一 程序环境
1.操作系统: WindowsXP + SP2 / Windows 20032.开发语言: C#
3.开发工具:visual studio .net 2005
4.运行支持:release文件是一个用C#做的Form程序,如图.运行要.netframework2.0支持.5.注: 因为xp+sp2中微软禁止了用rawsocket发送tcp包,所以TCPSYN/FIN扫描是在windows 2003下调试.
6.功能:实现各个扫描功能。可以多线程扫描提高扫描速度，用户可以对IP段下的所有端口和指定一些端口扫描（即可纵向扫描，横向扫描，也可纵向横向都扫描），对TCP和UDP的扫描长时间没回应进行了处理，做了图形界面，DataGrid可以排序，对用户输入做了很多安全限制和判断。
图1.1 程序演示图
二 相关知识介绍1.ARP协议
因为既有网络层地址(例如,因特网IP地址),又有链路层地址(即局域网地址),因此有必要在两者之间进行转化。对于因特网，这就是地址解析协议（Address Resolution Protocol，ARP）。每个因特网主机和局域网
上的路由器都有一个ARP模块。
因此，一台主机发送一个ARP查询包查询另一个局域网内的主机的MAC地址，若该主机存活的话，就会返回它的MAC地址，若不存活，就不会返回。所以就给局域网内的所以机器发送ARP查询包，根据返回的ARP包确定哪些局域网的机器是存活的。
2.ICMP扫描
ICMP因特网控制消息协议，主机、路由器和网关使用它来进行网络层信息的交互。ICMP信息有一个类型字段和一个代码字段。众所周知的ping程序给指定的主机发送ICMP类型8编码0的信息。目的主机，看到回应请求后，返回一个类型0编码0的ICMP回应应答，表示该主机存活。
3.TCP扫描
IP地址和端口被称作套接字，它代表一个TCP连接的一个连接端。为了获得TCP服务，必须在发送机的一个端口上 和接收机的一个端口上建立连接。TCP连接用两个连接端来区别，也就是（连接端1，连接端2）。连接端互相发送数 据包。 一个TCP数据包包括一个TCP头，后面是选项和数据。一个TCP头包含6个标志位。它们的意义分别为：
SYN: 标志位用来建立连接，让连接双方同步序列号。如果SYN＝1而ACK=0，则表示该数据包为连接请求，如果SYN=1而
ACK=1则表示接受连接。
FIN: 表示发送端已经没有数据要求传输了，希望释放连接。RST: 用来复位一个连接。RST标志置位的数据包称为复位包。一般情况下，如果TCP收到的一个分段明显不是属于该主
机上的任何一个连接，则向远端发送一个复位包。
URG: 为紧急数据标志。如果它为1，表示本数据包中包含紧急数据。此时紧急数据指针有效。
ACK: 为确认标志位。如果为1，表示包中的确认号时有效的。否则，包中的确认号无效。
PSH: 如果置位，接收端应尽快把数据传送给应用层。
TCP连接的建立
TCP是一个面向连接的可靠传输协议。面向连接表示两个应用端在利用TCP传送数据前必须先建立TCP连接。 TCP的可靠性通过校验和，定时器，数据序号和应答来提供。通过给每个发送的字节分配一个序号，接收端接收到数据后发送应答，TCP协议保证了数据的可靠传输。数据序号用来保证数据的顺序，剔除重复的数据。在一个TCP会话中，有两个数据流（每个连接端从另外一端接收数据，同时向对方发送数据），因此在建立连接时，必须要为每一个数据流分配ISN（初始序号）。为了了解实现过程，我们假设客户端C希望跟服务器端S建立连接，然后分析连接建立的过程（通常称作三阶段握手）。一些实现细节
大部分TCP/IP实现遵循以下原则：
1：当一个SYN或者FIN数据包到达一个关闭的端口，TCP丢弃数据包同时发送一个RST数据包。
2：当一个RST数据包到达一个监听端口，RST被丢弃。3：当一个RST数据包到达一个关闭的端口，RST被丢弃。
4：当一个包含ACK的数据包到达一个监听端口时，数据包被丢弃，同时发送一个RST数据包。
5：当一个SYN位关闭的数据包到达一个监听端口时，数据包被丢弃。
6：当一个SYN数据包到达一个监听端口时，正常的三阶段握手继续，回答一个SYN|ACK数据包。
7：当一个FIN数据包到达一个监听端口时，数据包被丢弃。\"FIN行为\"（关闭得端口返回RST，监听端口丢弃包），在
URG和PSH标志位置位时同样要发生。所有的URG，PSH和FIN，或者没有任何标记的TCP数据包都会引起\"FIN行为\"。
4. 全TCP连接和SYN扫描器
1) 全TCP连接
全TCP连接是长期以来TCP端口扫描的基础。扫描主机尝试（使用三次握手）与目的机指定端口建立建立正规的连接。
连接由系统调用connect()开始。对于每一个监听端口，connect()会获得成功，否则返回－1，表示端口不可访问。由于通常情况下，这不需要什么特权，所以几乎所有的用户（包括多用户环境下）都可以通过connect来实现这个技术。
这种扫描方法很容易检测出来（在日志文件中会有大量密集的连接和错误记录）。Courtney,Gabriel和TCP Wrapper 监测程序通常用来进行监测。另外，TCP Wrapper可以对连接请求进行控制，所以它可以用来阻止来自不明主机的全连接扫描。
2) TCP SYN扫描
在这种技术中，扫描主机向目标主机的选择端口发送SYN数据段。如果应答是RST，那么说明端口是关闭的，按照设定就探听其它端口；如果应答中包含SYN和ACK，说明目标端口处于监听状态。由于所有的扫描主机都需要知道这个信息，传送一个RST给目标机从而停止建立连接。由于在SYN扫描时，全连接尚未建立，所以这种技术通常被称为半打开扫描。
