基于WinCE的網(wǎng)絡嗅探器的設計與實現(xiàn)

胡昊南，張治中

(重慶郵電大學通信網(wǎng)與測試技術重點實驗室，重慶 400065)

網(wǎng)絡嗅探器是利用共享式的網(wǎng)絡傳輸介質(zhì)，能夠捕獲和解析來自數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層和傳輸層等底層網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包的工具。隨著網(wǎng)絡需求和網(wǎng)絡規(guī)模的日益增大，保持網(wǎng)絡的高性能運行難度增大，網(wǎng)絡嗅探器能夠監(jiān)測網(wǎng)絡的運行狀況，快速定位和解決網(wǎng)絡故障，保證網(wǎng)絡高速有效運行。由于嵌入式設備在網(wǎng)絡評估和監(jiān)測中得到了廣泛應用，在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包的捕獲和分析具有重要的意義［1－2］。

本文分析了Winpcap(Windows Packet Capture)庫函數(shù)的架構和網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包的傳遞流程，研究了NDIS(Network Driver Interface Standard)網(wǎng)絡驅(qū)動程序與該實現(xiàn)方案的聯(lián)系，給出了一種基于WinCE嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡嗅探器的設計和實現(xiàn)方案，該方案具有良好的兼容性和適用性，能夠滿足實際網(wǎng)絡監(jiān)測的要求［3－4］。

1 網(wǎng)絡嗅探器基本工作原理

1.1 網(wǎng)卡混雜模式

網(wǎng)卡混雜模式是網(wǎng)卡的一種特殊工作模式，在該工作模式下，網(wǎng)卡不對目的地址進行判斷，而直接將收到的所有數(shù)據(jù)包傳遞給上層進行處理［5］。必須將網(wǎng)卡置于混雜模式才能實現(xiàn)網(wǎng)絡嗅探器。

1.2 NDIS網(wǎng)絡驅(qū)動程序

NDIS是網(wǎng)絡驅(qū)動程序接口規(guī)范的簡稱。它橫跨數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層和傳輸層，定義了網(wǎng)卡驅(qū)動程序與上層協(xié)議驅(qū)動程序之間的通信接口規(guī)范，屏蔽了底層物理硬件的不同所帶來的影響，使上層協(xié)議驅(qū)動程序可以和底層任何型號的網(wǎng)卡進行通信［6］。NDIS支持三種類型的驅(qū)動程序，分別為協(xié)議驅(qū)動程序、中間驅(qū)動程序和微端口驅(qū)動程序。

1.3 Winpcap移植

Winpcap是Windows平臺下一個免費為應用程序提供訪問網(wǎng)絡底層能力的系統(tǒng)。微軟為WinCE系統(tǒng)提供了開源的 PacketCE。PacketCE由 DRIVER，DLL和 SampleApp三個工程組成，其依賴關系如圖1所示。其中DRIVER工程是一個流驅(qū)動程序;DLL工程為上層應用程序提供流驅(qū)動程序的封裝接口;SampleApp是可參照的示例程序。目前最高版本的PacketCE不能直接在操作系統(tǒng)WinCE5.0中使用，因此需要修改源碼進行移植。

圖1 PacketCE結構圖

2 網(wǎng)絡嗅探器軟件結構設計

2.1 方案選擇

實現(xiàn)網(wǎng)絡嗅探器有兩種方案。一種方案是使用Windows Socket編程中的原始套接字。原始套接字和其他套接字的不同之處在于它可工作在網(wǎng)絡層或數(shù)據(jù)鏈路層，而其他類型的套接字只能工作在傳輸層，所以使用原始套接字能夠監(jiān)聽數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)。但操作系統(tǒng)WinCE5.0中不支持使用原始套接字。

另一種方案是使用微軟提供的Winpcap函數(shù)庫，在WinCE中微軟提供的開源軟件PacketCE，因目前最高版本的PacketCE不能直接在操作系統(tǒng)WinCE5.0中使用，需自己搭建編譯環(huán)境、修改源碼對其進行移植。Winpcap的核心是NDIS中間驅(qū)動程序，與Windows Socket相比，NDIS具備更高的效率和功能擴展性。在Windows平臺下，使用NDIS是捕獲網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包最好的方法［6］。

