一、 课程设计目的
TCP（传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的传输层协议。TCP协议在网络层IP协议的基础上，向应用层用户进程提供可靠的、全双工的数据流传输。本课程设计的目的就是设计一个发送TCP数据包的程序，并根据本设计说明TCP数据包的结构以及TCP协议与IP协议的关系，使学生对TCP协议的工作原理有更深入的认识。
二、课程设计要求
本程序的功能是填充一个TCP数据包，并发送给目的主机。
1.以命令行形式运行：SendTCP source_ip source_port dest_ip dest_port
其中，SendTCP为程序名; source_ip为源端IP地址；source_port为源端口；dest_ip为目的IP地址；dest_port为目的端口。
2.其他的TCP头部参数请自行设定。
3.数据字段为“This is my homework of network,I am happy!”
4.成功发送后在屏幕上输出“send OK”。
三、课程设计设备和环境
硬件坏境：PC微机
软件环境：windows 2000 microsoft Visual C++ 6.0
四、相关知识
编制本程序前，要对TCP协议有一定的了解。当应用进程有报文需要通过TCP发送时， 它就将此应用层报文传送给执行TCP协议的传输实体。TCP传输实体将用户数据加上TCP报头，形成TCP数据包，在TCP数据包上增加IP头部，形成IP包。图11-1显示的是TCP数据包和IP包的关系。
TCP协议的数据传输单元称为报文段，其格式如图11-2所示。报文段报头的长度为20B-60B。其中固定长度是20B，选项部分长度最多为40B。TCP报文段主要包括以下字段。
l 端口号：端口号字段包括源端口号和目的端口号。每个端口号的长短是16位，分别表示发送该TCP包的应用进程的端口号和接受该TCP包的应用进程的端口号。
l 序号：长度为32位。由于TCP协议时面向数据流的，它所传送的报文段可以视为连续的数据流，因此需要给每一个字节编号。序号字段的“序号”指的是本报文段数据的第一个字节的顺序号。
l 确认号：该字段的长度为32位，它表示接收端希望接收的下一个TCP包的第一个字节的序号。
l 报文长度：该字段长度为4位。TCP报头长度是以4B为一个单元来计算的，实际上报头长度子20B-60B之间。因此这个字段的值在5-15之间。
l 保留：长度为6位，留做今后使用，目前全部置0.
l 控制：这个字段定义了6中不同的标志，每个标志占一位，在同一时间可以设置一位或多位。URG位为1时，表明有需要紧急处理的数据。ACK位为1时，表明确认号的字段有效。PSH位为1时，表明应尽快把数据传送给应用程序，否则表明允许数据在缓存中存放一段时间。PST位为1时，表明要强制切断连接。SYN位为1时，表明有确立连接的请求，这时，把序号字段的初始值作为序号字段的值，以便开始通信。FIN位为1时，表明发送方已经没有数据发送了。
l 窗口大小：长度为16位，窗口对应的数据是以字节为单位的数据，因此最多能够传送的数据为65535B。
l 紧急指针：该字段长度为16位，指向必须紧急处理的数据的位置，只有当标志URG=1时紧急指针才有效。从TCP报头后面的报文数据开始，到紧急指针所指出长度的数据，就是必须紧急处理的数据。
l 选项：该字段可以多达40B，包括单字节选项和多字节选项。
l 校验和：该字段长度为16位，校验和的校验范围包括伪头部、TCP报头以及应用层来的数据。其计算方法与IP协议头部校验和的计算方法一样（参考7.3节）。伪头部为12B，它本身并不是TCP数据包的真正头部，只是在计算校验和时，临时和TCP数据包连接在一起。伪头部的格式如图11-3所示。
五、 课程设计分析
本课程设计的目标是发送一个TCP包，我们利用原始套接字来完成这个工作。整个程序由初始化原始套接字和填充发送TCP包两个部分组成。下面结合核心代码对程序的具体实现进行讲解，同时为使程序流程更加清晰，去掉了错误检查等保护性代码。
1） 使用原始套接字
一种实现TCP数据报发送的常见方法是利用原始套接字，创建原始套接字的代码如下：
SOCKET sockRaw ;
sockRaw=WSASocket(AF_INET,SOCK_RAW,IPPROTO_RAW,NULL,0,WSA_FLAG_OVERLAPPED);
这里，我们设置了SOCK_RAW标志，表示我们声明的是一个原始套接字类型。为了使用发送接收超时设置（设置SO_RCVTIMEO或SO_SNDTIMEO）,必须将标志位置为WSA_FLAG_OVERLAPPED。在本课程设计中，发送TCP包时隐藏了自己的IP地址，因此我们要自己填充IP头，设置IP头操作选项。其中flag设置为ture，并设定IP_HDRINCL选项，表明需要自己来构造IP头。注意，如果设置IP_HDRINCL选项，那么必须具有administrator权限，否则就必须修改注册表HKEY_LOCAL_MACHINE\System\CurrentControlSet\Services\Afd\Parameter\，将DisableRawSecurity(类型为DWORD)的值修改为1。如果没有这个键值，就添加上。同时，我们还要设置发送超时。
boolean Flag=TRUE;
setsockopt(sockRaw,IPPROTO_IP,IP_HDRINCL,(char*)&Flag,sizeof(Flag));
int timeout=1000;
setsockopt(sockRaw,SOL_SOCKET,SO_SNDTIMEO,(char*)&timeout,sizeof(timeout));