SYN扫描的优点在于即使日志中对扫描有所记录，但是尝试进行连接的记录也要比全扫描少得多。缺点是在大部分操作系统下，发送主机需要构造适用于这种扫描的IP包，通常情况下，构造SYN数据包需要超级用户或者授权用户访问专门的系统调用。
3) 秘密（FIN）扫描秘密扫描技术
由于这种技术不包含标准的TCP三次握手协议的任何部分，所以无法被记录下来，从而必SYN扫描隐蔽得多。另外，FIN数据包能够通过只监测SYN包的包过滤器。
秘密扫描技术使用FIN数据包来探听端口。当一个FIN数据包到达一个关闭的端口，数据包会被丢掉，并且回返回一个RST数据包。否则，当一个FIN数据包到达一个打开的端口，数据包只是简单的丢掉（不返回RST）。
Xmas和Null扫描是秘密扫描的两个变种。Xmas扫描打开FIN，URG和PUSH标记，而Null扫描关闭所有标记。这些组合的目的是为了通过所谓的FIN标记监测器的过滤。
秘密扫描通常适用于UNIX目标主机，除过少量的应当丢弃数据包却发送reset信号的操作系统（包括CISCO，BSDIHP/UX，MVS和
IRIX）。在Windows95/NT环境下，该方法无效，因为不论目标端口是否打开，操作系统都发送RST。
跟SYN扫描类似，秘密扫描也需要自己构造IP 包。
5. UDP扫描
UDP扫描发送空的(没有数据)UDP报头到每个目标端口。如果返回ICMP端口不可到达错误(类型3，代码3)，该端口是closed(关闭的)。 其它ICMP不可到达错误(类型3，代码1，2，9，10，或者13)表明该端口是filtered(被过滤的)。偶尔地，某服务会响应一个UDP报文，证明该端口是open(开放的)。如果几次重试后还没有响应，该端口就被认为是
open|filtered(开放|被过滤的)。这意味着该端口可能是开放的，也可能包过滤器正在封锁通信。可以用版本扫描(-sV)帮助区分真正的开放端口和被过滤的端口。
UDP扫描的巨大挑战是怎样使它更快速。开放的和被过滤的端口很少响应，让Nmap超时然后再探测，以防探测帧或者响应丢失。关闭的端口常常是更大的问题。它们一般发回一个ICMP端口无法到达错误。但是不像关闭的TCP端口响应SYN或者Connect 扫描所发送的RST报文，许多主机在默认情况下限制ICMP端口不可到达消息。 Linux和Solaris对此特别严格。例如， Linux 2.4.20内核限制一秒钟只发送一条目标不可到达消息 (见net/ipv4/icmp。c)。
三 程序设计思路1.基于ARP的活动主机扫描
先获得本机IP和子网掩码，从而算法子网内的所有主机，对这些主机发送ARP请求包，有返回的ARP包，则是子网内存活的主机。计算子网和开启发送线程函数是ARPScan()，发送和接收线程函数是GetMACFromIP(object A_strIP)。
2.基于ICMP的存活主机扫描
首先开个IP包拦截处理线程，处理本机接收到的一切ICMP包。对用户填入的IP段中的所有IP发送type为8、subcode为0的ICMP包。拦截处理线程收到返回的type为0、subcode为0的ICMP包则说明该主机存活，在用户界面中显示其IP。
拦截处理线程函数是receivICMP()，发送线程函数是ping(object host1)
3.基于TCP全连接的开放端口扫描
对用户输入的填入的每个IP的每个端口用TcpClient对象的Connect函数进行连接，若连接成功，则说明该端口开放。
对指定的IP和端口连接线程函数是TCPConnectScan(object ipPort)
4.基于TCP SYN/FIN的开放端口扫描
1) 开启一个IP包拦截处理线程,处理本机接收到的一切IP包。
2）用rawsocket自己构建IP包对用户输入的填入的每个IP的每个端口发送TCP SYN/FIN包，并把发送的IP和Port存到hashtable中，当发送完最后一个扫描端口后，开启TCPTimeOut线程，对没回应的IPPort对进行处理。
3）拦截线程处理每个拦截到的包。
若是TCP的ACKSYN包，且该TCP包的IP和Port在
hashtable中，则说明该IP的Port开放，在用户界面上显示，并删除hashtable中该项。
若是TCP的ACKRST包，且该TCP包的IP和Port在
hashtable中，若是SYN扫描，则说明IP的Port关闭。若是FIN扫描，则说明IP的Port开放。在用户界面上显示，并删除hashtable中该项。
若是ICMP不可到达错误(类型3，代码1，2，9，10，或者13)，且包的IP和Port在hashtable中，则说明该IP的Port被过滤。在用户界面上显示，并删除hashtable中该项。若是type为0，subcode为0的ICMP包，且该IP在ICMPHashTable中，则此IP存活，但没回应TCP的SYN/FIN包，说明此IP的Port被过滤。
4）TCPTimeOut线程思路：等待一段时间后，hashtable中还存在的项就是长时间没回应的IPPort对，把这些IP及对应的Port List存到ICMPHashTable中。对这些IP发送type为8、subcode为0的ICMP包，看这些主机是否存活。若存活则说明探测的该IP包下的一些端口被过滤。
拦截处理线程函数是receiveACK()，发送TCP SYN/FIN包线程是SYNConnect(object ipPort)，对长时间没回应的IPPort对处理线程函数是
TCPTimeOut()。
5.UDP开放端口扫描
