[Win32]IP数据报的首部如何定义

在进行网络编程时，可能需要直接操作原始的IP数据报，例如编写网络嗅探器。此时要定义一个表示IP数据报首部的结构体来获取首部中的各个信息，问题也随之而来：平时我们使用的数据都是BYTE、WORD或者DWORD，但IP数据报首部的有些字段并不按照字节、字或双字对齐，字段的长度也不是一字节、两字节或四字节，这种不一致的现象使得结构体的定义很有难度。我见过几种IP数据报首部结构体的定义，虽然方法各异，但都是大量使用union，将几个字段塞进一个BYTE或WORD中，在代码中还要通过移位、按位与等操作获取实际的字段。其实，只要理解数据在内存中是如何摆放的，以及利用好结构体定义的特性，可以最大限度地使结构体的字段直接对应首部中的字段，避免在代码中使用大量的位操作。

位域

在使用C/C++编程时我们都会大量定义和使用结构体，但可能有不少人还不知道定义结构体时可以使用“位域”这个特性。位域是指不需要占据整个字段长度，而只需要占据一个或多个位的字段。定义方法如下所示：

1 struct Byte {
2      BYTE Low : 4;
3      BYTE High : 4;
4 };

上面的代码定义了一个名为Byte的结构体，它有两个字段Low和High，这两个字段的类型都是BYTE，而且都指定了只占用四个位，所以它们共用一个BYTE的空间。又因为Low定义在High之前，所以Low使用这个BYTE的低四位，High使用高四位。

位域的类型除了BYTE之外，还可以使用WORD和DWORD。要注意的是，在使用位域时，对于那些希望共用同一个BYTE、WORD或DWORD的字段，要始终使用相同的类型来定义，只有当BYTE、WORD或DWORD的位分配完毕时，才使用另一种类型。例如，不要出现下面的定义：

1 struct BitFields {
2      WORD Field1 : 8;
3      BYTE Field2 : 8;
4 };
5 
6  struct BitFields {
7      BYTE Field1 : 3;
8      WORD Field2 : 5;
9 };

上面的定义令人难以理解（至少我是根本无法理解），而且也不知道编译器会如何处理这些定义。所以，为了程序的可理解性和正确性，应该中规中矩地使用位域：

1 struct BitFields {
2      BYTE Field1 : 5;
3      BYTE Field2 : 3;
4      WORD Field3 : 7;
5      WORD Field4 : 3;
6      WORD Field5 : 6;
7 };

有了位域，在访问这些字段时，编译器会自动进行位操作，还会自动进行截断，所以在代码中再也不需操心这些繁琐的操作了。

位序

字节序对大家来说都不会陌生，它表示字节在内存中的存放顺序。而位序与字节序的意义相近，它表示的是字节内每个位的存放顺序，也有大端和小端格式。我们通常只在字节级别上访问数据，几乎不会在位级别上访问数据，所以忽略了位序这个问题。现在我们用到了位域，已经深入到了位级别，因此很有必要了解一下Intel处理器的位序。遗憾的是，我没找到任何资料解析Intel处理器使用哪种位序，因此只能靠自己动手进行实验。

实验很简单，下面是实验的代码：

 1 void wmain() {
 2 
 3     struct Byte {
 4         BYTE Zero : 1;
 5         BYTE One : 1;
 6         BYTE Two : 1;
 7         BYTE Three : 1;
 8         BYTE Four : 1;
 9         BYTE Five : 1;
10         BYTE Six : 1;
11         BYTE Seven : 1;
12     };
13 
14     Byte b = { 0 };
15     b.Zero = 1;
16     b.Five = 1;
17 }

该代码将一个字节的第0位和第5位设置为1，其它位都是0。由于Visual Studio不能以二进制方式查看数据，因此我使用WinDbg进行查看：

左上角第一个字节就是变量b的数据，可以看到第0位和第5位已经设置为1。更重要的是，看到了位序是大端格式，即低地址存放高位，高地址存放低位。

了解了位域和位序之后，下面就开始定义IP数据报的首部了。

IP数据报首部的定义

首先来看一下IP数据报首部的格式：

对于那些占据整个BYTE、WORD或DWORD的字段，可以直接按照它们的先后顺序来定义而不会出现任何问题，而其它“不规则”的字段则需要进行特殊的设计。“不规则”的字段包括：版本、首部长度、片偏移以及三个标识位。

首先来看一下版本和首部长度，它们都是四字节长度，一开始我们会很自然地按照它们的先后顺序来定义：

1 struct IPHeader {
2     BYTE Version : 4;
3     BYTE HeaderLength : 4;
4 };

然而这样是错误的，你使用Version字段得到的是首部长度，使用HeaderLength得到的是版本，两者调转过来了！之所以会出现这样的错误，恰恰是位序的问题。上文说过，Intel处理器使用的是大端格式的位序，所以IPHeader结构的第一个字节是这样的：

