丁波——基于多机协作的流量监测

南华大学计算机科学与技术学院课程设计报告（2005 ~2006 学年度第 1 学期）课程名称网络编程技术题目基于多机协作的网络流量监视组号：12专业计算机班级03级02班地点网络室教师谭敏生一设计目的及要求用Java语言，编程实现基于高层协议的多机通信。

在无人的状态下，使用时间片轮换为事件驱动，能使多台机器相互唤醒而达到协作完成监测网络流量工作的目的。

二．课程设计软硬件要求(1)软件要求要求装有网络操作系统，安装Tcp/Ip协议。

在Windows系列下，装有Winpcap 软件和J2sdk1.4.2_09环境，并要安装Jpcap类库包。

(2)硬件要求两台连网的主机，PentiumII及一上的CPU,内存128MB以上，硬盘40G，其他配置没多少要求。

三课程设计内容（1）课程设计原理在网络中要实现两台主机通信除了要有必要的物理链路外，还必需要有一种共同遵守的协议。

这就好比是两个人打电话，除了要有语音网络和电话机外，还要说同种语言，两个人才能进行交流。

网络体系结构中有多层协议，且上层协议屏蔽下层协议的实现细节。

这个设计就是以TCP/IP协议为基础来展开讨论的。

TCP/IP技术的核心部分是TCP/IP体系结构中的传输层和网络层，这两层通常在操作系统内核中实现。

而操作系统的内核是不能被直接为一般用户所接触到的，一般用户接触到的只有应用程序。

正是各种应用程序构成了操作系统的用户视图。

那么应用程序通过什么样的界面与内核打交道了？是编程界面。

各种应用程序都是程序员在此界面上开发的。

程序员界面有两种形式，一种是直接由内核提供的系统调用，一种是一库函数的方式提供的各种函数。

前者在内核实现，后者在核外实现。

在我们用的网络系统也提供了这两种编程界面，我们用到的就是内核提供的系统调用编程界面——套接字。

套接字(Socket)是TCP/IP协议的编程接口，即利用socket提供的一组API 可以实现TCP/IP协议。

在两个网络应用程序之间发送和接收信息时都需要建立一个可靠的连接，流套接字依靠TCP协议来保证信息正确到达目的地，实际上，IP包有可能在网络中丢失或者在传送过程中发生错误，任何一种情况发生，作为接受方的TCP将联系发送方TCP重新发送这个IP包。

这就是所谓的在两个流套接字之间建立可靠的连接。

在这程序中，A机程序初始化代码创建一个扮演服务器程序、拥有主机IP 地址和服务器程序的端口号的流套接字对象。

B机流套接字的初始化代码将IP 地址和端口号传递给客户端主机的网络管理软件，管理软件将IP地址和端口号通过网卡（NIC）传递给A机；A机端主机读到经过NIC传递来的数据，然后查看程序是否处于监听状态，这种监听依然是通过套接字和端口来进行的；如果A机程序处于监听状态，那么网络管理软件就向B机网络管理软件发出一个积极的响应信号，接收到响应信号后，B机流套接字初始化代码就给B机程序建立一个端口号，并将这个端口号传递给A机程序的套接字（A机程序将使用这个端口号识别传来的信息是否是属于B机程序）同时完成流套接字的初始化。

如果A机程序没有处于监听状态，那么A机端网络管理软件将给B机传递一个消极信号，收到这个消极信号后，程序的流套接字初始化代码将抛出一个异常对象并且不建立通讯连接，也不创建流套接字对象。