本文采用的是移植微軟提供的Winpcap函數(shù)庫的方案，即使用NDIS中間驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡嗅探器。

2.2 軟件整體架構設計

軟件部分主要由網(wǎng)卡驅(qū)動程序、NDIS網(wǎng)絡驅(qū)動程序、操作系統(tǒng)和應用程序組成。其結構模型如圖2所示。本系統(tǒng)所使用的網(wǎng)卡芯片型號為DM9000，嵌入式ARM芯片的型號為S3C2440。經(jīng)分析知DM9000驅(qū)動程序由網(wǎng)卡驅(qū)動程序和NDIS微端口驅(qū)動程序組成，PacketCE由NDIS中間驅(qū)動程序、NDIS協(xié)議驅(qū)動程序和DLL接口組成。

網(wǎng)卡驅(qū)動程序通過處理網(wǎng)卡寄存器維持網(wǎng)卡的正常工作。中間驅(qū)動程序為微端口驅(qū)動程序提供協(xié)議驅(qū)動程序接口，為協(xié)議驅(qū)動程序提供微端口驅(qū)動程序接口［7］。DLL接口向上層應用程序提供驅(qū)動程序接口。數(shù)據(jù)包的捕獲基于NDIS中間層驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)，并依據(jù)過濾準則實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的接收過濾，向上層傳遞數(shù)據(jù)包。應用層程序進行過濾準則的設置和數(shù)據(jù)包的處理分析以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計和結果顯示。

2.3 軟件模塊設計

系統(tǒng)采用了模塊化的設計方法，各模塊之間相互獨立，便于功能的修改和擴展，提高了系統(tǒng)的可移植性、可維護性和可升級性。其軟件模塊結構如圖3所示。

圖2 軟件結構模型

圖3 軟件模塊設計圖

各個模塊的的作用如下:

1)過濾模塊

設置過濾準則，可選擇性地接收網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，屏蔽不關心的數(shù)據(jù)包，減輕對數(shù)據(jù)包的分析處理負擔，提高系統(tǒng)的監(jiān)聽效率。

2)數(shù)據(jù)包捕獲模塊

數(shù)據(jù)包解析模塊的基礎，實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包的捕獲。主要完成網(wǎng)卡信息列表的讀取、打開指定網(wǎng)卡、抓包的開始和停止功能。

3)數(shù)據(jù)包解析模塊

網(wǎng)絡嗅探器系統(tǒng)的核心是實現(xiàn)數(shù)據(jù)包協(xié)議的解碼并保存解碼后的信息。保存的信息包括數(shù)據(jù)包捕獲的時間、最高級協(xié)議類型、目的MAC地址和源MAC地址、目的IP地址和源IP地址、幀長度等信息。

4)控制模塊

控制整個系統(tǒng)的開始與停止，協(xié)調(diào)各個模塊之間的交互，完成對系統(tǒng)信息的設置，例如系統(tǒng)MAC地址、IP地址以及工作速率模式的設置。

5)顯示模塊

實現(xiàn)捕獲結果及測試過程附加信息的呈現(xiàn)。能夠顯示數(shù)據(jù)包解析模塊所保存的全部信息、接收的總包數(shù)量、測試起始時間和測試持續(xù)時間，并限制顯示的包詳細信息總數(shù)，節(jié)省占用的內(nèi)存。

3 網(wǎng)絡嗅探器的關鍵技術與模塊

3.1 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包傳遞流程

為了確保所捕獲的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包信息的正確性，了解網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包在系統(tǒng)中的傳遞流程，監(jiān)測網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包在各個位置的信息正確性成為必要。本文主要分析了系統(tǒng)中網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包從網(wǎng)卡驅(qū)動，流經(jīng)NDIS驅(qū)動程序，直至DLL接口的整個傳遞流程，如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包傳遞過程圖