1) 开启一个IP包拦截处理线程,处理本机接收到的一切IP包。
2）用rawsocket自己构建IP包对用户输入的填入的每个IP的每个端口发送两次UDP包，并把发送的IP和Port存到hashtable中，当发送完最后一个扫描端口后，开启UDPTimeOut线程，对没回应的IPPort对进行处理。
3）拦截线程处理每个拦截到的包。
若是UDP包，且该UDP包的IP和Port在hashtable中，则说明该IP的Port开放，在用户界面上显示，并删除hashtable中该项。
若是返回ICMP端口不可到达错误(类型3，代码3)，且该包的IP和Port在hashtable中，则说明IP的Port关闭。在用户界面上显示，并删除hashtable中该项。
若是ICMP不可到达错误(类型3，代码1，2，9，10，或者
13)，且该包的IP和Port在hashtable中，则说明该IP的Port被过滤。在用户界面上显示，并删除hashtable中该项。若是type为0，subcode为0的ICMP包，且该IP在
ICMPHashTable中，则此IP存活，但没回应UDP包，说明此IP的Port开放或被过滤。
4）UDPTimeOut线程思路：等待一段时间后，hashtable中还存在的项就是长时间没回应的IPPort对，把这些IP及对应的Port List存到ICMPHashTable中。对这些IP发送type为8、subcode为0的ICMP包，看这些主机是否存活。若存活则说明探测的该IP包下的一些端口被过滤。
拦截处理线程函数是receiveUDP()，发送UDP包线程是UDPScan(objectipPort)，对长时间没回应的IPPort对处理线程函数是UDPTimeOut()。
6.用户输入的安全性考虑和限制
程序需要的最小用户输入都不能为空，IP输入框只能输入’.’和数字，并且要符合IP规格，不能输入大于255的数。Port输入框只能输入’,’和数字，并且只能输入小于65535的端口。线程数输入框只能输入数字。同时为了用户输入方便，输入开始IP时，结束IP会同步显示。判断用户输入是否合法的函数是inputCheck()，各个输入的限制输入等是各个输入的Press事件函数，如IPStart_TextChanged(object sender,
EventArgs e)。
7.C#中网络编程及多线程的一些问题
1）C#中用指针：考虑到要属于网络底层编程，不要指针的话代码就很难写。C#中也可以中指针，只需要一些设置。首先要在项目属性中设置运行不安全代码。
其次在类前面使用unsafe关键字。
最后用fixed关键字禁止垃圾回收器重定位可移动的变量，如：
byte[] buf = new byte[sizeof(IcmpPacket)];
fixed (byte* fixedbuf = buf){
……//操作指针代码}
就可以像C++一样用指针操作了。
2）.net 2.0中线程中对界面控件的访问都该用delegate，以防止线程死锁等不安全现象发生。声明delegate：
delegate void SetDataGridDelegate(object data);
private void SetDataGrid(object data) //控件操作 {
DataInfo dataInfo = (DataInfo)data;
this.dataGrid.Rows.Add(this.dataGrid.Rows.Count, dataInfo.ip,
dataInfo.port, dataInfo.stat);
}
线程中访问界面控件：
this.Invoke(new SetDataGridDelegate(SetDataGrid), dataInfo);
为什么用C#:本人用C++和MFC已经用了差不多3年,基本已经算精通。所以用C#更多是一种尝试，同时C#中的简单的图形界面程序编程，比MFC简单多的多线程编程，网络高层编程提供了很多函数，比如TCP连接可以直接用TCPClient的Connect函数，不像原来C++那样还要重复写那么多代码。而且和JAVA不同的是，它还支持指针，同样可以做网络底层编程。还算不错，呵呵。
四 程序流程图1.总流程图
用户输入,点击“开始扫描”用户输入是否合法是否
初始化一些执行扫描所需变量，关闭以前的拦截包处理线程
按用户要求，开启拦截包处理线程，对每个IP的每个Port开启线程发送数据包。
2.TCP SYN/FIN扫描流程图
因为TCP SYN/SYN扫描流程图最复杂,UDP扫描流程与之类似,其他的扫描是简化的TCP扫描流程。因此在此只画出TCP SYN/FIN扫描流程图
主线程
开启拦截包处理本机所有IP线程
对每个IP的每个扫描端口开启一个线程发送TCP 包是否是最后一个要发送的包是
开启TimeOut线程
对所有没回应的IP，发送ICMP包。SYNACK，端口开放
RSTACK，SYN端口关闭，FIN开放3，3I
CMP，端口过滤0,0I
CMP，端口过滤
都是发送过的IP和Port
五．主要数据结构和函数介绍1. 数据结构
//ICMP包结构
public struct IcmpPacket {
public byte Type; // type of message public byte SubCode; // type of sub code
public ushort CheckSum; // ones complement checksum of struct public ushort Identifier; // identifier