这种情形就像打电话一样，当有人的时候通讯建立，否则电话将被挂起。

一旦当两台主机的两个进程建立了连接，就等于创建了一个实现全双工的数据管道，即两台主机都可同时进行数据的发送与接收。

多机协作过程，就是在建立连接的基础上，通过相互通信来完成同一工作的过程。

在此通信的具体内容就是告诉对方是否抓包，对方在收到抓包切换信号后，就调用自己的抓包线程来进行抓包。

数据的发送有个时间的问题，本设计就是使用事件（时间片与缓冲区）的发生来驱动数据的发送。

一旦时间片到或者缓冲区满就会向对方发出抓包切换信号，接着做清空缓冲区和数据包写外存工作，然后等待对方的切换信号，如此循环协作工作。

在此过程中建立的TCP连接一直都是处于连接状态，直到退出抓包工作，才断开次连接。

利用Jpcap抓包因不是本程序设计的重点，在此只做简单描叙：对数据的采集，JAVA没有什么有效的方法，所以得借助于第三方软件。

在Windows 或UNIX上，你必须有必要的第三方库，分别是WinPcap或libpcap。

本次设计选用了WinPcap，Winpcap 是一个第三方类库，为Jpcap提供基础类。

Jpcap是一个静态库，可以被包捕获程序直接调用，它应用Packet.dll导出的服务向上层应用程序提供强有力的捕获界面。

它是应用程序的一部分。

Jpcap 是一个Java类集合，它为网络数据包的捕获提供接口和系统。

包括一个可视化网络事件的协议库和工具。

它不是一种纯粹的Java解决方案；它依赖本地库的使用，Winpcap和Jpcap两个都要到网站上去下。

下面是Jpcap 中几个重要的方法：1：openDevicepublic static Jpcap openDevice(ng.String device, int snaplen, boolean promisc, int to_ms),第一个参数为string,指定要打开的设备名；第二个参数为int，指定每个包返回数据的长度；第三个参数为混杂标志，如果设为1，将网卡设置为混杂模式，监听全网段。

第四个参数为以毫秒计超时时限。

2：getDeviceDescriptionpublic static ng.String[] getDeviceDescription()，得到网卡信息；3：loopPacketpublic int loopPacket(int count, JpcapHandler handler) 设置抓包数量，循环抓包；原理的具体实现在程序流程图和程序说明中有详细的描叙。

