实验四IP包的分片和重组.doc

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1、实验四实验四 IP 包的分片和重组包的分片和重组实验目的实验目的 通过实验掌握 IP 数据包的分片和重组的方法。实验内容实验内容 对一个较长的 IP 分组进行分片，然后再将所有的分片重新组装成一个 IP 分组。实验要求实验要求 (1) 从数据包文件如“packet.pkt”中读取分组，并输入一个整数值作为 MTU。首先计算 分组头校验和，判断分组接收是否正确，然后检查分组长度是否超过 MTU。如果长度超过 MTU，则检查 DF 位：若 DF 位为 1，打印出错信息；否则对 IP 包进行分片，生成各分片 的文件，如 Fragment1.pkt、Fragment2.pkt 等。 (2) 读取上一步

2、得到的各分片文件，首先计算头校验，检查分片是否正确；然后将各 个分片组装成一个完整的分组，并保存在一个数据包文件如“MergedPkt.pkt”中；比较 MergePkt.pkt 与原始的 packet.pkt 的数据部分内容，以检验分组分片和重组是否成功。尝 试不按顺序读入各个片段，验证重组程序是否仍然能够正确重组分组。实验提示实验提示 (1) IP 数据包的格式为：4位版本4位首部长 度8位服务类型(TOS)16位总长度(字节为单位)16位标识3位标志13位片偏移8位生存时间(TTL)8位协议16位首部检验和32位源IP地址32位目的IP地址与数据报的分片与重组有关的字段是：总长度、标识、

3、标志、分片偏移、TTL、16 位 首部校验和。 总长度：总长度：总长度以字节为单位，指该 IP 数据报的总大小，包括首部的 20 字节以及实 际的来自应用层的数据。判断一个数据包是否要进行分片，就是将收到的数据报的总长度 与 MTU 进行比较。如果总长度大于 MTU，就需要进行分片。 标识：标识：这个 16 位的字段标识从源主机发出的数据报。当数据报离开源主机时，这个 标识与源 IP 地址唯一地定义了这个数据报。为了保证唯一性，IP 协议使用了一个计数器 来标识数据报。当 IP 协议发送数据报时，就把这个计数器的当前值复制到标识字段中，并 把这个计数器的值加 1。当数据报被分片时，标识字段的值

4、就被复制到所有的分片中，即 同一个数据报的所有分片具有相同的标识。这个标识主要是用于在分片组装的时候对每个 分片属于哪个数据报进行判断。本次实验只考虑对同一个数据报进行分片，并把这些分片 重新组装，因此不需要做这个判断，只要直接把标识拷贝到各分片中即可。 标志：标志：这是一个 3 位的字段，如下图所示：D M第一个比特保留为以后用；第二个比特是不分片(Do not fragment)位。若这个值是 1，机器就不能把该数据报进行分片。若无法把这个数据报通过任何可用的物理网络进行 转发，就丢弃这个数据报，并向源主机发送 ICMP 差错报文。若这个值为 0，则在需要的 时候可把这个数据报进行分片。第

5、三个比特是还有分片(More fragment)，若这个值是 1， 则表示这个数据报不是最后的分片，这个分片后面还有更多的分片。若这个值是 0，则表 示这已是最后的或者是唯一的分片。 分片偏移：分片偏移：这个 13 位的字段表示这个分片在整个数据报中的相对位置。是在原始数 据报中的数据偏移量，以 8 字节为度量单位。这样做是因为分片偏移字段只有 13bit 长， 它不能表示超过 8191 的字节数。而 IP 数据报最大的长度为 65535 字节，因此按 8 字节为 单位可以用 13 位来表示更多的字节。把数据报进行分片的主机或路由器必须选择每个分 片的长度，使得这个长度可以被 8 整除。 如下

6、图所示，一个具有 4000 字节的数据报，当 MTU=1420 字节的时候，被划分为 3 个分片，每个分片长度为 1400 字节，1400 字节是可以被 8 整除的。0000字节偏移=0000/8=000001399偏移=0000/8=0，大小为1400字节， 该IP数据报分片长度为1420字节14002799偏移=1400/8=175，大小为1400字节， 该IP数据报分片长度为1420字节28003999偏移=2800/8=350，大小为1200字节， 该IP数据报分片长度为1220字节IP头20字节3999字节为减少分片的数量，每个分片的长度应尽可能大。为用片偏移表示片段的起始位置， 除

7、最后一个分片外，其它分片的长度(数据部分，不包括 IP 头)应能被 8 整除。如 MTU=505 的时候，除去 20 字节 IP 头，可以传输的最大数据段长度为 485 字节，但可被 8 整除及不不超过 485 的最大整数为 480，需要按 480 来进行分片。 TTL：在分片的时候需要对原数据报的 TTL 进行减 1 操作，组装的时候不需要此操作。首部检验和：首部检验和：对于每一个分片，设置好各自的总长度、标识、标志、片偏移、TTL 之 后，需要重新对该 IP 报头重新计算校验和。(2) IP 数据报头的 C 语言定义可以用类似如下的数据结构： typedef struct tagIPHDR

