試驗(yàn)四IP包的分片和重組

1、實(shí)驗(yàn)四 IP包的分片和重組實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^實(shí)驗(yàn)掌握IP數(shù)據(jù)包的分片和重組的方法。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容對一個(gè)較長的IP分組進(jìn)行分片，然后再將所有的分片重新組裝成一個(gè)IP分組。實(shí)驗(yàn)要求(1) 從數(shù)據(jù)包文件如“packet.pkt”中讀取分組，并輸入一個(gè)整數(shù)值作為MTU。首先計(jì)算分組頭校驗(yàn)和，判斷分組接收是否正確，然后檢查分組長度是否超過MTU。如果長度超過MTU，則檢查DF位：若DF位為1，打印出錯(cuò)信息；否則對IP包進(jìn)行分片，生成各分片的文件，如Fragment1.pkt、Fragment2.pkt等。(2) 讀取上一步得到的各分片文件，首先計(jì)算頭校驗(yàn)，檢查分片是否正確；然后將各個(gè)分片組裝成一個(gè)完整的分組，并保存

2、在一個(gè)數(shù)據(jù)包文件如“MergedPkt.pkt”中；比較MergePkt.pkt與原始的packet.pkt的數(shù)據(jù)部分內(nèi)容，以檢驗(yàn)分組分片和重組是否成功。嘗試不按順序讀入各個(gè)片段，驗(yàn)證重組程序是否仍然能夠正確重組分組。實(shí)驗(yàn)提示(1) IP數(shù)據(jù)包的格式為：與數(shù)據(jù)報(bào)的分片與重組有關(guān)的字段是：總長度、標(biāo)識(shí)、標(biāo)志、分片偏移、TTL、16位首部校驗(yàn)和。總長度：總長度以字節(jié)為單位，指該IP數(shù)據(jù)報(bào)的總大小，包括首部的20字節(jié)以及實(shí)際的來自應(yīng)用層的數(shù)據(jù)。判斷一個(gè)數(shù)據(jù)包是否要進(jìn)行分片，就是將收到的數(shù)據(jù)報(bào)的總長度與MTU進(jìn)行比較。如果總長度大于MTU，就需要進(jìn)行分片。標(biāo)識(shí)：這個(gè)16位的字段標(biāo)識(shí)從源主機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)報(bào)

3、。當(dāng)數(shù)據(jù)報(bào)離開源主機(jī)時(shí)，這個(gè)標(biāo)識(shí)與源IP地址唯一地定義了這個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)。為了保證唯一性，IP協(xié)議使用了一個(gè)計(jì)數(shù)器來標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)報(bào)。當(dāng)IP協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，就把這個(gè)計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值復(fù)制到標(biāo)識(shí)字段中，并把這個(gè)計(jì)數(shù)器的值加1。當(dāng)數(shù)據(jù)報(bào)被分片時(shí)，標(biāo)識(shí)字段的值就被復(fù)制到所有的分片中，即同一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的所有分片具有相同的標(biāo)識(shí)。這個(gè)標(biāo)識(shí)主要是用于在分片組裝的時(shí)候?qū)γ總€(gè)分片屬于哪個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行判斷。本次實(shí)驗(yàn)只考慮對同一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行分片，并把這些分片重新組裝，因此不需要做這個(gè)判斷，只要直接把標(biāo)識(shí)拷貝到各分片中即可。標(biāo)志：這是一個(gè)3位的字段，如下圖所示：第一個(gè)比特保留為以后用；第二個(gè)比特是不分片(Do not fragment

4、)位。若這個(gè)值是1，機(jī)器就不能把該數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行分片。若無法把這個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)通過任何可用的物理網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，就丟棄這個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)，并向源主機(jī)發(fā)送ICMP差錯(cuò)報(bào)文。若這個(gè)值為0，則在需要的時(shí)候可把這個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行分片。第三個(gè)比特是還有分片(More fragment)，若這個(gè)值是1，則表示這個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)不是最后的分片，這個(gè)分片后面還有更多的分片。若這個(gè)值是0，則表示這已是最后的或者是唯一的分片。分片偏移：這個(gè)13位的字段表示這個(gè)分片在整個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)中的相對位置。是在原始數(shù)據(jù)報(bào)中的數(shù)據(jù)偏移量，以8字節(jié)為度量單位。這樣做是因?yàn)榉制谱侄沃挥?3bit長，它不能表示超過8191的字節(jié)數(shù)。而IP數(shù)據(jù)報(bào)最大的長度為65535

