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一、要求
实现一个流量分析程序，具体要求：
Windows 平台上，基于 WinPcap，图形用户界面，编程语言不限；
输入捕获条件（IP 地址、时间段），输出 IP 分组主要字段（版本、协议、源地址与目的地址），实现 IP 流量排序（按协议或 IP 地址）；
撰写说明文档，包括：编程环境、关键问题、程序流程、测试截图等；
提交全部程序，包括：源代码、可执行程序、说明文档等。
二、IP 数据包格式
IP 协议位于网络层，是 TCP/IP 协议簇中的核心协议，提供数据传输的最基本服务，是实现网络互联的基本协议。IP 分组的结构如表 2.1 所示。RFC791 是最早的 IP 协议的文本，它对 IP 分组结构做出了明确的规定。IP 数据报是一个与硬件无关的虚拟包，由首部和数据两部分组成。首部的前一部分是固定长度，共 20 字节，是所有 IP 数据报必须具有的。在首部的固定部分的后面是一些可选字段，其长度是可变的。首都中的源地址和目的地址都是 IP 协议地址。
| 版本（4 位） | 头长（4 位） | 服务类型（8 位） | 封包总长度（16 位） | 封包总长度（16 位） |
|---|---|---|---|---|
| 封包标识（16 位） | 封包标识（16 位） | 封包标识（16 位） | 标志（3 位） | 片断偏移地址（13 位） |
| 存活时间（8 位） | 存活时间（8 位） | 协议（8 位） | 校验和（16 位） | 校验和（16 位） |
| 来源 IP 地址（32 位） | 来源 IP 地址（32 位） | 来源 IP 地址（32 位） | 来源 IP 地址（32 位） | 来源 IP 地址（32 位） |
| 目的 IP 地址（32 位） | 目的 IP 地址（32 位） | 目的 IP 地址（32 位） | 目的 IP 地址（32 位） | 目的 IP 地址（32 位） |
| 选项（可选） | 选项（可选） | 选项（可选） | 填充（可选） | 填充（可选） |
| 数据 | 数据 | 数据 | 数据 | 数据 |
表 2.1 IP 包结构
IP 分组结构的各个字段含义如下：
版本：占 4 位（bit），指 IP 协议的版本号。目前的主要版本为 IPV4，即第 4 版本号，也有一些教育网和科研机构在使用 IPV6。在进行通信时，通信双方的 IP 协议版本号必须一致，否则无法直接通信。
首部长度：占 4 位（bit），指 IP 报文头的长度。最大的长度（即 4 个 bit 都为 1 时）为 15 个长度单位，每个长度单位为 4 字节（TCP/IP 标准，DoubleWord），所以 IP 协议报文头的最大长度为 60 个字节，最短为上图所示的 20 个字节。
服务类型：占 8 位（bit），用来获得更好的服务。其中的前 3 位表示报文的优先级，后面的几位分别表示要求更低时延、更高的吞吐量、更高的可靠性、更低的路由代价等。对应位为 1 即有相应要求，为 0 则不要求。
总长度：16 位（bit），指报文的总长度。注意这里的单位为字节，而不是 4 字节，所以一个 IP 报文最大长度为 2^16 - 1=65535 字节。
标识（identification）：该字段标记当前分片为第几个分片，在数据报重组时很有用。
标志（flag）：该字段用于标记该报文是否为分片（有一些可能不需要分片，或不希望分片），后面是否还有分片（是否是最后一个分片）。
片偏移：指当前分片在原数据报（分片前的数据报）中相对于用户数据字段的偏移量，即在原数据报中的相对位置。
生存时间：TTL（TimetoLive）。该字段表明当前报文还能生存多久。每经过 1ms 或者一个网关，TTL 的值自动减 1，当生存时间为 0 时，报文将被认为目的主机不可到达而丢弃。使用过 Ping 命令的用户应该有印象，在 windows 中输入 ping 命令，在返回的结果中即有 TTL 的数值。
协议：该字段指出在上层（网络 7 层结构或 TCP/IP 的传输层）使用的协议，可能的协议有 UDP、TCP、ICMP、IGMP、IGP 等。
首部校验和：用于检验 IP 报文头部在传播的过程中是否出错，主要校验报文头中是否有某一个或几个 bit 被污染或修改了。