當網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包到達網(wǎng)卡時，因初始化中斷，對網(wǎng)卡數(shù)據(jù)包的接收進行了監(jiān)控，所以首先調(diào)用網(wǎng)卡驅(qū)動層中的Dm9LookupRxBuffer()函數(shù)，判斷是否有有效的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包到達，并且調(diào)用DeviceReadString()函數(shù)完成對網(wǎng)卡接收寄存器中的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包內(nèi)數(shù)據(jù)的讀取，然后調(diào)用NDIS微端口驅(qū)動層中負責與NDIS中間驅(qū)動層交互的Ndis-MIndicateReceivePacket()函數(shù)，進而調(diào)用NDIS中間驅(qū)動層中的PacketRecieve()/ProtocalReceiveComplete()函數(shù)，完成數(shù)據(jù)從網(wǎng)卡寄存器到內(nèi)核緩沖區(qū)的轉(zhuǎn)移。這里的內(nèi)存緩沖區(qū)是一個PNDIS_PACKET結構體類型的變量，該結構體類型是指向PNDIS_BUFFER結構體類型的一個鏈表。DLL接口向上層應用程序提供PackeRecievePacket()函數(shù)，該函數(shù)調(diào)用NDIS協(xié)議驅(qū)動層的PKTRead()函數(shù)，PKTRead()函數(shù)與PacketReceive()函數(shù)通過一個全局句柄進行交互，完成從內(nèi)核緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)拷貝至用戶緩沖區(qū)的功能。

總結上述過程，當有網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包到達網(wǎng)卡時，先將網(wǎng)卡接收寄存器中的數(shù)據(jù)包復制到內(nèi)核緩沖區(qū)中，然后通過上層調(diào)用，將內(nèi)核緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)拷貝到用戶緩沖區(qū)中，最后再交給應用程序加工提取出有用的信息。在實現(xiàn)過程中，可根據(jù)上述流程進一步分析驗證網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包信息的正確性，定位網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包信息錯誤的原因，對理解NDIS網(wǎng)絡驅(qū)動程序的工作流程具有指導意義。

3.2 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包的捕獲

通過PacketGetAdapterNames()函數(shù)獲取網(wǎng)卡列表信息，所有信息以字符串的形式存儲在字符數(shù)組中。選擇并打開已選擇的網(wǎng)卡接口，通過設置Packet結構體類型變量中緩存的大小、超時時間等信息，初始化接收參數(shù)設置。通過PacketRecievePacket()函數(shù)接收網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包的所有數(shù)據(jù)存儲在Packet結構體類型變量的參數(shù)Buffer中。其捕獲流程如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包捕獲流程圖

3.3 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包的解析

利用NDIS中間驅(qū)動程序捕獲的數(shù)據(jù)包處在數(shù)據(jù)鏈路層，依次經(jīng)過了傳輸層、網(wǎng)絡層和數(shù)據(jù)鏈路層的封裝。因此，需要對所接收到的數(shù)據(jù)包進行進一步解析才能得到所需要的信息。本系統(tǒng)依次分析數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層和傳輸層的部分關鍵信息，不分析應用層的信息。

在數(shù)據(jù)包解析過程中，根據(jù)各種協(xié)議數(shù)據(jù)包包頭的格式，讀取接收網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包中相應位置的包頭，分析出該協(xié)議的各個字段值。在數(shù)據(jù)鏈路層信息解析過程中，首先根據(jù)以太網(wǎng)幀結構的協(xié)議類型字段判斷幀的類型，主要判斷的類型有ARP，RARP以及IP［8］。如果幀類型是IP，則需繼續(xù)根據(jù)IP數(shù)據(jù)報結構的協(xié)議類型字段判斷該數(shù)據(jù)報的傳輸層信息，主要判斷的類型是ICMP，IGMP，TCP以及UDP，再根據(jù)對應的包頭格式獲取有用的字段信息。

本系統(tǒng)中在接收的數(shù)據(jù)包信息前增加了20 byte的自定義信息(8 byte的幀接收時間信息、4 byte的Captured Portion Length信息、4 byte的Packet Original Length信息、2 byte的Bpf Header Length信息以及2 byte的邊緣對齊填充數(shù)據(jù))，可直接從該自定義信息中獲取所接收幀長度、幀接收時間的信息，需要考慮自定義信息對數(shù)據(jù)包解析過程所帶來的影響。網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包解析顯示結果如圖6所示。