在这里，我使用基本套接字SOL_SOCKET，设置SO_SNDTIMEO表示使用发送超时设置，超时时间设置为1000ms。
2） 定义IP头部、TCP头部和伪头部的数据结构
除了要定义IP头部和TCP头部的数据结构用于数据包填充之外，我们还需要定义一个TCP伪头部的数据结构来计算校验码。这三个数据结构的第一如下：
//定义ip头部结构体
typedef struct _iphdr
{
UCHAR h_verlen; //4位IP版本号，4位首部长度
UCHAR tos; //8位服务类型（TOS）
USHORT total_len; //16总长度（字节）
USHORT ident; //16位标识
USHORT frag_and_flags; //3位标志位
UCHAR ttl; //8位生存时间 TTL
UCHAR proto; //8位协议（TCP/UDP或其他）
USHORT checksum; //16位IP首部校验和
ULONG sourceIP; //32位源IP地址
ULONG destIP; //332位目的IP地址
}IP_HEADER;
//定义TCP伪头部
typedef struct _psdhdr
{
ULONG saddr; //源地址
ULONG daddr; //目的地址
UCHAR mbz; //没用
UCHAR ptcl; //协议类型
USHORT tcpl; //TCP长度
}PSD_HEADER;
//定义TCP头部结构
typedef struct _tcphdr
{
USHORT th_sport; //16位源端口
USHORT th_dport; //16位目的端口
ULONG th_seq; //32位序列号
ULONG th_ack; //32位确认号
UCHAR th_lenres; //4位首部长度/6位保留字
UCHAR th_flag; //6位标志位
USHORT th_win; //16位窗口大小
USHORT th_sum; //16位校验和
USHORT th_urp; //16位紧急数据偏移量
}TCP_HEADER;3） 填充数据包
在填充数据包的过程中，我们不仅要填充TCP头部还要填充IP头部。同时，为了填充校验和，我们还要对TCP伪头部进行填充。部分核心代码如下：
#define IPVER 4 //IP协议预定
#define MAX_BUFF_LEN 65500 //发送缓存区最大值
IP_HEADER ip_header={0}; //IP首部结构
PSD_HEADER psd_header={0}; //TCP伪首部结构
TCP_HEADER tcp_header={0}; //TCP首部结构
char Sendto_Buff[MAX_BUFF_LEN]; //发送缓存区
unsigned short check_Buff[MAX_BUFF_LEN]; //校验和缓存区
const char tcp_send_data[]={"This is my homework of network,I am happy!"};
//填充IP首部
/*版本号*/
ip_header.h_verlen=(IPVER<<4|sizeof(ip_header)/sizeof(unsigned long));
ip_header.tos=(UCHAR)0; //服务类型
/*16位总长度（字节）*/
ip_header.total_len=htons((unsigned short)(sizeof(IP_HEADER)
+sizeof(TCP_HEADER)+sizeof(tcp_send_data)));
ip_header.ident=0; //16位标识
ip_header.frag_and_flags=0; //3位标志位
ip_header.ttl=(UCHAR)128; //8位生存时间
ip_header.proto=IPPROTO_TCP; //协议类型
ip_header.checksum=0; //校验和暂存时填充为0
ip_header.sourceIP=inet_addr(argv[1]); //32位源IP地址
ip_header.destIP=inet_addr(argv[3]); //32位目的IP地址
//计算IP头部校验和
memset(check_Buff,0,MAX_BUFF_LEN);
memcpy(check_Buff,&ip_header,sizeof(IP_HEADER));
ip_header.checksum=checksum(check_Buff,sizeof(IP_HEADER));
//构造TCP伪首部
psd_header.saddr=ip_header.sourceIP; //源地址
psd_header.daddr=ip_header.destIP; //目的地址
psd_header.mbz=0;
psd_header.ptcl=ip_header.proto; //直接取上面的协议
psd_header.tcpl=htons(sizeof(TCP_HEADER)+sizeof(tcp_send_data));
//填充TCP首部
tcp_header.th_sport=htons((unsigned short)atoi(argv[2]));
//16位源端口号
tcp_header.th_dport=htons((unsigned short)atoi(argv[4]));
//16位目的端口号
tcp_header.th_seq=0; //SYN标志
tcp_header.th_ack=0; //ACK序列号置为0
/*TCP长度和保留字*/
