基于Java的网络流量分析软件设计

网络流量分析软件
目录
网络流量分析软件 1
一、选题背景 1
二、方案论证(设计理念) 2
程序后台（数据模块） 2
（1）数据抓取：pcap4j 库 2
（2） Web 框架：jetty 库 2
（3） WebSocket 交互逻辑 2
（4）认证与加密 3
程序前端（展示模块） 3
（1）文件存取：原生 tcpdump 标准 pcap 文件 3
（2）大量数据与性能：分页与动态读取 3
（3）数据分析：独立模块 4
三、过程论述 4

总体架构与引用第三方库 4
定义前后端交互接口 4
客户端 -> 服务器 4
① action=hello 握手消息 4
② action=ping 存活确认消息 5
③ action=command 控制命令消息 5
服务器 -> 客户端 5
后台：定义前后端交互的 Packet 模型 6
后台：定义可能用到的辅助类 7
后台：完成实时捕获后台核心部分 8
后台：实现实时捕获模块的后端接口 9
前端：实现向接口发送控制命令和从接口获取实时数据 10
后台：添加 HTTPS 支持 10
综合：添加 AES 加密传输 11
后台：添加解析命令行参数功能，灵活配置程序参数 12
前端：添加断线重连功能 12
后台：添加代理识别，不向代理客户端发送实时数据 13
前端：重构提取可重用部分，为实现文件管理模块做准备 13
综合：实现文件管理模块接口 13
整合调试，打包发布 14
四、结果分析 14
运行结果 14
运行结果及分析 14
捕获模块稳定性和资源占用分析 21
手机端 24
环境要求 27
附：使用手册（程序使用方法） 27
使用方法 28
注意事项 28
五、毕业设计总结 29
二、方案论证(设计理念)
程序后台（数据模块）
（1）数据抓取：pcap4j 库
Pcap4J 是一款十分优秀的数据报文抓取第三方 Java 库，要自己编写报文抓取代码是十分困难的，但是在这个第三方库的支持下，对数据报文的抓取和处理将会容易，大大降低了开发难度。尽管如此，这一部分也将是程序的核心，报文的获取、转换、存储、读取都将在这个部分完成。
（2）Web 框架：jetty 库
本程序虽然以 web 作为主要展示端和控制端，但 web 后台并不是核心所在，所以只需要简单轻量的内嵌式 web 后台就足够了，jetty 便是非常适合的库，能比较容易的实现 web 后台。其中文件上传下载使用 servlet，其他数据交互使用 WebSocket。
（3）WebSocket 交互逻辑
WebSocket 属于 web 的一部分，是前端获取数据的主要来源，它将是整

个程序中最复杂的模块之一，除了负责后端报文的转发和接收前端控制命令外，还需要检测用户的合法性，以及将用户的合法请求信息转换为可识别的控制信息。
（4）认证与加密
程序启动时生成随机 256 位密钥，浏览器的认证与加密将依赖这个密钥。浏览器获取密钥之后，建立 WebSocket 连接和调用后台 API 都将使用这个密钥进行认证和加密。
为确保密钥不会在传输过程中被窃听，使用浏览器地址#hash 作为密钥的来源，这样密钥将不会通过浏览器传输，自然就没有被网络窃听的可能。值得注意的是，在设计的初期是使用 HTTPS 协议进行认证和加密的，但
在开放过程中意识到，SSL 只提供传输的保密性，却并不会提供用户认证的功能，虽然能够较好地防止信息被窃听，却无法保证用户是合法用户。
所以后期加上了 AES 加密，将与 HTTPS 同时存在，并在程序入口处加上了灵活的控制，文档后面会有详细的说明。
程序前端（展示模块）
（1）展示页面：单页面入口，使用 React 实现，进入 React 前统一从 URL 中获取密钥并保存在 sessionStorage 中（这样刷新浏览器也能继续完成认证，且在浏览器或标签关闭时失效）
（2）控制接口：WebSocket 接口
（3）数据获取接口：WebSocket 接口
（4）文件接口：上传与下载均使用 servlet
数据分析与存储
（1）文件存取：原生 tcpdump 标准 pcap 文件
Pcap4J 库可以直接存取 tcpdump 标准 pcap 文件。
（2）大量数据与性能：分页与动态读取
当数据量很大时，在一个页面显示会严重影响性能，甚至程序崩溃，必须做好分页。然而分页也需要一定的技巧，由于 pcap 文件本身是流式的，而且没有索引，所以很难从一个大的 pcap 文件中分页，只能采用多个文件的方式，借用操作系统的文件管理来辅助分页，规定一个文件最大存多少个包，这样就解决了后台分页问题。
还有就是前端的数据，除了能实时监控数据包之外，还应能够获取历史数据，另外当数据包越积越多，本文转载自http://www.biyezuopin.vip/onews.asp?id=14910前端的内存消耗会越来越大，即使前端分页也无法缓解内存负荷，必须在合适的时间舍弃旧的数据包，需要的时候再向