源 IP 地址：32 位（bit），4 个字节，每一个字节为 0～255 之间的整数，及我们日常见到的 IP 地址格式。
源 IP 地址：32 位（bit），4 个字节，每一个字节为 0～255 之间的整数，及我们日常见到的 IP 地址格式
目的 IP 地址：32 位（bit），4 个字节，每一个字节为 0～255 之间的整数，及我们日常见到的 IP 地址格式。
三、开发环境
| 硬件环境 | Intel® Core™i7 CPU, 16.00GB DDR |
|---|---|
| 操作系统 | Microsoft Windows 10 |
| 开发环境 | Qt Creator 4.10.0 |
| 编程语言 | C++ |
| 界面框架 | Qt |
四、程序流程图
五、关键问题
5.1 数据包捕获
程序抓取数据包的主要流程为：
- 通过 pcap_findalldevs 函数获取主机当前所有的网卡设备名称；
- 用户选择网卡后便确定了网卡名，通过 pcap_open 函数打开指定网卡；
- 在获取网卡设备后通过 pcap_compile 函数编译过滤表达式；
- 将上一步设置的过滤器通过 pcap_setfilter 函数绑定至该网卡，以便网卡按照既定规则进行数据包的抓取；
- 通过 pcap_next_ex 函数即可进行数据包的捕获，该函数的返回值为按字节存储的数据。
5.2 数据包解析
在上一部分中，我们介绍了如何通过 WinPcap 库提供的函数进行数据包的捕获。为了解析数据包的各个字段，我们定义了“以太网首部”结构体以及“IP 数据包”结构体。在得到 pcap_next_ex 函数的返回值后，我们将原始包数据强制类型转换为上述两种结构体即可通过’->’操作符获取相应的字段值。
六、测试截图
6.1 主页面展示
程序界面主要包括三部分：网卡设备选择、分析选项以及流量分析。
“网卡设备选择”主要给用户提供选择要监听的网卡。
“分析选项”给用户提供了筛选数据包的功能，可筛选的字段包括：源地址、目的地址以及传输层协议类型。“一键导出”功能可以供用户方便地将抓取的流量数据导出为 CSV 格式文件。
“流量分析”将捕获的数据包以列表形式展示给用户，解析字段包括：IP 版本号、传输层协议、源地址、目的地址以及捕获时间。
6.2 IP 数据包获取
数据包列表
用户通过点击界面上的“开始抓取”按钮即可开始抓包工作。当抓取到数据包后，列表控件将解析后的数据包字段填充至新一行，并且自动滚动至列表最下方。如此一来，用户即可实时查看到抓取数据包的情况。
数据包排序
用户通过点击“流量分析”表格控件上方的“协议”或“时间”条目，即可对表格中的数据包按照相应的条目进行排序显示。当点击“协议”条目时，表格中的数据项会自动按照相同协议组合在一起。当点击“时间”条目时，表格中的数据项会按照相同时间组合在一起，并可按照时间的升序或降序排列。
6.3 IP 数据包过滤
地址筛选
用户可以通过在“分析选项”中的“源地址”、“目的地址”和“协议类型”设置抓取数据包的规则。当用户设置了“源地址”规则，程序抓取数据包时会匹配其“源地址”字段，若符合该规则，那么表格控件会添加上该数据包的详细信息。“目的地址”规则同样会过滤数据包的“目的地址”字段，满足规则的数据包会呈现在表格控件。
协议筛选
“协议类型”规则提供了四种传输层协议，其会过滤数据包的“协议”字段，若满足规则就将该数据包添加至表格控件。如下图，设置了“源地址”为“192.168.190.133”，协议类型为“TCP”，那么程序会按照规则匹配数据包的相应字段是否符合规则，若满足条件则该数据包被添加至表格控件。
6.4 IP 数据包导出
用户可以点击“分析选项”中的“一键导出”按钮，若此时表格控件存在捕获的数据包信息，那么会弹出“保存文件”提示框进行保存操作。导出的文件格式为.csv，包含表格控件中的所有信息，如：表头、对应列的所有数据包信息。具体保存信息情况如下图所示。
时表格控件存在捕获的数据包信息，那么会弹出“保存文件”提示框进行保存操作。导出的文件格式为.csv，包含表格控件中的所有信息，如：表头、对应列的所有数据包信息。具体保存信息情况如下图所示。
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