使用java自造TCP/IP協議棧：使用JPCAP實現資料發包

摘要： 從本節開始，我們打算使用java把tcp/ip網路協議棧重新實現一遍。這是一個不小的野心，自然也是一個不小的工程，好在前面順利完成了作業系統，編譯器兩門課程的實現，這給了我極大的信心。整個網際網路系統分為三大支柱，分別是作業系統，編譯器，和網路協議，我們完成了前面三者，還剩第三者一直孤懸在那，...

從本節開始，我們打算使用java把tcp/ip網路協議棧重新實現一遍。這是一個不小的野心，自然也是一個不小的工程，好在前面順利完成了作業系統，編譯器兩門課程的實現，這給了我極大的信心。整個網際網路系統分為三大支柱，分別是作業系統，編譯器，和網路協議，我們完成了前面三者，還剩第三者一直孤懸在那，直到今天我終於下定決心，嘗試著把tcp/ip協議棧也重新實現一遍。

對於網路協議棧而言，絕大多數人都是”只見過豬跑，但沒吃過豬肉“，這絕對是一種巨大的遺憾。網路協議棧構思值巧妙，架構之穩定，非常值得任何期望提升自身技術能力，設計能力，全域性思考能力的技術工程師好好把握，把一樣東西從無到有，從0到1重新構建出來，絕對是把握其精髓的最佳方式。

我們要開發的協議棧採取四層架構：

協議棧設計的最巧妙之處在於，上層協議只需要關注自己的資料處理，剩下的問題交由下層協議處理，這種方式將一個相當複雜的系統分而治之，一個複雜度極高的系統級怪獸就被庖丁血牛似的給肢解掉了，在後面的編碼實現中，我們會感受到此種設計模式的巨大威力。

在上面的架構圖中，所有的網路從最頂層開始封包，直到最底部的網絡卡，資料會轉換為電訊號被網絡卡傳送給指定伺服器或路由器，因此要想再造整個協議棧，我們需要一個功能就是直接操作網絡卡進行資料包的傳送和接收，由此我們使用java開發時，需要有辦法直接操作網絡卡硬體，能幫我們完成該任務的，是常有的java抓包發包元件jpcap。

它是一個jar包，我把它傳送到課堂附件，或者大家也可以自行下載。下載到本地後，在eclipse中新建一個專案叫TCPImplementation，當然你也可以任意取自己喜歡的名字，然後在專案目錄上右鍵單擊，選擇property屬性，點選"java build path"，然後選擇"Libraires"，然後點選”add externel jars"，然後從下載的jpcap目錄下，進入lib目錄，然後選擇jpcap.jar，接著進入bin目錄，選取jpcap.bin，完成後配置如下圖：

然後進入jpcap目錄下的src/main/c目錄，如果像我一樣使用macos，那麼就開啟makefil，找到ifeq else部分程式碼，然後在該部分的末尾新增如下程式碼：

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

新增完後，在控制檯執行make命令進行編譯，如果使用windows系統，請同學自己百度一下相關配置，編譯好後在目錄下會有libjpcap.jnilib，將該檔案拷貝到目錄/Library/Java/Extensions/，如果不是使用macos的同學需要百度一下相應目錄或者是jpcap的編譯配置方法，最後執行命令sudo chomod 777 /dev/bpf*，如此所有準備工作就完成了。

然後在java工程下新建一個檔案ProtocolEntry.java，然後新增如下程式碼：

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 {
//獲取網絡卡列表
NetworkInterface[] devices = JpcapCaptor.getDeviceList();
JpcapCaptor captor = null;
for (int i = 0; i < devices.length; i++) {
//顯示網絡卡名字
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;
}
}


}
}

上面程式碼執行後，結果如下圖：

通過jpcap，我們成功訪問了網絡卡硬體，其中"Open captor on device0“,表示我們可以使用名為device0這個網絡卡來實現資料包的傳送和接收，如果你有多塊可用網絡卡，那麼這些網絡卡都可以成功open，後面可以選擇其中某一個來進行資料包的傳送，至此萬里長征，我們成功的走出了第一步！

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