C/C++ 原生套接字抓取FTP数据包

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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