（二）设计原理图三程序流程图A B四实现设计的程序代码A机中运行的程序Serverm.javaimport java.io.*;import .*;import jpcap.*;import java.util.*;public class Serverm implements JpcapHandler{static int j=0;static long p=0;static StringBuffer sting=new StringBuffer("");static String[] devices;static String deviceName;static Jpcap jpcap;public void handlePacket(Packet packet){IPPacket ip;if(packet instanceof IPPacket){j++;ip=(IPPacket)packet;sting.append(ip.src_ip+"\t"+ip.dst_ip+"\t"+ip.protocol+"\t"+ip.length+"\t"+ip.version+"\t"+ip.ident+"\t"+ip.rsv_frag+"\t"+ip.offset+"\t"+ip.hop_limit+"\t"+ip.rsv_tos+"\r\n");}}public static void outbuff(){long time11=System.currentTimeMillis();try {String aa="packe"+p+".txt";RandomAccessFile rf = new RandomAccessFile(aa, "rw");rf.seek(rf.length());rf.writeBytes(sting.toString());rf.close();}catch (Exception e) {e.printStackTrace();}long time12=System.currentTimeMillis();System.out.println(""+time12+"-"+time11+"="+(time12-time11)+"\ncaptrue count:"+j);sting.delete(0,sting.length()-1);j=0;p++;System.out.println("the txt:"+p);}public static void inbuff() //throws java.io.IOException{jpcap.loopPacket(5000, new Serverm());}public static void main(String args[]) throws java.io.IOException{devices = Jpcap.getDeviceList();deviceName = devices[1]; //如果网卡为0号设备则将devices[1]改为devices[0]jpcap = Jpcap.openDevice(deviceName, 1028, true, 100);Server s=new Server();while(true)try{Thread.sleep(100000);}catch(InterruptedException e){return;}}}class Server // 监听线程,用于监听连接.{Resouce resouce;InBuffer inbuffer;Timer timer; //Thread类的子类,用于计时.Netrec netrec; //Thread类的子类,用于监听客户机请求.Socket connected;Server(){System.out.println("**********\n");try{ServerSocket m_sListener=new ServerSocket(8629);connected=m_sListener.accept(); //开始监听.m_sListener.close();}catch(IOException e){System.out.println("**********\n");}System.out.println("连接成功\n");resouce=new Resouce(); //开辟资源inbuffer=new InBuffer(this);inbuffer.start();netrec=new Netrec(this);netrec.start(); //开始监听客户机请求.}}class Resouce{synchronized void setwait(){try{wait();}catch(InterruptedException e){}}synchronized void setnotify(){notify();}}class Netrec extends Thread{Server server;BufferedReader in; //用于读取客户机信息.Netrec(Server s){setPriority(10);server=s;try{in = new BufferedReader(new InputStreamReader(server.connected.getInputStream()));}catch(IOException e){}}public void run(){ server.inbuffer.suspend();//挂起inbufferwhile(true){String c="";try{c=in.readLine(); //读数据.}catch(IOException e){}if(c.equals("1")) //判断是否为有效信息(客户机是否中断连接).{System.out.println("开始抓包\n");server.inbuffer.resume();//激活inbufferserver.timer=new Timer(server);server.timer.start();}server.resouce.setwait();//挂起自己if(server.timer.isAlive())//激活以后运行server.timer.flag=true;server.inbuffer.suspend();挂起inbufferServerm.outbuff();//清空缓冲区.}}}class InBuffer extends Thread{Server server;PrintWriter out; //用于向客户机发送消息.InBuffer(Server s){server=s ;try{out=new PrintWriter(server.connected.getOutputStream(),true);}catch(IOException e){}}public void run(){while(true){Serverm.inbuff();System.out.println("缓冲区满\n");String c="1";out.println(c); //向客户机发送消息.server.resouce.setnotify(); //激活netrectry{sleep(1);}catch(InterruptedException e){}}}}class Timer extends Thread{Server server;boolean flag;PrintWriter out;Timer(Server s){flag=false;server=s;try{out=new PrintWriter(server.connected.getOutputStream(),true);}catch(IOException e){}}public void run(){try{sleep(10000); //计时十秒.}catch(InterruptedException e){return;}if(!flag){System.out.println("时间片完\n");String c="1";out.println(c);server.resouce.setnotify(); //激活netrec.}}}B机中运行的程序Clientm.javaimport java.io.*;import .*;import jpcap.*;import java.util.*;public class Clientm implements JpcapHandler{static int j=0;static long p=0;static StringBuffer sting=new StringBuffer("");static String[] devices;static String deviceName;static Jpcap jpcap;public void handlePacket(Packet packet){IPPacket ip;if(packet instanceof IPPacket){j++;ip=(IPPacket)packet;sting.append(ip.src_ip+"\t"+ip.dst_ip+"\t"+ip.protocol+"\t"+ip.length+"\t"+ip.version+"\t"+ip.ident+"\t"+ip.rsv_frag+"\t"+ip.offset+"\t"+ip.hop_limit+"\t"+ip.rsv_tos+"\r\n");}}public static void outbuff(){long time11=System.currentTimeMillis();try {String aa="packe"+2*p+".txt";RandomAccessFile rf = new RandomAccessFile(aa, "rw");rf.seek(rf.length());rf.writeBytes(sting.toString());rf.close();}catch (Exception e) {e.printStackTrace();}long time12=System.currentTimeMillis();System.out.println(""+time12+"-"+time11+"="+(time12-time11)+"\ncaptrue count:"+j);sting.delete(0,sting.length()-1);j=0;p++;System.out.println("the txt:"+2*p);}public static void inbuff() //throws java.io.IOException{jpcap.loopPacket(5000, new Clientm());}public static void main(String args[]) throws java.io.IOException{devices = Jpcap.getDeviceList();deviceName = devices[1];//如果网卡为0号设备则将devices[1]改为devices[0]jpcap = Jpcap.openDevice(deviceName, 1028, true, 100);cServer s=new cServer();while(true)try{Thread.sleep(100000);}catch(InterruptedException e){return;}}}class cServer{cResouce resouce;cInBuffer inbuffer;cTimer timer;cNetrec netrec;Socket connected;cServer(){try{connected=new Socket("192.168.10.21", 8629);}catch(Exception e){ System.out.println("*********\n"); }System.out.println("连接成功\n");resouce=new cResouce(); //开辟资源inbuffer=new cInBuffer(this);inbuffer.start();timer=new cTimer(this);timer.start();netrec=new cNetrec(this);netrec.start(); //开始监听客户机请求}}class cResouce{synchronized void setwait(){try{wait();}catch(InterruptedException e){}}synchronized void setnotify(){notify();}}class cNetrec extends Thread{cServer server;BufferedReader in;cNetrec(cServer s){server=s;setPriority(10);try{in = new BufferedReader(new InputStreamReader(server.connected.getInputStream()));}catch(IOException e){}}public void run(){ server.resouce.setwait();while(true){if(server.timer.isAlive())server.timer.flag=true;server.inbuffer.suspend();Clientm.outbuff();//清空缓冲区.String c="";try{c=in.readLine();}catch(IOException e){}if(c.equals("1")){System.out.println("开始抓包\n");server.inbuffer.resume();server.timer=new cTimer(server);server.timer.start();}server.resouce.setwait();}}}class cInBuffer extends Thread{cServer server;PrintWriter out;cInBuffer(cServer s){server=s ;try{out=new PrintWriter(server.connected.getOutputStream(),true);}catch(IOException e){}}public void run(){while(true){Clientm.inbuff();System.out.println("缓冲区满\n");String c="1";out.println(c);server.resouce.setnotify(); //激活Cnetrec.try{sleep(1);}catch(InterruptedException e){}}}}class cTimer extends Thread{cServer server;public boolean flag;PrintWriter out;cTimer(cServer s){flag=false;server=s;try{out=new PrintWriter(server.connected.getOutputStream(),true);}catch(IOException e){}}public void run(){try{sleep(10000); //计时十秒.}catch(InterruptedException e){return;}if(!flag){System.out.println("时间片完\n");String c="1";out.println(c);server.resouce.setnotify();} //激活Cnetrec.}}（五）．程序说明本设计用Java实现双机协作的通信机制是使用的基于连接的流式套接字(Sochet).套接字是Tcp/Ip协议的编程接口，利用Sochet提供的一组API就可以编程实现Tcp/Ip协议，这个编程接口就是若干系统定义好的类。