8、 unsigned char VIHL;/Version and IHL unsigned char TOS;/Type Of Service short TotalLen;/Total Lengthshort ID;/IDentification short FlagOff;/Flags and Fragment Offset unsigned char TTL;/Time To Live unsigned char Protocol;/Protocol unsigned short Checksum;/Checksum unsigned long SrcAddr;/Source Addre

9、ss unsigned long DstAddr;/Destination Address IPHDR,*PIPHDR; 对各个域进行操作时要注意网络字节序与主机字节序的不同。对于 8 位的域，如 TOS、TTL 等不存这个问题。但对于 16 位的域，如总长度 TotalLen，从二进制文件中读 出来的 TotalLen 域从左到右为 0000 0000 0010 0100（即 0x0024） ，即 38，但如果直接 unsigned short length=IPhead.TotalLen 时这个值不等于 38。这主要是由于多字节数字在 内存中存储方式不同造成的，即大尾端小尾端的问题。解决此

10、问题可以用 ntohs 函数来解 决，即 unsigned short length=ntohs(IPhead.TotalLen)，时 length 就等于 38 了。在操作 16 位的总长度和 16 位的首部校验和的时候需要注意这一点，不然使用位运算的时候会出 错。 同样对于 32 位源地址/目的地址也有这样的问题，但本次实验不涉及 IP 地址的操作。(3) 给定的数据文件如 packet.pkt 是二进制文件，不能用普通的文本浏览器浏览，可 以使用如 UltraEdit 或 WinHex 等二进制浏览器打开，其中不带选项的分组头为 20 字节， 如图所示：即 IP 头为 45 00 65

11、1A 37 A4 00 00 7F 06 EC 30 D3 56 92 89 D2 2D 7A FB 各个域写成二进制形式对应到 IP 头的各个域即可。 在程序中打开 IP 数据报文件的时候需要以二进制的方式打开，可以使用 fstream 的文 件流来进行文件读取操作。 #include ifstream SrcFileName(argv2,ios:in|ios:binary); IPHDR IPHead; Int IPHeadSize=20; SrcPkt.read(char *) fragment.write(char *)buf,IPHeadSize+nLastFragmentSize)

12、; 则可以将 buf 指针指示的一块大小为 IPHeadSize+nLastFragmentSize 字节的数据写入到文件 filename 所指示的文件中，Filename 是一个字符串，表示文件名。(4) 在编程过程中需要使用 htons 和 ntohs 函数，这需要包含 Winsock 库，具体操作 为： 1）在头文件中添加#include 2）在 VC+ 6.0 中选择“工程”“设置”“工程设置”“Link” “对象/库模块”中加入 “ws2_32.lib”。(5)、将片段组织成 IP 分组时，先拷贝原始的 IP 报头，再对其中的相关域进行修改， 包括：总长度（新的数据包长度） ，MF

13、（最后一个片段的 MF=0） ，片偏移，TTL（减 1） ， 头校验设为 0，然后进行校验，把最终校验结果填到 Checksum 域中。注意片偏移是以 8 字节为单位计算的。(6) 计算头校验时，首先将头校验字段置为 0，然后将报头中所有 16 位字进行二进制 反码求和，其结果即为头校验。收到报文进行校验时，将报头中所有 16 位字进行二进制 反码求和，如果结果正确，和为全 1（取反为 0） 。校验和的计算请参看附录 B。(7) 对片段进行重组时，根据 MF 判断是否收到最后一个片段，根据最后一个片段的 偏移值和片段长度计算出原始数据报的总长度，根据已经收到的各个片段的长度之和判断 是否所有的

14、片段都已经到达，如果全部到达就可以开始重组。可以将收到的所有片段按照 偏移值的大小维护在一个有序的链表中，最后一次合并。为简单起见，假定片段都是属于 同一个报文的，因此可不对源地址和分组标识进行检查，且只需维护一个片段链表。(8) 在 Intel 环境下，对多字节数据如 unsigned short 进行操作时注意网络主机字节序 的转换。 (9) 请用 C 或 C+语言编写。实验实验要求要求(1)、完成一个分片程序，输入为一个以二进制形式存储的数据包文件，如 packet1.pkt，以及 MTU 如 MTU=500，要求输出是否允许分片、是否需要分片，如果分片 则需要生成各个片段，分别存储在类

