强行禁止14 主机越权15 优先权终止生效 4 0 源端被关闭（基本流控制）5 重定向0 对网络重定向1 对主机重定向2 对服务类型和网络重定向3 对服务类型和主机重定向 8 0 回送请求（PING请求）9 0 路由器通告10 0 路由器请求11 超时0 传输期间生存期减为01 数据报组装期间生存期减为012 参数问题0 各种IP头部错误1 缺少必须的选项13 0 时间戳请求14 0 时间戳应答15 0 信息请求（已作废）16 0 信息应答（已作废）17 0 地址掩码请求18 0 地址掩码应答10-3 ICMP报文类型本课程设计的目的是发现网络中的活动主机，就是使用ICMP的回送和回送响应消息发现网络中的活动主机，即Ping消息的请求和应答。那幺，发送的ICMP的数据包类型设置为回送请求（类型号为8）。五、课程设计过程 本程序使用原始套接字（SOCK_RAW）生成ICMP报文来进行活动主机的探查，这个程序使用的是回送请求与应答信息。 程序的大致思想：把ICMP的数据包类型设置为回送请求（Ping请求，类型号为8），将它发送给网络上的一个IP地址，如果这个IP地址已经被占用，那么使用该IP地址的主机的，从而返回一个ICMP回送响应（类型号为0）的信息。信息封装在一个IP包中，需要解析该IP包，找到ICMP数据信息（类型为0，表示为对方的应答，证明对方IP地址是活动的），如果这个IP地址没有人使用，则发送的ICMP回送请求（Ping请求）在设定的延时时间内不可能得到响应。初始化原始套接字后（SOCK_RAW）后，本程序就开始在一个IP网段内寻找活动主机，由于要寻找的主机较多，可以采用多线程技术4.1、分析ICMP协议类型和程序实现方法 创建ICMP数据报的内容格式，把ICMP的数据包类型设置为回送请求（Ping请求，类型号为8）。具体实现代码如下：/IP报头的数据结构typedef struct iphdrunsigned int headlen:4; /IP头长度unsigned int version:4; /IP版本号unsigned char tos; /服务类型unsigned short totallen; /IP包总长度unsigned short id; /ID号unsigned short flag; /标记unsigned char ttl; /生存时间unsigned char prot; /协议（UDP TCP）unsigned short checksum; /校验和unsigned int sourceIP; /源IPunsigned int destIP; /目的IPIpHeader;/ICMP头部的数据结构typedef struct icmphdr BYTE type; /ICMP类型码，回送请求的类型码为8 BYTE code; /子类型码，保存与特定ICMP报文类型相关细节信息 USHORT checksum; /校验和 USHORT id; /ICMP报文ID号（一般用进程号作ID） USHORT seg; /ICMP数据报的序列号IcmpHeader;WSAStartup函数本函数必须是应用程序或DLL调用的第一个Windows Sockets函数.它允许应用程序或DLL指明Windows Sockets API的版本号及获得特定Windows Sockets实现的细节.应用程序或DLL只能在一次成功的WSAStartup()调用之后才能调用进一步的Windows Sockets API函数。具体应用：v MAKEWORD函数本函数用于进行对Socket版本的指定和协商，具体应用实例如下： 4.2、实例化ICMP数据报格式并创建Socket套接字程序使用原始套接字（SOCK_RAW）生成ICMP报文来进行活动主机的探查，这个程序使用的是回送请求与应答信息。具体实现代码如下：#define ICMP_RCHO 8 /请求回送#define DEF_PACKET_SIZE 32 /缺省数据报长度#define MAX_PACKET 1024 /最大数据块长度#define ICMP_MIN 8 /ICMP报文头长度（最小ICMP报文长度）#define ICMP_RCHO_REPLY 0#define STATUS_FAILED 0xFFFF#define MAX_PING_PACKET_SIZE (MAX_PACKET+sizeof(IpHeader)void fill_icmp_data(char *,int);USHORT checksum(USHORT *,int);void decode_resp(char *,int,struct sockaddr_in *);DWORD WINAPI FindIP(LPVOID pIPAddrTemp);WSADATA wsaData;SOCKET sockRaw;/为了实现发送/监听ICMP报文，必须使用原始套接字，创建原始套接字struct sockaddr_in dest,from,end;int fromlen =sizeof(from);/from是一个sockaddr_in数据结构，用于保存响应的目的的主机的地址char *recvbuf=new charMAX_PING_PACKET_SIZE;/保证大与发送包的大小4.3、创建多个线程线程是进程内部的一个执行单元。系统创建好进程后，实际上就启动执行了该进程的主执行线程，主执行线程以函数地址形式，比如说main或WinMain函数，将程序的启动点提供给Windows系统。主执行线程终止了，进程也就随之终止。由于要寻找的主机较多，可以采用多线程技术（ 多线程的函数为：CreateThread() ）。具体实现代码如下：int fromlen =sizeof(from);/from是一个sockaddr_in数据结构，用于保存响应的目的的主机的地址char *recvbuf=new charMAX_PING_PACKET_SIZE;/保证大与发送包的大小unsigned int addr=0;long ThreadNumCounter=0,ThreadNumLimit=20;long *aa=&ThreadNumCounter;void main(int argc,char *argv)if(WSAStartup(MAKEWORD(2,1),&wsaData)!