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C/C++利用原生套接字抓取FTP数据包

2023-12-05 09:31:30 作者：微软技术分享

这篇文章主要为大家详细介绍了如何基于原始套接字的网络数据包捕获与分析工具,通过实时监控网络流量,实现抓取流量包内的FTP通信数据,需要的小伙伴可以参考下

网络通信在今天的信息时代中扮演着至关重要的角色，而对网络数据包进行捕获与分析则是网络管理、网络安全等领域中不可或缺的一项技术。本文将深入介绍基于原始套接字的网络数据包捕获与分析工具，通过实时监控网络流量，实现抓取流量包内的FTP通信数据，并深入了解数据传输的细节，捕捉潜在的网络问题以及进行安全性分析。

原始套接字是一种底层的网络编程方式，允许程序直接访问网络协议栈，无需操作系统进行任何处理。在Windows平台，可以通过SOCK_RAW套接字类型来创建原始套接字。本文的代码示例基于Winsock2库实现，允许我们以最底层的方式捕获网络数据包。

Winsock2库与套接字初始化

在使用原始套接字之前，我们首先需要初始化Winsock2库。Winsock2提供了在Windows平台上进行套接字编程所需的函数和结构。代码中的WSAStartup函数完成了Winsock2库的初始化工作。

#include <winsock2.h>
#include <stdio.h>
#include <mstcpip.h>

#pragma comment(lib, "Advapi32.lib")
#pragma comment (lib, "ws2_32")

WSADATA wsa;
if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsa) != 0)
    return -1;

数据包结构解析

接着我们需要定义数据包结构，常见的协议头结构：IP（Internet Protocol）头、TCP（Transmission Control Protocol）头和UDP（User Datagram Protocol）头。如果想要解析TCP/UDP头则需要先来解析IP头，并依次向下解析。

IP头

IP头是互联网通信中用于标识数据报的头部信息。下面是IP头的结构：

typedef struct _IPHeader {
  UCHAR     iphVerLen;        // 版本号和头长度（各占4位）
  UCHAR     ipTOS;            // 服务类型
  USHORT    ipLength;         // 封包总长度，即整个IP报的长度
  USHORT    ipID;             // 封包标识，惟一标识发送的每一个数据报
  USHORT    ipFlags;          // 标志
  UCHAR     ipTTL;            // 生存时间，即TTL
  UCHAR     ipProtocol;       // 协议，可能是TCP、UDP、ICMP等
  USHORT    ipChecksum;       // 校验和
  ULONG     ipSource;         // 源IP地址
  ULONG     ipDestination;    // 目标IP地址
} IPHeader, *PIPHeader;

在IP头中，我们可以获取到源IP地址、目标IP地址、数据包长度、生存时间（TTL）、协议类型等信息。IP头的版本号和头长度字段结合在一起，占4位，用于表示IP协议的版本和IP头的长度。协议字段指示了数据包中的上层协议类型，例如TCP、UDP或ICMP。

TCP头

TCP是一种面向连接的协议，它提供可靠的、字节流的通信。TCP头包含了一系列关键的信息，用于控制数据传输的各个方面。下面是TCP头的结构：

typedef struct _TCPHeader {
  USHORT  sourcePort;         // 16位源端口号
  USHORT  destinationPort;    // 16位目的端口号
  ULONG   sequenceNumber;     // 32位序列号
  ULONG   acknowledgeNumber;  // 32位确认号
  UCHAR   dataoffset;         // 高4位表示数据偏移
  UCHAR   flags;              // 6位标志位    
  USHORT  windows;            // 16位窗口大小
  USHORT  checksum;           // 16位校验和
  USHORT  urgentPointer;      // 16位紧急数据偏移量 
} TCPHeader, *PTCPHeader;

TCP头中的源端口号和目的端口号标识了数据包的发送和接收方。序列号和确认号用于维护连接的状态。标志位字段包括了TCP协议中的各种控制信息，如SYN、ACK、FIN等。窗口大小表示接收方当前愿意接收的数据量。

UDP头

UDP是一种无连接的协议，它提供了简单的、不可靠的数据传输。UDP头相比TCP头较为简单，但同样包含了一些关键的信息。下面是UDP头的结构：

typedef struct _UDPHeader {
  USHORT      sourcePort;       // 源端口号   
  USHORT      destinationPort;  // 目的端口号    
  USHORT      len;              // 封包长度
  USHORT      checksum;         // 校验和
} UDPHeader, *PUDPHeader;