5、字節(jié)，因此按8字節(jié)為單位可以用13位來表示更多的字節(jié)。把數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行分片的主機(jī)或路由器必須選擇每個(gè)分片的長度，使得這個(gè)長度可以被8整除。如下圖所示，一個(gè)具有4000字節(jié)的數(shù)據(jù)報(bào)，當(dāng)MTU=1420字節(jié)的時(shí)候，被劃分為3個(gè)分片，每個(gè)分片長度為1400字節(jié)，1400字節(jié)是可以被8整除的。為減少分片的數(shù)量，每個(gè)分片的長度應(yīng)盡可能大。為用片偏移表示片段的起始位置，除最后一個(gè)分片外，其它分片的長度(數(shù)據(jù)部分，不包括IP頭)應(yīng)能被8整除。如MTU=505的時(shí)候，除去20字節(jié)IP頭，可以傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)段長度為485字節(jié)，但可被8整除及不不超過485的最大整數(shù)為480，需要按480來進(jìn)行分片。TTL：在分片的時(shí)

6、候需要對原數(shù)據(jù)報(bào)的TTL進(jìn)行減1操作，組裝的時(shí)候不需要此操作。首部檢驗(yàn)和：對于每一個(gè)分片，設(shè)置好各自的總長度、標(biāo)識(shí)、標(biāo)志、片偏移、TTL之后，需要重新對該IP報(bào)頭重新計(jì)算校驗(yàn)和。(2) IP數(shù)據(jù)報(bào)頭的C語言定義可以用類似如下的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：typedef struct tagIPHDRunsigned char VIHL;/Version and IHLunsigned char TOS;/Type Of Serviceshort TotalLen;/Total Lengthshort ID;/IDentificationshort FlagOff;/Flags and Fragment Offs

7、etunsigned char TTL;/Time To Liveunsigned char Protocol;/Protocolunsigned short Checksum;/Checksumunsigned long SrcAddr;/Source Addressunsigned long DstAddr;/Destination AddressIPHDR,*PIPHDR;對各個(gè)域進(jìn)行操作時(shí)要注意網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序與主機(jī)字節(jié)序的不同。對于8位的域，如TOS、TTL等不存這個(gè)問題。但對于16位的域，如總長度TotalLen，從二進(jìn)制文件中讀出來的TotalLen域從左到右為0000 0000 00

8、10 0100（即0x0024），即38，但如果直接unsigned short length=IPhead.TotalLen時(shí)這個(gè)值不等于38。這主要是由于多字節(jié)數(shù)字在內(nèi)存中存儲(chǔ)方式不同造成的，即大尾端小尾端的問題。解決此問題可以用ntohs函數(shù)來解決，即unsigned short length=ntohs(IPhead.TotalLen)，時(shí)length就等于38了。在操作16位的總長度和16位的首部校驗(yàn)和的時(shí)候需要注意這一點(diǎn)，不然使用位運(yùn)算的時(shí)候會(huì)出錯(cuò)。同樣對于32位源地址/目的地址也有這樣的問題，但本次實(shí)驗(yàn)不涉及IP地址的操作。(3) 給定的數(shù)據(jù)文件如packet.pkt是二進(jìn)制文件

9、，不能用普通的文本瀏覽器瀏覽，可以使用如UltraEdit或WinHex等二進(jìn)制瀏覽器打開，其中不帶選項(xiàng)的分組頭為20字節(jié)，如圖所示：即IP頭為45 00 65 1A 37 A4 00 00 7F 06 EC 30D3 56 92 89 D2 2D 7A FB各個(gè)域?qū)懗啥M(jìn)制形式對應(yīng)到IP頭的各個(gè)域即可。在程序中打開IP數(shù)據(jù)報(bào)文件的時(shí)候需要以二進(jìn)制的方式打開，可以使用fstream的文件流來進(jìn)行文件讀取操作。#include ifstream SrcFileName(argv2,ios:in|ios:binary);IPHDR IPHead;Int IPHeadSize=20;SrcPkt.r

