使用java自造TCP/IP协议栈：使用JPCAP实现数据发包

望月从良

发布于 2018-12-20 17:07:25

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发布于 2018-12-20 17:07:25

从本节开始，我们打算使用java把tcp/ip网络协议栈重新实现一遍。这是一个不小的野心，自然也是一个不小的工程，好在前面顺利完成了操作系统，编译器两门课程的实现，这给了我极大的信心。整个互联网系统分为三大支柱，分别是操作系统，编译器，和网络协议，我们完成了前面三者，还剩第三者一直孤悬在那，直到今天我终于下定决心，尝试着把tcp/ip协议栈也重新实现一遍。

对于网络协议栈而言，绝大多数人都是”只见过猪跑，但没吃过猪肉“，这绝对是一种巨大的遗憾。网络协议栈构思值巧妙，架构之稳定，非常值得任何期望提升自身技术能力，设计能力，全局思考能力的技术工程师好好把握，把一样东西从无到有，从0到1重新构建出来，绝对是把握其精髓的最佳方式。

我们要开发的协议栈采取四层架构：

协议栈设计的最巧妙之处在于，上层协议只需要关注自己的数据处理，剩下的问题交由下层协议处理，这种方式将一个相当复杂的系统分而治之，一个复杂度极高的系统级怪兽就被庖丁血牛似的给肢解掉了，在后面的编码实现中，我们会感受到此种设计模式的巨大威力。

在上面的架构图中，所有的网络从最顶层开始封包，直到最底部的网卡，数据会转换为电信号被网卡发送给指定服务器或路由器，因此要想再造整个协议栈，我们需要一个功能就是直接操作网卡进行数据包的发送和接收，由此我们使用java开发时，需要有办法直接操作网卡硬件，能帮我们完成该任务的，是常有的java抓包发包组件jpcap。

它是一个jar包，我把它传送到课堂附件，或者大家也可以自行下载。下载到本地后，在eclipse中新建一个项目叫TCPImplementation，当然你也可以任意取自己喜欢的名字，然后在项目目录上右键单击，选择property属性，点击”java build path”，然后选择”Libraires”，然后点击”add externel jars”，然后从下载的jpcap目录下，进入lib目录，然后选择jpcap.jar，接着进入bin目录，选取jpcap.bin，完成后配置如下图：

然后进入jpcap目录下的src/main/c目录，如果像我一样使用macos，那么就打开makefil，找到ifeq else部分代码，然后在该部分的末尾添加如下代码：

ifeq ($(PLATFORM), Darwin)
    JNI_INCLUDE2 = /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/MacOSX.platform/Developer/SDKs/MacOSX10.13.sdk/System/Library/Frameworks/JavaVM.framework/versions/A/Headers/ 
    COMPILE_OPTION = -bundle -framework JavaVM
    SUFFIX = .jnilib
endif

添加完后，在控制台执行make命令进行编译，如果使用windows系统，请同学自己百度一下相关配置，编译好后在目录下会有libjpcap.jnilib，将该文件拷贝到目录/Library/Java/Extensions/，如果不是使用macos的同学需要百度一下相应目录或者是jpcap的编译配置方法，最后执行命令sudo chomod 777 /dev/bpf*，如此所有准备工作就完成了。

然后在java工程下新建一个文件ProtocolEntry.java，然后添加如下代码：

import java.io.IOException;

import jpcap.JpcapCaptor;
import jpcap.NetworkInterface;
import jpcap.NetworkInterfaceAddress;
import jpcap.packet.Packet;

public class ProtocolEntry implements PacketReceiver {

    public void receivePacket(Packet packet) {
        System.out.println(packet);
        System.out.println("Receive a packet");
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //获取网卡列表
        NetworkInterface[] devices = JpcapCaptor.getDeviceList();
        JpcapCaptor captor = null;
        for (int i = 0; i < devices.length; i++) {
            //显示网卡名字
            System.out.println(i+": "+devices[i].name + "(" + devices[i].description + ")");

            System.out.println(" datalink: " + devices[i].datalink_name + "(" + devices[i].datalink_description + ")");

            System.out.println(" Mac Address: ");
            for (byte b : devices[i].mac_address) {
                System.out.print(Integer.toHexString(b & 0xff) + ":");
            }

            System.out.println();

            for (NetworkInterfaceAddress a : devices[i].addresses) {
                System.out.println(" address:" + a.address + " " + a.subnet + " " + a.broadcast);
            }

            captor = JpcapCaptor.openDevice(devices[i], 65536, false, 20);
            if (captor != null) {
                System.out.println("Open captor on device" + i);
                break;
            }
        }


    }
}

上面代码运行后，结果如下图：