由于Version定义在前，所以Version使用0~3位，HeaderLength使用4~7位。很明显，这跟IP数据报首部的格式正好相反。所以，正确的定义应该是：

1 struct IPHeader {
2     BYTE HeaderLength : 4;
3     BYTE Version : 4;
4 };

接下来的区分服务、总长度和标识都占据了整个BYTE和WORD的长度，所以按顺序定义它们就行了：

1 struct IPHeader {
2     BYTE HeaderLength : 4;
3     BYTE Version : 4;
4     BYTE DS;
5     WORD TotalLength;
6     WORD ID;
7 };

接下来的三个标识位和片偏移则有点复杂。首先来看一下一个WORD中的位是如何放置的（注意是小端字节序）：

对照IP数据报首部的格式图，可以看到三个标识位分别占用了WORD的7、6和5位，剩下的位都是片偏移的。虽然从图中看上去片偏移的位都连接在一起，可是如果以位编号的顺序来看的话，片偏移实际上被标识位分割成了两部分，分别在两个BYTE中：第一部分是0~4位，第二部分是8~F位。所以，无论如何也不能仅仅使用位域把这两部分组合在一起，必须在代码中使用位操作来组合。这确实是一个遗憾。

将这两部分组合起来有多种方法，我使用的方法是：将这个WORD分成两个BYTE，第一个BYTE 的最后三个位作为标致位，前面5个位作为片偏移的第一部分，第二个BYTE全部作为片偏移的第二部分，如下所示：

 1 struct IPHeader {
 2     BYTE HeaderLength : 4;
 3     BYTE Version : 4;
 4     BYTE DS ;
 5     WORD TotalLength;
 6     WORD ID;
 7     BYTE FragmentOffset0 : 5;
 8     BYTE MF : 1;
 9     BYTE DF : 1;
10     BYTE Reserved : 1;
11     BYTE FragmentOffset1;
12 };

注意第一个BYTE中的字段都按反顺序来定义，这也是位序的缘故，就不再解释了。为了得到完整的片偏移，要将第一部分左移8位，再加上第二部分：

FragmentOffset = (FragmentOffset0 << 8) + FragmentOffset1

好了，IP数据报首部中比较难搞的字段都已经解决了，剩下的都很容易解决，下面是完整的定义：

 1 struct IPHeader {
 2     BYTE HeaderLength : 4;       //首部长度
 3      BYTE Version : 4;            //版本
 4      BYTE DS;                     //区分服务
 5      WORD TotalLength;            //总长度
 6      WORD ID;                     //标识
 7      BYTE FragmentOffset0 : 5;    //片偏移
 8      BYTE MF : 1;                 //MF标识
 9      BYTE DF : 1;                 //DF标识
10      BYTE Reserved : 1;           //保留标识
11      BYTE FragmentOffset1;        //片偏移
12      BYTE TTL;                    //生存时间
13      BYTE Protocol;               //协议
14      WORD Checksum;               //检验和
15      DWORD SourceAddress;         //源地址
16      DWORD DestinationAddress;    //目的地址
17  };

TCP报文段首部的定义

既然说到了IP数据报首部，就不得不说一下TCP报文段的首部。下面是TCP报文段的首部格式：

上图中比较复杂的是数据偏移、保留字段以及一些标致位，不过有了上文的讲解，相信这不再是问题。下面直接给出完整的定义，不再详细解释了：

 1 struct TCPHeader {
 2     WORD SourcePort;             //源端口
 3      WORD DestinationPort;        //目的端口
 4     DWORD SequenceNumber;        //序号
 5     DWORD AcknowledgmentNumber;  //确认号
 6     BYTE Reserved0 : 4;          //保留字段第一部分
 7     BYTE DataOffset : 4;         //数据偏移
 8     BYTE FIN : 1;                //FIN标识
 9     BYTE SYN : 1;                //SYN标识
10     BYTE RST : 1;                //RST标识
11     BYTE PSH : 1;                //PSH标识
12     BYTE ACK : 1;                //ACK标识
13     BYTE URG : 1;                //URG标识
14     BYTE Reserved1 : 2;          //保留字段第二部分
15     WORD Window;                 //窗口
16     WORD Checksum;               //检验和
17     WORD UrgentPointer;          //紧急指针
18 };

UDP报文段首部的定义

为了本文的完整性，这里也给出UDP报文段首部的格式以及定义。

1 struct UDPHeader {
2     WORD SourcePort;             //源端口
3     WORD DestinationPort;        //目的端口
4     WORD Length;                 //长度
5     WORD Checksum;               //检验和
6 };

posted on 2011-07-05 21:07 Zplutor 阅读(3968) 评论(0) 编辑收藏举报