10、ead(char *)&IPHead,IPHeadSize)則從文件名為argv2所表示的字符串的文件中讀取了20個(gè)字節(jié)的內(nèi)容填充到了IPHead的各個(gè)域中。同樣，二進(jìn)制寫入到文件中也可以使用fstream流。如ofstream fragment(filename,ios:out|ios:binary);fragment.write(char *)buf,IPHeadSize+nLastFragmentSize);則可以將buf指針指示的一塊大小為IPHeadSize+nLastFragmentSize字節(jié)的數(shù)據(jù)寫入到文件filename所指示的文件中，F(xiàn)ilename是一個(gè)字符串，表示文件名

11、。(4) 在編程過程中需要使用htons和ntohs函數(shù)，這需要包含Winsock庫，具體操作為：1）在頭文件中添加#include 2）在VC+ 6.0中選擇“工程”“設(shè)置”“工程設(shè)置”“Link” “對象/庫模塊”中加入“ws2_32.lib”。(5)、將片段組織成IP分組時(shí)，先拷貝原始的IP報(bào)頭，再對其中的相關(guān)域進(jìn)行修改，包括：總長度（新的數(shù)據(jù)包長度），MF（最后一個(gè)片段的MF=0），片偏移，TTL（減1），頭校驗(yàn)設(shè)為0，然后進(jìn)行校驗(yàn)，把最終校驗(yàn)結(jié)果填到Checksum域中。注意片偏移是以8字節(jié)為單位計(jì)算的。(6) 計(jì)算頭校驗(yàn)時(shí)，首先將頭校驗(yàn)字段置為0，然后將報(bào)頭中所有16位字進(jìn)行二進(jìn)制

12、反碼求和，其結(jié)果即為頭校驗(yàn)。收到報(bào)文進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，將報(bào)頭中所有16位字進(jìn)行二進(jìn)制反碼求和，如果結(jié)果正確，和為全1（取反為0）。校驗(yàn)和的計(jì)算請參看附錄B。(7) 對片段進(jìn)行重組時(shí)，根據(jù)MF判斷是否收到最后一個(gè)片段，根據(jù)最后一個(gè)片段的偏移值和片段長度計(jì)算出原始數(shù)據(jù)報(bào)的總長度，根據(jù)已經(jīng)收到的各個(gè)片段的長度之和判斷是否所有的片段都已經(jīng)到達(dá)，如果全部到達(dá)就可以開始重組?？梢詫⑹盏降乃衅伟凑掌浦档拇笮【S護(hù)在一個(gè)有序的鏈表中，最后一次合并。為簡單起見，假定片段都是屬于同一個(gè)報(bào)文的，因此可不對源地址和分組標(biāo)識(shí)進(jìn)行檢查，且只需維護(hù)一個(gè)片段鏈表。(8) 在Intel環(huán)境下，對多字節(jié)數(shù)據(jù)如unsigned sh

13、ort進(jìn)行操作時(shí)注意網(wǎng)絡(luò)主機(jī)字節(jié)序的轉(zhuǎn)換。(9) 請用C或C+語言編寫。實(shí)驗(yàn)要求(1)、完成一個(gè)分片程序，輸入為一個(gè)以二進(jìn)制形式存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包文件，如packet1.pkt，以及MTU如MTU=500，要求輸出是否允許分片、是否需要分片，如果分片則需要生成各個(gè)片段，分別存儲(chǔ)在類似fragmetn0.pkt、fragment1.pkt、fragment2.pkt的二進(jìn)制文件中。輸入?yún)?shù)為：數(shù)據(jù)包文件名、MTU的值。(2)、完成一個(gè)組裝程序，輸入為(1)步中生成的各片段文件名，要求生成組裝完成后的數(shù)據(jù)包二進(jìn)制文件，如MergedPkt.pkt，并提取出最終組裝得到的IP包中的數(shù)據(jù)(即剝掉20字節(jié)的I