圖6 網(wǎng)絡嗅探器結果顯示圖(截圖)

3.4 PacketCE在WinCE系統(tǒng)中的移植

分析PacketCE中DRIVER工程的OpenClose.c和Packet.c的源碼可知，DRIVER是一個NDIS中間驅(qū)動程序，在本質(zhì)上是一個流驅(qū)動程序，所以在Platform Builder5.0軟件中搭建了PacketCE的編譯環(huán)境。

在動態(tài)鏈接庫被加載后，流接口驅(qū)動程序的入口函數(shù)會第一個被調(diào)用，入口函數(shù)主要完成硬件的初始化工作。該流接口驅(qū)動程序的入口函數(shù)DWORD PKT_Init()首先定義并初始化了NDIS_PROTOCOL_CHARACTERISTICS類型結構體變量ProtocalChar，然后通過調(diào)用Ndis-RegisterProtocol()函數(shù)完成了NDIS協(xié)議驅(qū)動程序的注冊。網(wǎng)卡驅(qū)動程序不僅完成了對DM9000網(wǎng)卡芯片的驅(qū)動，還完成了對NDIS微端口驅(qū)動程序的實現(xiàn)和注冊。

移植時需分析在DRIVER工程中會調(diào)用到的微端口驅(qū)動程序，然后在微端口驅(qū)動程序中增加適當?shù)暮瘮?shù)并注冊，防止引起異常;在中間驅(qū)動程序中修改版本號等信息，并根據(jù)數(shù)據(jù)包交互流程，在對應的函數(shù)中作出相應的修改，重新編譯生成Packet.dll和Winpcap.dll動態(tài)鏈接庫，加載至WinCE操作系統(tǒng)中，配置好環(huán)境后，應用程序便可直接調(diào)用Winpcap庫函數(shù)。

3.5 測試驗證

在PC機端運行的Wireshark抓包軟件和在WinCE嵌入式系統(tǒng)運行的網(wǎng)絡嗅探器同時監(jiān)測統(tǒng)計同一個實際網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)包信息，以Wireshark的統(tǒng)計數(shù)據(jù)作為實際測試環(huán)境數(shù)據(jù)，將網(wǎng)絡嗅探器的接收包數(shù)量測試結果與其對比，計算出丟包率，結果如表1所示。

表1 測試驗證結果

從表中可得知，當發(fā)送包數(shù)量小于10000時，網(wǎng)絡嗅探器未出現(xiàn)丟包的情況。當發(fā)送包數(shù)量大于10000時，由于硬件CPU頻率和內(nèi)存大小的限制，導致出現(xiàn)輕微的丟包現(xiàn)象。未出現(xiàn)丟包情況時，Wireshark測試結果和網(wǎng)絡嗅探測試結果中對應編號的包協(xié)議類型、長度、源及目的MAC、源及目的IP均相同，所以該網(wǎng)絡嗅探器能夠基本滿足實際網(wǎng)絡中網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包捕獲的正確性和性能要求。

4 結束語

網(wǎng)絡嗅探器是多個模塊組成的系統(tǒng)，能夠監(jiān)測網(wǎng)絡運行狀況，是分析網(wǎng)絡性能、解決網(wǎng)絡故障的基礎。本文介紹了NDIS網(wǎng)絡驅(qū)動程序的基本結構，通過對NDIS驅(qū)動和Winpcap庫函數(shù)的分析，在WinCE嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)了網(wǎng)絡嗅探器的功能，著重闡述了網(wǎng)路數(shù)據(jù)包的傳遞流程、軟件結構設計和Winpcap的移植。本方案可在保證獲取信息正確的前提下修改移植的庫函數(shù)，在數(shù)據(jù)包前增加自定義信息，具有良好的結構性、擴展性和效率性，并能夠收發(fā)基于各層的各種協(xié)議數(shù)據(jù)包，接收獲取網(wǎng)絡中各層的信息。

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