UDP头中的源端口号和目的端口号同样标识了数据包的发送和接收方。封包长度字段表示UDP包的总长度，包括UDP头和数据部分。校验和字段用于检测数据包的完整性。

创建原始套接字

使用socket函数创建原始套接字，指定协议为IPPROTO_IP，表示接收所有的IP包。

SOCKET SockRaw = socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_IP);

绑定本地IP地址

为了接收网络数据包，我们需要绑定本地IP地址。通过gethostbyname函数获取本地主机名，并使用bind函数绑定套接字与本地地址。

struct hostent* pHost;
gethostname(szHostName, 56);
if ((pHost = gethostbyname(szHostName)) == NULL)
    return -1;

addr_in.sin_family = AF_INET;
addr_in.sin_port = htons(0);
memcpy(&addr_in.sin_addr.S_un.S_addr, pHost->h_addr_list[0], pHost->h_length);

if (bind(SockRaw, (PSOCKADDR)&addr_in, sizeof(addr_in)) == SOCKET_ERROR)
    return -1;

开启混杂模式

通过ioctlsocket函数调用SIO_RCVALL控制代码，开启混杂模式，接收所有的IP包。

DWORD dwValue = 1;
if (ioctlsocket(SockRaw, SIO_RCVALL, &dwValue) != 0)
    return -1;

实时接收与解析数据包

使用recv函数接收数据包，根据协议类型进行解析。本文示例中仅对TCP和UDP进行了简单的解析，可以根据实际需要扩展解析功能。

while (TRUE)
{
    nRet = recv(SockRaw, buff, 1024, 0);
    if (nRet > 0)
    {
        DecodeIPPacket(buff);
    }
}

解析IP包

根据IP包的协议类型，将数据包传递给相应的解析函数。

void DecodeIPPacket(char* pData)
{
    IPHeader* pIPHdr = (IPHeader*)pData;
    // ...
    switch (pIPHdr->ipProtocol)
    {
    case IPPROTO_TCP:
        DecodeTCPPacket(pData + nHeaderLen, szSourceIp, szDestIp);
        break;
    case IPPROTO_UDP:
        DecodeUDPPacket(pData + nHeaderLen, szSourceIp, szDestIp);
        break;
    }
}

解析TCP包与UDP包

根据TCP或UDP包的特征进行解析，例如获取源端口、目标端口等信息。

void DecodeTCPPacket(char* pData, char* szSrcIP, char* szDestIp)
{
    TCPHeader* pTCPHdr = (TCPHeader*)pData;
    // ...
}

void DecodeUDPPacket(char* pData, char* szSrcIP, char* szDestIp)
{
    UDPHeader* pUDPHdr = (UDPHeader*)pData;
    // ...
}

实时监控网络流量

通过以上步骤，我们实现了一个简单的网络数据包捕获工具。该工具可以实时监控网络流量，解析TCP和UDP包，并输出源地址、目标地址、端口信息以及TCP的状态等信息，完整代码如下；

#include <winsock2.h>
#include <stdio.h>
#include <mstcpip.h>

#pragma comment(lib, "Advapi32.lib")
#pragma comment (lib, "ws2_32")

typedef struct _IPHeader      // 20字节的IP头
{
  UCHAR     iphVerLen;      // 版本号和头长度（各占4位）
  UCHAR     ipTOS;          // 服务类型
  USHORT    ipLength;       // 封包总长度，即整个IP报的长度
  USHORT    ipID;       // 封包标识，惟一标识发送的每一个数据报
  USHORT    ipFlags;        // 标志
  UCHAR     ipTTL;        // 生存时间，就是TTL
  UCHAR     ipProtocol;     // 协议，可能是TCP、UDP、ICMP等
  USHORT    ipChecksum;     // 校验和
  ULONG     ipSource;       // 源IP地址
  ULONG     ipDestination;  // 目标IP地址
} IPHeader, *PIPHeader;

typedef struct _TCPHeader   // 20字节的TCP头
{
  USHORT  sourcePort;     // 16位源端口号
  USHORT  destinationPort;  // 16位目的端口号
  ULONG sequenceNumber;   // 32位序列号
  ULONG acknowledgeNumber;  // 32位确认号
  UCHAR dataoffset;     // 高4位表示数据偏移
  UCHAR flags;        // 6位标志位    
  USHORT  windows;      // 16位窗口大小
  USHORT  checksum;     // 16位校验和
  USHORT  urgentPointer;    // 16位紧急数据偏移量 
} TCPHeader, *PTCPHeader;