tcp_header.th_lenres=(sizeof(TCP_HEADER)/sizeof(unsigned long)<<4|0);
tcp_header.th_flag=(UCHAR)2; //SYN标志
tcp_header.th_win=htons((unsigned short)16384); //窗口大小
tcp_header.th_urp=0; //偏移
tcp_header.th_sum=0; //校验和暂时填为0
//计算机TCP校验和
memset(check_Buff,0,MAX_BUFF_LEN);
memcpy(check_Buff,&psd_header,sizeof(PSD_HEADER));
memcpy(check_Buff+sizeof(PSD_HEADER),&tcp_header,sizeof(TCP_HEADER));
memcpy(check_Buff+sizeof(PSD_HEADER)+sizeof(TCP_HEADER),tcp_send_data,sizeof(tcp_send_data));
tcp_header.th_sum=checksum(check_Buff,sizeof(PSD_HEADER)+sizeof(TCP_HEADER)+sizeof(tcp_send_data));
Checksum为计算校验和的函数。在填充数据包的过程中，需要调用这个函数两次，分别用于校验IP头和TCP头部（加上伪头部），函数的实现代码如下：
USHORT checksum(USHORT *buffer,int size)
{
unsigned long cksum=0;
while(size>1)
{
cksum+=*buffer++;
size-=sizeof(USHORT);
}
if(size)
{
cksum+=*(UCHAR*)buffer;
}
cksum=(cksum>>16)+(cksum & 0xffff);
cksum+=(cksum>>16);
return (USHORT)(~cksum);
}4） 发送数据包
填充完TCP包后，最后的工作就是把数据包发送出去。以下代码完成三个工作：填充发送缓冲区，建立目的主机的sockaddr_in结构，调用sendto函数完成发送功能。
//填充发送缓冲区
memset(Sendto_Buff,0,MAX_BUFF_LEN);
memcpy(Sendto_Buff,&ip_header,sizeof(IP_HEADER));
memcpy(Sendto_Buff+sizeof(IP_HEADER),&tcp_header,sizeof(TCP_HEADER));
memcpy(Sendto_Buff+sizeof(IP_HEADER)+sizeof(TCP_HEADER),tcp_send_data,sizeof(tcp_send_data));
int datasize=sizeof(IP_HEADER)+sizeof(TCP_HEADER)+sizeof (tcp_send_data);
//发送数据报的目的地址
sockaddr_in dest;
memset(&dest,0,sizeof(dest));
dest.sin_family=AF_INET;
dest.sin_addr.s_addr=inet_addr(argv[3]);//填入目标机器的IP地址
//发送
int bwrote=sendto(sockRaw,Sendto_Buff,datasize,0,(struct sockaddr*)&dest,sizeof(dest));5） 程序流程
图11-4给出本程序的流程框图。
六、 实验步骤及结果
1. E盘中的实现文件SendTCP.cpp在microsoft Visual C++ 6.0软件编译运行。
2..步骤1编译运行无误后，在DOS命令窗口命令行中输入“E:”命令，回车后，继续在命令行中输入“cd debug”命令，并按回车。
3.在DOS命令窗口的命令行中继续输入“SendTCP”命令，并按回车。
4.在DOS命令行中继续输入“SendTCP 115.155.135.142 12 115.135.155.158 25”命令，按回车后，得到的运行结果如下：
七、课程设计总结
在对TCP数据包头部进行填充时，首先需要我们去充分了解它的数据结构，在这个过程中可以了解相应字节上应该存放的内容和它们的功能。由于本次的课程设计只要求填充一个TCP数据包，然后将其发送出去，使用的数据发送函数是sendto()，成功地完成sendto()调用只能保证数据已经从本地发送出去，并不意味着数据传送到达目的地。
八、 相关扩展
与C/C++相比，Java语言在网路编程方面显得更加方便简洁，在这里我们给出Java语言实现设计要求的核心代码。
class SendTCP
{
public static void main(String[] args)
{
if(args.lenth!=4)
{
System.out.println(“Your input is Wrong Try again!”);
System.ecit(0);
}
Try
{
String str=new String(“This is my homework of network,I am happy!”);
Socket socketObj=new Socket(args[2],Integer.parseInt(args[3]));
OutputStream os=socketOnj.getOutputStream();
OutputStream Write osw=new OutputStream Writer(os);