=0)coutWASStartup failedGetLastError()headlen*4 ; /IP报头的长度 icmphdr=(Icmpheader *)(buf+iphdrlen); /跳过IP报头 /数据包太短，丢弃 if(bytestype !=ICMP_ECHO_REPLY) return; /Id号不相符，丢弃 if(icmphdr-id!=(USHOT)GetCurrentThreadId() return; /输出正在使用的IP地址。 Cout”活动主机：”sin_addr)endl;4.5、程序流程图一个用多线程实现的程序在课程设计过程的第三部分中给出，以下分别是主程序流程图和子程序流程图:开 始将Start_IP添入到dest中起始IP地址Start_IP结束IP地址End_IP建立并初始化目的主机的Sockaddr_in数据结构dest构造原始套接字，并初始化Start_IPEnd_IP？ N Y Y线程数目太多？等待一定时间 N创建一个线程并执行Start_IP+ Y 还有线程在执行？等待一定时间 N结 束 图1 主程序流程图开 始填充ICMP数据报发送数据报接收数报去掉IP报头，获取ICMP信息数据包太短？ Y N不是回送响应？ Y NID不符合？ Y N输出数据报中的IP地址 结 束图2 子程序流程图六、程序运行结果七、课程设计小结这次课程设计是在毫无准备的尴尬情况下进行的，在此之前，虽然学习了许多有关计算机网路以及通信原理的知识，但是都是基于理论教学的。至于将网络协议应用到编程过程中，这还是头一次，因此在设计的过程中遇到许多难题。在阅读设计要求时，一个概念困扰很久，多线程编程在之前并没有接触过，但是通过网络查询资料后得以理解其含义和作用。在计算机中，一个应用程序在运行状态可以看做一个进程，但是这就像做一项及其重要的过程是同一个道理，在实际生活中，为了实现高效率的工作模式，通常是多个人同时来完成一项工作，或者说是很多人做同一样事情，结果是同样的时间可以实现大批量的工作。在这个过程当中，参与该事件的人都可以使用现有的资源，这就是多线程共享进程资源的原理。但是，在计算机线程中有一种特殊的情况，有的线程不能使用某些系统资源，这就称作锁，就好比有的线程将属于自己的系统资源上了一把锁，不允许其他线程使用这些资源。总之，计算机多线程编程就是为了实现计算机快速、高效率地执行程序。通过此次课程设计，我加深了对ICMP协议的理解，巩固了课堂知识。由于网络协议比较抽象、难学，自己学得也不够深入，加上还要把所学知识运用到实践中来，所以一开始时感觉比较困难，而且在调试过程中难免要出现一些如变量没有定义、缺少头文件、大小写错误以及其它问题，通过查阅文献资料、向同学请教以及认真地思考与分析，逐一对错误进行了调试，才使得程序能正常运行，大体上符合了设计的目的和要求。在程序的调试过程中，出现问题是正常的，关键是如何去发现问题的根源，然后去解决它。为了能够快速地确定错误的原因，尽快的排除程序错误，通常把程序错误划分为三种类型：语法错误、运行错误和逻辑错误。在设计过程中，我们可以先找出问题，看是属于哪一类错误，然后再将问题一一解决，这样既解决了疑难问题又节省了不少时间。 参考文献1 吴功宜, 胡晓英, 张仁, 何云, 王宁编著. 计算机网络课程设计. 北京：机械工业出版社, 2010.82 吴功宜著. 计算机网络. 北京：清华大学出版社, 20043 陈坚, 陈伟. Visual C+网络高级编程M. 北京: 人民邮电出版社，20014 郭国强. 计算机网络与Internet教程. 北京: 清华出版社，2006.115 杨丰瑞, 杨丰任. 实用教程最新计算机网络. 北京: 中国铁道出版社，2001.7附录 源代码#pragma pack(4)#pragma comment (lib,Ws2_32.lib)#define WIN32_LEAN_AND_MEAN#include #include #include #include #include #include #include /IP报头的数据结构typedef struct iphdrunsigned int headlen:4; /IP头长度unsigned int version:4; /IP版本号unsigned char tos; /服务类型unsigned short totallen; /IP包总长度unsigned short id; /ID号unsigned short flag; /标记unsigned char ttl; /生存时间unsigned char prot; /协议（UDP TCP）unsigned short checksum; /校验和unsigned int sourceIP; /源IPunsigned int destIP; /目的IPIpHeader;/ICMP头部的数据结构typedef struct icmphdr BYTE type; /ICMP类型码，回送请求的类型码为8 BYTE code; /子类型码，保存与特定ICMP报文类型相关细节信息 USHORT checksum; /校验和 USHORT id; /ICMP报文ID号（一般用进程号作ID） USHORT seg; /ICMP数据报的序列号IcmpHeader;#define ICMP_RCHO 8 /请求回送#define DEF_PACKET_SIZE 32 /缺省数据报长度#define MAX_PACKET 1024 /最大数据块长度#define ICMP_MIN 8 /ICMP报文头长度（最小ICMP报文长度）#define ICMP_RCHO_REPLY 0#define STATUS_FAILED 0xFFFF#define MAX_PING_PACKET_SIZE (MAX_PACKET+sizeof(IpHeader)void fill_icmp_data(char *,int);USHORT checksum(USHORT *,int);void decode_resp(char *,int,struct