typedef struct _UDPHeader
{
  USHORT      sourcePort;   // 源端口号   
  USHORT      destinationPort;// 目的端口号    
  USHORT      len;      // 封包长度
  USHORT      checksum;   // 校验和
} UDPHeader, *PUDPHeader;

void DecodeTCPPacket(char *pData, char *szSrcIP, char *szDestIp)
{
  TCPHeader *pTCPHdr = (TCPHeader *)pData;

  printf("[TCP] 源地址: %15s:%5d --> 目标地址: %15s:%5d 状态: ",
    szSrcIP,ntohs(pTCPHdr->sourcePort),szDestIp,ntohs(pTCPHdr->destinationPort));
  
  switch (pTCPHdr->flags)
  {
  case 0x1: printf("TCP_FIN \n"); break;
  case 0x2: printf("TCP_SYN \n"); break;
  case 0x4: printf("TCP_RST \n"); break;
  case 0x8: printf("TCP_PSH \n"); break;
  case 0x10: printf("TCP_ACK \n"); break;
  default:printf("None \n"); break;
  }

  // 根据端口号判断协议类型
  switch (ntohs(pTCPHdr->destinationPort))
  {
  case 21:
    // 解析FTP的用户名和密码
    pData = pData + sizeof(TCPHeader);
    if (strncmp(pData, "USER ", 5) == 0)
      printf("FTP用户名: %s \n", pData + 4);
    if (strncmp(pData, "PASS ", 5) == 0)
      printf("FTP密码: %s \n", pData + 4);
    break;
  case 80:
    printf("%s \n", pData + sizeof(TCPHeader));
    break;
  }
}

void DecodeUDPPacket(char *pData, char *szSrcIP, char *szDestIp)
{
  UDPHeader *pUDPHdr = (UDPHeader *)pData;

  printf("[UDP] 源地址: %15s:%5d --> 目标地址: %15s:%5d \n",
    szSrcIP,ntohs(pUDPHdr->sourcePort),szDestIp,ntohs(pUDPHdr->destinationPort));
}

void DecodeIPPacket(char *pData)
{
  IPHeader *pIPHdr = (IPHeader*)pData;

  in_addr source, dest = {0};
  char szSourceIp[32], szDestIp[32];

  // 从IP头中取出源IP地址和目的IP地址
  source.S_un.S_addr = pIPHdr->ipSource;
  dest.S_un.S_addr = pIPHdr->ipDestination;
  strcpy(szSourceIp, inet_ntoa(source));
  strcpy(szDestIp, inet_ntoa(dest));

  // IP头长度
  int nHeaderLen = (pIPHdr->iphVerLen & 0xf) * sizeof(ULONG);

  switch (pIPHdr->ipProtocol)
  {
  case IPPROTO_TCP:  // 如果是TCP协议,则继续解析
    DecodeTCPPacket(pData + nHeaderLen, szSourceIp, szDestIp);
    break;
  case IPPROTO_UDP:  // UDP协议的解析
    DecodeUDPPacket(pData + nHeaderLen, szSourceIp, szDestIp);
    break;
  }
}

int main(int argc, char* argv[])
{
  WSADATA  wsa;

  if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsa) != 0)
    return -1;

  // 创建原始套接字,过滤IP数据包
  SOCKET SockRaw = socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_IP);

  // 获取本地IP地址
  char szHostName[56];
  SOCKADDR_IN addr_in;
  struct hostent *pHost;
  gethostname(szHostName, 56);
  if ((pHost = gethostbyname((char*)szHostName)) == NULL)
    return -1;

  // 在调用ioctl之前，套节字必须绑定
  addr_in.sin_family = AF_INET;
  addr_in.sin_port = htons(0);
  // 此处的网卡pHost->h_addr_list[0] 不同机器序号不同
  memcpy(&addr_in.sin_addr.S_un.S_addr, pHost->h_addr_list[0], pHost->h_length);
  printf("绑定IP地址为: %s \n", inet_ntoa(addr_in.sin_addr));

  if (bind(SockRaw, (PSOCKADDR)&addr_in, sizeof(addr_in)) == SOCKET_ERROR)
    return -1;

  // 设置SIO_RCVALL控制代码,接收所有的IP包
  DWORD dwValue = 1;
  if (ioctlsocket(SockRaw, SIO_RCVALL, &dwValue) != 0)
    return -1;

  // 开始接收封包
  char buff[4096];
  int nRet;
  while (TRUE)
  {
    nRet = recv(SockRaw, buff, 1024, 0);
    if (nRet > 0)
    {
      DecodeIPPacket(buff);
    }
  }
  closesocket(SockRaw);
  WSACleanup();
  return 0;
}

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