Osw.writer(str);
Osw.flush();
socketObj.close();
System.out.println(“Send OK!”);
}
Catch(IOException e)
{
System.out.println(“Sorry,can’t connect to ”+args[0]+” :”+args[3]);
System.out.println(e);
}
}
}附录：【能够直接执行的，不需要修改】
//实现文件：SendTCP.cpp
#include <stdio.h>
#include <winsock2.h>
#include <ws2tcpip.h>
#include <time.h>
#include <windows.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <iostream.h>
#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")
#define IPVER 4 //IP协议预定
#define MAX_BUFF_LEN 65500 //发送缓冲区最大值
typedef struct ip_hdr //定义IP首部
{
UCHAR h_verlen; //4位首部长度,4位IP版本号
UCHAR tos; //8位服务类型TOS
USHORT total_len; //16位总长度（字节）
USHORT ident; //16位标识
USHORT frag_and_flags; //3位标志位
UCHAR ttl; //8位生存时间 TTL
UCHAR proto; //8位协议 (TCP, UDP 或其他)
USHORT checksum; //16位IP首部校验和
ULONG sourceIP; //32位源IP地址
ULONG destIP; //32位目的IP地址
}IP_HEADER;
typedef struct tsd_hdr //定义TCP伪首部
{
ULONG saddr; //源地址
ULONG daddr; //目的地址
UCHAR mbz; //没用
UCHAR ptcl; //协议类型
USHORT tcpl; //TCP长度
}PSD_HEADER;
typedef struct tcp_hdr //定义TCP首部
{
USHORT th_sport; //16位源端口
USHORT th_dport; //16位目的端口
ULONG th_seq; //32位序列号
ULONG th_ack; //32位确认号
UCHAR th_lenres; //4位首部长度/6位保留字
UCHAR th_flag; //6位标志位
USHORT th_win; //16位窗口大小
USHORT th_sum; //16位校验和
USHORT th_urp; //16位紧急数据偏移量
}TCP_HEADER;
//CheckSum:计算校验和的子函数
USHORT checksum(USHORT *buffer, int size)
{
unsigned long cksum=0;
while(size >1)
{
cksum+=*buffer++;
size -=sizeof(USHORT);
}
if(size)
{
cksum += *(UCHAR*)buffer;
}
cksum = (cksum >> 16) + (cksum & 0xffff);
cksum += (cksum >>16);
return (USHORT)(~cksum);
}
int main(int argc, char* argv[])
{
WSADATA WSAData;
SOCKET sock;
IP_HEADER ipHeader;
TCP_HEADER tcpHeader;
PSD_HEADER psdHeader;
char Sendto_Buff[MAX_BUFF_LEN]; //发送缓冲区
unsigned short check_Buff[MAX_BUFF_LEN]; //检验和缓冲区
const char tcp_send_data[]={"This is my homework of networt,I am happy!"};
BOOL flag;
int rect,nTimeOver;
if (argc!= 5)
{
printf("Useage: SendTcp soruce_ip source_port dest_ip dest_port \n");
return false;
}
if (WSAStartup(MAKEWORD(2,2), &WSAData)!=0)
{
printf("WSAStartup Error!\n");
return false;
}
if((sock=WSASocket(AF_INET,SOCK_RAW,IPPROTO_RAW,NULL,0,
WSA_FLAG_OVERLAPPED))==INVALID_SOCKET)
{
printf("Socket Setup Error!\n");
return false;
}
flag=true;
if(setsockopt(sock,IPPROTO_IP,IP_HDRINCL,(char*)&flag,sizeof(flag))==
SOCKET_ERROR)
{
printf("setsockopt IP_HDRINCL error!\n");
return false;
}
nTimeOver=1000;
if (setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_SNDTIMEO, (char*)&nTimeOver, sizeof(nTimeOver))==SOCKET_ERROR)