14、P頭)，以二進(jìn)制形式存儲(chǔ)在Original.dat文件中。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)建議兩個(gè)同學(xué)一組完成本次實(shí)驗(yàn)，一人編寫分片程序，一人編寫重組程序。本實(shí)驗(yàn)的助教為赫衛(wèi)卿，有問題請發(fā)信到deane。本實(shí)驗(yàn)報(bào)告及源代碼的提交截止日期為12月23日，請使用文件名：“學(xué)號(hào)A+學(xué)號(hào)B+實(shí)驗(yàn)4.rar”，如“PB05210001+PB05210004+實(shí)驗(yàn)4.rar”發(fā)送到deane。實(shí)驗(yàn)報(bào)告中請給出程序的使用方法。附錄A 一個(gè)示例同學(xué)們可從課程主頁上下載第四次實(shí)驗(yàn)示例.rar文件，解壓之后里面有3個(gè)可執(zhí)行程序。1、GenPkt.exe該程序主要用于生成本次實(shí)驗(yàn)所需的輸入文件。其使用過程如下：其中IPHeader.con

15、f是對IP報(bào)頭的一些配置信息，內(nèi)容為Version 4HeadLength 5TOS 0Identification 14244DoNotFragment 0MoreFragment 0Offset 0TTL 127Protocol 17SrcAddr 211.86.146.137DstAddr 210.45.122.251可以根據(jù)需要修改相應(yīng)的值來獲得不同的數(shù)據(jù)報(bào)。1.jpg是用來填充IP數(shù)據(jù)部分的文件，可以是文本文件，二進(jìn)制可執(zhí)行文件，圖片等等，在最后進(jìn)行組裝正確性驗(yàn)證的時(shí)候，需要比較該文件與最后組裝完成后獲得的文件是否一致。packet.pkt則是生成的二進(jìn)制文件，包括一個(gè)20字節(jié)的IP

16、頭，然后接著的數(shù)據(jù)就是來自1.jpg里的二進(jìn)制拷貝。2、Fragment.exe用來根據(jù)MTU對數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行分片。其使用方法為：packet.pkt為第一步中生成的數(shù)據(jù)報(bào)文件，5000為MTU(字節(jié)數(shù))，分片程序根據(jù)總長度與MTU的比較來決定是否需要分片，同時(shí)需要檢查D位是否允許分片。如果允許分片且需要分片，則產(chǎn)生分片，本例中產(chǎn)生了6個(gè)分片。3、MergeFragment.exe，該程序?yàn)楹喜⒎制Ｆ涫褂梅椒椋浩漭斎霝樯弦徊街猩傻母鱾€(gè)分片的數(shù)據(jù)文件，可以不按生成分片的順序合并。組裝完成之后會(huì)生成兩個(gè)文件，MergedPkt.pkt和Original.dat，MergedPkt.pkt中存放合

17、并之后生成的數(shù)據(jù)報(bào)，Original.dat中以二進(jìn)制形式存放著在(1)中“1.jpg”中的內(nèi)容，如果把Original.dat改名為Original.jpg，則兩幅圖片應(yīng)該是一樣的。實(shí)驗(yàn)中同學(xué)們可以使用GenPkt.exe來生成本次實(shí)驗(yàn)所需的數(shù)據(jù)報(bào)原始數(shù)據(jù)，要求同學(xué)們完成Fragment.exe和MergeFragment.exe的功能。各步驟所生成的各類文件命名規(guī)則可以自定，但都需要以下幾個(gè)文件：各分片文件，如fragment0.pkt。最終組裝而成的文件，如MergedPkt.pkt從組裝而成的文件中提取出來的數(shù)據(jù)單獨(dú)存成一個(gè)文件，如Original.dat附錄B：校驗(yàn)和的計(jì)算這個(gè)附錄給出在二進(jìn)制記法中如何進(jìn)行校驗(yàn)和的計(jì)算。B.1二進(jìn)制記法B.1.1部分和首先，我們計(jì)算如圖B-1所示的部分和。我們把每一列相加，如果有進(jìn)位，就加到下一列。注意以下幾點(diǎn)：圖B-1 二進(jìn)制記法的部分和l 當(dāng)我們加第1列(最右邊一列)的時(shí)候，我們得到7。在二進(jìn)制中，數(shù)7是111。我們保留最右邊的1，把其余的位進(jìn)到第2列和第3列。l 當(dāng)我們加第2列時(shí)，我們計(jì)入從第1列來的進(jìn)位。結(jié)果是8，它是二進(jìn)制的1000。我們保留第一個(gè)位(最右邊的)，把其余1