Win32如何定義IP資料報的首部

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在進行網路程式設計時，可能需要直接操作原始的ip資料報，例如編寫網路嗅探器。此時要定義乙個表示ip資料報首部的結構體來獲取首部中的各個資訊，問題也隨之而來：平時我們使用的資料都是byte、word或者dword，但ip資料報首部的有些欄位並不按照位元組、字或雙字對齊，欄位的長度也不是一位元組、兩位元組或四位元組，這種不一致的現象使得結構體的定義很有難度。我見過幾種ip資料報首部結構體的定義，雖然方法各異，但都是大量使用union，將幾個字段塞進乙個byte或word中，在**中還要通過移位、按位與等操作獲取實際的字段。其實，只要理解資料在記憶體中是如何擺放的，以及利用好結構體定義的特性，可以最大限度地使結構體的字段直接對應首部中的字段，避免在**中使用大量的位操作。

使用c/c++程式設計時我們都會大量定義和使用結構體，但可能有不少人還不知道定義結構體時可以使用「位域」這個特性。位域是指不需要佔據整個字段長度，而只需要佔據乙個或多個位的字段。定義方法如下所示：

structbyte ;

上面的**定義了乙個名為byte的結構體，它有兩個欄位low和high，這兩個欄位的型別都是byte，而且都指定了只占用四個位，所以它們共用乙個byte的空間。又因為low定義在high之前，所以low使用這個byte的低四位，high使用高四位。

位域的型別除了byte之外，還可以使用word和dword。要注意的是，在使用位域時，對於那些希望共用同乙個byte、word或dword的字段，要始終使用相同的型別來定義，只有當byte、word或dword的位分配完畢時，才使用另一種型別。例如，不要出現下面的定義：

structbitfields ;
structbitfields ;

上面的定義令人難以理解（至少我是根本無法理解），而且也不知道編譯器會如何處理這些定義。所以，為了程式的可理解性和正確性，應該中規中矩地使用位域：

structbitfields ;

有了位域，在訪問這些欄位時，編譯器會自動進行位操作，還會自動進行截斷，所以在**中再也不需操心這些繁瑣的操作了。

位元組序對大家來說都不會陌生，它表示位元組在記憶體中的存放順序。而位序與位元組序的意義相近，它表示的是位元組內每個位的存放順序，也有大端和小端格式。我們通常只在位元組級別上訪問資料，幾乎不會在位級別上訪問資料，所以忽略了位序這個問題。現在我們用到了位域，已經深入到了位級別，因此很有必要了解一下intel處理器的位序。遺憾的是，我沒找到任何資料解析intel處理器使用哪種位序，因此只能靠自己動手進行實驗。

實驗很簡單，下面是實驗的**：

voidwmain() ;
byte b = ;
b.zero = 1;
b.five = 1;
}

該**將乙個位元組的第0位和第5位設定為1，其它位都是0。由於visual studio不能以二進位制方式檢視資料，因此我使用windbg進行檢視：

左上角第乙個位元組就是變數b的資料，可以看到第0位和第5位已經設定為1。更重要的是，看到了位序是大端格式，即低位址存放高位，高位址存放低位。

了解了位域和位序之後，下面就開始定義ip資料報的首部了。

首先來看一下ip資料報首部的格式：

對於那些佔據整個byte、word或dword的字段，可以直接按照它們的先後順序來定義而不會出現任何問題，而其它「不規則」的字段則需要進行特殊的設計。「不規則」的字段包括：版本、首部長度、片偏移以及三個標識位。

首先來看一下版本和首部長度，它們都是四位元組長度，一開始我們會很自然地按照它們的先後順序來定義：

structipheader ;

然而這樣是錯誤的，你使用version欄位得到的是首部長度，使用headerlength得到的是版本，兩者調轉過來了！之所以會出現這樣的錯誤，恰恰是位序的問題。上文說過，intel處理器使用的是大端格式的位序，所以ipheader結構的第乙個位元組是這樣的：

由於version定義在前，所以version使用0~3位，headerlength使用4~7位。很明顯，這跟ip資料報首部的格式正好相反。所以，正確的定義應該是：

structipheader ;

接下來的區分服務、總長度和標識都佔據了整個byte和word的長度，所以按順序定義它們就行了：

structipheader ;

接下來的三個標識位和片偏移則有點複雜。首先來看一下乙個word中的位是如何放置的（注意是小端位元組序）：

對照ip資料報首部的格式圖，可以看到三個標識位分別占用了word的7、6和5位，剩下的位都是片偏移的。雖然從圖中看上去片偏移的位都連線在一起，可是如果以位編號的順序來看的話，片偏移實際上被標識位分割成了兩部分，分別在兩個byte中：第一部分是0~4位，第二部分是8~f位。所以，無論如何也不能僅僅使用位域把這兩部分組合在一起，必須在**中使用位操作來組合。這確實是乙個遺憾。

將這兩部分組合起來有多種方法，我使用的方法是：將這個word分成兩個byte，第乙個byte 的最後三個位作為標緻位，前面5個位作為片偏移的第一部分，第二個byte全部作為片偏移的第二部分，如下所示：

structipheader ;

注意第乙個byte中的字段都按反順序來定義，這也是位序的緣故，就不再解釋了。為了得到完整的片偏移，要將第一部分左移8位，再加上第二部分：

fragmentoffset = (fragmentoffset0 << 8) + fragmentoffset1

好了，ip資料報首部中比較難搞的字段都已經解決了，剩下的都很容易解決，下面是完整的定義：

structipheader ;

既然說到了ip資料報首部，就不得不說一下tcp報文段的首部。下面是tcp報文段的首部格式：

上圖中比較複雜的是資料偏移、保留字段以及一些標緻位，不過有了上文的講解，相信這不再是問題。下面直接給出完整的定義，不再詳細解釋了：

structtcpheader ;

為了本文的完整性，這裡也給出udp報文段首部的格式以及定義。

structudpheader ;

Win32如何定義IP資料報的首部

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