{
printf("setsockopt SO_SNDTIMEO error!\n");
return false;
}
//填充IP首部
ipHeader.h_verlen=(IPVER<<4 | sizeof(ipHeader)/sizeof(unsigned long));
ipHeader.tos=(UCHAR)0;
ipHeader.total_len=htons((unsigned short)sizeof(ipHeader)+sizeof(tcpHeader)+sizeof(tcp_send_data));
ipHeader.ident=0; //16位标识
ipHeader.frag_and_flags=0; //3位标志位
ipHeader.ttl=128; //8位生存时间
ipHeader.proto=IPPROTO_UDP; //协议类型
ipHeader.checksum=0; //检验和暂时为0
ipHeader.sourceIP=inet_addr(argv[1]); //32位源IP地址
ipHeader.destIP=inet_addr(argv[3]); //32位目的IP地址
//计算IP头部检验和
memset(check_Buff,0,MAX_BUFF_LEN);
memcpy(check_Buff,&ipHeader,sizeof(IP_HEADER));
ipHeader.checksum=checksum(check_Buff,sizeof(IP_HEADER));
//构造TCP伪首部
psdHeader.saddr=ipHeader.sourceIP;
psdHeader.daddr=ipHeader.destIP;
psdHeader.mbz=0;
psdHeader.ptcl=ipHeader.proto;
psdHeader.tcpl=htons(sizeof(TCP_HEADER)+sizeof(tcp_send_data));
//填充TCP首部
tcpHeader.th_dport=htons(atoi(argv[4])); //16位目的端口号
tcpHeader.th_sport=htons(atoi(argv[2])); //16位源端口号
tcpHeader.th_seq=0; //SYN序列号
tcpHeader.th_ack=0; //ACK序列号置为0
//TCP长度和保留位
tcpHeader.th_lenres=(sizeof(tcpHeader)/sizeof(unsigned long)<<4|0);
tcpHeader.th_flag=2; //修改这里来实现不同的标志位探测，2是SYN，1是//FIN，16是ACK探测 等等
tcpHeader.th_win=htons((unsigned short)16384); //窗口大小
tcpHeader.th_urp=0; //偏移大小
tcpHeader.th_sum=0; //检验和暂时填为0
//计算TCP校验和
memset(check_Buff,0,MAX_BUFF_LEN);
memcpy(check_Buff,&psdHeader,sizeof(psdHeader));
memcpy(check_Buff+sizeof(psdHeader),&tcpHeader,sizeof(tcpHeader));
memcpy(check_Buff+sizeof(PSD_HEADER)+sizeof(TCP_HEADER),
tcp_send_data,sizeof(tcp_send_data));
tcpHeader.th_sum=checksum(check_Buff,sizeof(PSD_HEADER)+
sizeof(TCP_HEADER)+sizeof(tcp_send_data));
//填充发送缓冲区
memset(Sendto_Buff,0,MAX_BUFF_LEN);
memcpy(Sendto_Buff,&ipHeader,sizeof(IP_HEADER));
memcpy(Sendto_Buff+sizeof(IP_HEADER),&tcpHeader,
sizeof(TCP_HEADER));
memcpy(Sendto_Buff+sizeof(IP_HEADER)+sizeof(TCP_HEADER),
tcp_send_data,sizeof(tcp_send_data));
int datasize=sizeof(IP_HEADER)+sizeof(TCP_HEADER)+
sizeof(tcp_send_data);
//发送数据报的目的地址
SOCKADDR_IN dest;
memset(&dest,0,sizeof(dest));
dest.sin_family=AF_INET;
dest.sin_addr.s_addr=inet_addr(argv[3]);
dest.sin_port=htons(atoi(argv[4]));
rect=sendto(sock,Sendto_Buff,datasize, 0,(struct sockaddr*)&dest, sizeof(dest));
if (rect==SOCKET_ERROR)
{
printf("send error!:%d\n",WSAGetLastError());
return false;
}
else
printf("send ok!\n");
closesocket(sock);
WSACleanup();
return 1;
}