sockaddr_in *);DWORD WINAPI FindIP(LPVOID pIPAddrTemp);WSADATA wsaData;SOCKET sockRaw;/为了实现发送/监听ICMP报文，必须使用原始套接字，创建原始套接字struct sockaddr_in dest,from,end;int fromlen =sizeof(from);/from是一个sockaddr_in数据结构，用于保存响应的目的的主机的地址char *recvbuf=new charMAX_PING_PACKET_SIZE;/保证大与发送包的大小unsigned int addr=0;long ThreadNumCounter=0,ThreadNumLimit=20;long *aa=&ThreadNumCounter;void main(int argc,char *argv)if(WSAStartup(MAKEWORD(2,1),&wsaData)!=0)coutWASStartup failedGetLastError()endl;ExitProcess(STATUS_FAILED);sockRaw=WSASocket(AF_INET,SOCK_RAW,IPPROTO_ICMP,NULL,0,WSA_FLAG_OVERLAPPED);if(sockRaw=INVALID_SOCKET)coutWASSocketet() faliedWSAGetLastError()endl;ExitProcess(STATUS_FAILED);int timeout=1000;int bread=setsockopt(sockRaw,SOL_SOCKET,SO_RCVTIMEO,(char *)&timeout,sizeof(timeout);if(bread=SOCKET_ERROR)coutFAILED TO SEY RECV TIMEOUTWSAGetLastError()endl;ExitProcess(STATUS_FAILED); timeout=1000; bread=setsockopt(sockRaw,SOL_SOCKET,SO_SNDTIMEO,(char *)&timeout,sizeof(timeout); if(bread=SOCKET_ERROR)coutFAILED TO SEY RECV TIMEOUTWSAGetLastError()endl;ExitProcess(STATUS_FAILED);memset(&dest,0,sizeof(dest);unsigned long startIP,endIP;dest.sin_family=AF_INET;dest.sin_addr.s_addr=inet_addr(argv1);startIP=inet_addr(argv1);end.sin_family=AF_INET;end.sin_addr.s_addr=inet_addr(argv2);endIP=inet_addr(argv2);HANDLE hThread;while(htonl(startIP)ThreadNumLimit)Sleep(5000);continue;DWORD ThreadID;sockaddr_in *pIPAddrTemp=new (sockaddr_in);if(!pIPAddrTemp)coutmemory alloc failedendl;return ;*pIPAddrTemp=dest;clock_t start;start=clock();hThread=CreateThread(NULL,NULL,FindIP,(LPVOID)pIPAddrTemp,NULL,&ThreadID);long i=60000000L;while(i-);TerminateThread(hThread,0);InterlockedDecrement(aa);memset(&from,0,sizeof(from);startIP=htonl(htonl(startIP)+1);dest.sin_addr.s_addr=startIP;while(ThreadNumCounter!=0)Sleep(2000);return;couterrortype = ICMP_RCHO; /设置类型 icmp_hdr-id = (USHORT)GetCurrentThreadId(); /设置其ID号为当前线程号 datapart = icmp_data + sizeof(IcmpHeader); /计算出数据报的数据部分 memset(datapart,A,datasize-sizeof(IcmpHeader); /填入数据void decode_resp(char *buf,int bytes,struct sockaddr_in *from)IpHeader *iphdr;IcmpHeader *icmphdr;unsigned short iphdrlen;iphdr=(IpHeader*) buf;iphdrlen = iphdr-headlen*4 ; /IP报头的长度 icmphdr=(IcmpHeader *)(buf+iphdrlen); /跳过IP报头 if(bytestype !=ICMP_RCHO_REPLY) return;/不是回送响应（Ping应答），丢弃 if(icmphdr-id!=(USHORT)GetCurrentThreadId() return; /Id号不相符，丢弃 cout活动主机：sin_addr)endl;/输出正在使用的IP地址cout sin_addr)1)cksum+=*buffer+;size-=sizeof(USHORT);if(size)cksum+=*(UCHAR*)buffer;cksum=(cksum16)+(cksum& 0xffff);cksum+=(cksum16);return (USHORT)(cksum);DWORD WINAPI FindIP(LPVOID pIPAddrTemp)InterlockedIncrement(aa);char icmp_dataMAX_PACKET;/ICMP数据报