public ushort SequenceNumber; // sequence number
}
//IP包结构
public struct IP_HEADER {
public byte VerLen;
public byte ServiceType; public ushort TotalLen; public ushort ID;
public ushort offset; public byte TimeToLive; public byte Protocol; public ushort HdrChksum; public uint SrcAddr; public uint DstAddr; //public byte Options;
};
//图形界面里结果显示表的数据结构 public struct DataInfo {
public string ip; public string port; public string stat; }
//包含IP和端口的数据结构，给一些需要IP和Port的函数传值 public struct IPPort {
public string ip;
public int port; }
//为了计算TCP,UDP checksum定义的伪首部
public struct FAKE_HEADER //定义TCP,UDP伪首部 {
public uint src; //源地址 public uint dst; //目的地址 public byte mbz;
public byte ptcl; //协议类型 public ushort len; //长度 };
//TCP包结构
public struct TCP_HEADER {
public ushort srcPort; public ushort dstPort; public uint seq; public uint ack; public byte headLen; public byte flag;
public ushort windows; public ushort checkSum; public ushort urgency; public uint option; public uint option2; }
//UDP包结构
public struct UDP_HEADER {
public ushort srcPort; public ushort dstPort; public ushort headLen; public ushort checkSum;
}
2. 主要函数
1) 扫描处理函数
//发送ARP包获得存活主机
public void GetMACFromIP(object A_strIP)//基于ARP的局域网存活主机发现
public void ARPScan()
//发送ICMP包扫描活动主机
public static void ping(object host1)//对ICMP扫描返回的包进行处理的线程函数
public void receivICMP()
//基于Connect的TCP扫描函数
void TCPConnectScan(object ipPort)
//发送TCP SYN/FIN包扫描开放端口
public static void SYNConnect(object ipPort)//对发送的TCP SYN/FIN 包的返回数据处理的线程函数
public void receiveACK()
//对长时间没用回应的IP,探测是不是活动主机.
public static void TCPTimeOut()
//发送udp扫描包
public void UDPScan(object ipPort)//对长时间没用回应的IP,探测是不是活动主机.
public static void UDPTimeOut()
//对发送的UDP 包的返回数据处理的线程函数
public void receiveUDP()
2)一些转换处理函数
//把byte*转换成byte[]
public static byte[] ConvertPoint(byte* p, int length)
//计算checksum函数
public static ushort checksum(ushort* buffer, int size)
3) 一些界面函数
//“开始扫描”按钮点击响应函数
private void start_Click(object sender, EventArgs e)
//判断用户的输入是不是合法
public bool inputCheck()
//用delegate在多线程中处理界面控件
delegate void SetDataGridDelegate(object data);
//使threadNum输入框只接收数字
private void threadNum_KeyPress(object sender, KeyPressEventArgs e)
//使ipend输入框和ipstart输入框同步
private void IPStart_TextChanged(object sender, EventArgs e)
//使ipstart输入框只接收数字和'.'
private void IPStart_KeyPress(object sender, KeyPressEventArgs e)
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