15、似 fragmetn0.pkt、fragment1.pkt、fragment2.pkt 的 二进制文件中。 输入参数为：数据包文件名、MTU 的值。 (2)、完成一个组装程序，输入为(1)步中生成的各片段文件名，要求生成组装完成后的 数据包二进制文件，如 MergedPkt.pkt，并提取出最终组装得到的 IP 包中的数据(即剥掉 20 字节的 IP 头)，以二进制形式存储在 Original.dat 文件中。实验实验指指导导建议两个同学一组完成本次实验，一人编写分片程序，一人编写重组程序。 本实验的助教为赫卫卿，有问题请发信到 。本实验报告及源 代码的提交截止日期为 12 月 23 日，请使

16、用文件名：“学号 A+学号 B+实验 4.rar”，如 “PB05210001+PB05210004+实验 4.rar”发送到 。实验报告中请给出程序的使用方法。 附录 A 一个示例同学们可从课程主页上下载第四次实验示例.rar 文件，解压之后里面有 3 个可执行程 序。 1、GenPkt.exe 该程序主要用于生成本次实验所需的输入文件。 其使用过程如下：其中 IPHeader.conf 是对 IP 报头的一些配置信息，内容为 Version 4 HeadLength 5 TOS 0 Identification 14244 DoNotFragment 0 MoreFragment 0 Of

17、fset 0 TTL 127 Protocol 17 SrcAddr 211.86.146.137 DstAddr 210.45.122.251 可以根据需要修改相应的值来获得不同的数据报。 1.jpg 是用来填充 IP 数据部分的文件，可以是文本文件，二进制可执行文件，图片等 等，在最后进行组装正确性验证的时候，需要比较该文件与最后组装完成后获得的文件是 否一致。 packet.pkt 则是生成的二进制文件，包括一个 20 字节的 IP 头，然后接着的数据就是 来自 1.jpg 里的二进制拷贝。 2、Fragment.exe 用来根据 MTU 对数据报进行分片。 其使用方法为：packet.

18、pkt 为第一步中生成的数据报文件，5000 为 MTU(字节数)，分片程序根据总长 度与 MTU 的比较来决定是否需要分片，同时需要检查 D 位是否允许分片。如果允许分片 且需要分片，则产生分片，本例中产生了 6 个分片。 3、MergeFragment.exe，该程序为合并分片。其使用方法为：其输入为上一步中生成的各个分片的数据文件，可以不按生成分片的顺序合并。组装 完成之后会生成两个文件，MergedPkt.pkt 和 Original.dat，MergedPkt.pkt 中存放合并之 后生成的数据报，Original.dat 中以二进制形式存放着在(1)中“1.jpg”中的内容，如果把

19、 Original.dat 改名为 Original.jpg，则两幅图片应该是一样的。 实验中同学们可以使用 GenPkt.exe 来生成本次实验所需的数据报原始数据，要求同 学们完成 Fragment.exe 和 MergeFragment.exe 的功能。各步骤所生成的各类文件命名规 则可以自定，但都需要以下几个文件： 各分片文件，如 fragment0.pkt。 最终组装而成的文件，如 MergedPkt.pkt 从组装而成的文件中提取出来的数据单独存成一个文件，如 Original.dat附录 B：校验和的计算这个附录给出在二进制记法中如何进行校验和的计算。 B.1 二进制记法B.1.

20、1 部分和首先，我们计算如图 B-1 所示的部分和。我们把每一列相加，如果有进位，就加到下 一列。注意以下几点：1100000000000000001110111010111010111110010011100110010001001000001000011010011010101100000010000011100000101000000000000100010000000000001111000001000011111100000000000011010000000000001111000000000000000001010100010001010101001101010100010010

21、010100111001000111000000001001011011101001部分和第1列的进位第2列的进位第3列的进位第16列的进位第15列的进位这一列必须与 部分和相加图 B-1 二进制记法的部分和 当我们加第 1 列(最右边一列)的时候，我们得到 7。在二进制中，数 7 是 111。 我们保留最右边的 1，把其余的位进到第 2 列和第 3 列。 当我们加第 2 列时，我们计入从第 1 列来的进位。结果是 8，它是二进制的 1000。我们保留第一个位(最右边的)，把其余 100 进位给第 3 列、第 4 列和第 5列。 对每一列重复以上过程。 当我们加完最后一列时，我们有两个 1 没有列可以进行相加。这两个 1 在下一个 步骤中应与部分和(Partial sum)相加。B.1.2 和如果最后一列没有进位，那么部分和就是和。但是，如果还有额外的列(在本例中，有 一个具有两行的列)，那么就要把它加到部分和中，以便得出和。下图给出了这样的计算， 现在我们得出了和。和部分和10010110111010011110010110111010110110100100010100校验和图 B-2 二进制记法的和与校验和B.1.2 校验和在计算出和以后，我们把每一个位求反码，得出检验和。图 B-2 也给出了检验和。二进制计算方法其实可以转换为十进制计算，原理相同，请同学们自己思考。