后台请求获取。
（3）数据分析：独立模块
本程序的数据分析主要有两种形式：一是从开始捕获数据包开始动态统计数据包类型，加以分析；二是从一个 pcap 文件中读取并分析。
这两种分析方式的分析过程是一样的，但是数据来源不同，如果能将分析程序独立出来，就能从不同的来源获取数据后使用统一的接口。另外，动态分析将是一直存在与全局空间的，只有一个，而文件分析则对应每一个文件，可以有多个。
从连接上看，两种连接都应该支持多客户端，不同之处只是实时捕获是多个客户端控制同一个捕获程序，而文件管理部分则是每个客户端对应一个文件管理程序。

package com.xinsane.traffic_analysis;import com.xinsane.traffic_analysis.helper.AESCryptHelper;
import com.xinsane.traffic_analysis.helper.ArgumentsResolver;
import com.xinsane.traffic_analysis.servlet.DownloadServlet;
import com.xinsane.traffic_analysis.servlet.UploadServlet;
import com.xinsane.traffic_analysis.websocket.WSHandler;
import org.eclipse.jetty.http.HttpVersion;
import org.eclipse.jetty.server.*;
import org.eclipse.jetty.server.handler.ContextHandler;
import org.eclipse.jetty.server.handler.HandlerList;
import org.eclipse.jetty.server.handler.ResourceHandler;
import org.eclipse.jetty.server.handler.gzip.GzipHandler;
import org.eclipse.jetty.servlet.ServletContextHandler;
import org.eclipse.jetty.util.ssl.SslContextFactory;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;import java.io.BufferedWriter;
import java.io.File;
import java.io.FileWriter;
import java.io.IOException;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;public class Application {private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(Application.class);public static ArgumentsResolver.Result config = new ArgumentsResolver.Result();public static int http_port = -1;public static int https_port = -1;public static String dumper_dir = "./dump/";public static int slice_number = 500;private static String keystore_path = "./certs/keystore";private static String keystore_password = "traffic";public static boolean no_aes = false;public static void main(String[] args) {try {resolveArguments(args);if (!no_aes)generateKey();createDumpDir();startWeb();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();System.exit(-1);}}private static void resolveArguments(String[] args) {Map<String, String> validOptions = new HashMap<>();validOptions.put("http", "specify the http listen port.");validOptions.put("https", "specify the https listen port.");validOptions.put("dump", "specify the pcap files directory. default ./dump/");validOptions.put("slice", "specify how many packets per pcap file in file mode. default 500");validOptions.put("keystore", "specify the path of SSL keystore file. default ./certs/keystore");validOptions.put("keystore_pass", "specify the password of SSL keystore file. default traffic");Map<String, String> validFeatures = new HashMap<>();validFeatures.put("no_aes", "data will be transferred without encryption if --no_aes is set");config = ArgumentsResolver.resolve(args, validOptions, validFeatures);if (config.args.size() > 0) {ArgumentsResolver.die("Unknown arguments. You can use this program with options and features below.",validOptions, validFeatures);}if (config.options.containsKey("http")) {http_port = Integer.parseInt(config.options.get("http"));logger.debug("http port will be listening on " + http_port);}if (config.options.containsKey("https")) {https_port = Integer.parseInt(config.options.get("https"));logger.debug("https port will be listening on " + https_port);}if (config.options.containsKey("dump"))dumper_dir = config.options.get("dump");if (config.options.containsKey("slice"))slice_number = Integer.parseInt(config.options.get("slice"));if (config.options.containsKey("keystore"))keystore_path = config.options.get("keystore");if (config.options.containsKey("keystore_pass"))keystore_password = config.options.get("keystore_pass");if (config.features.containsKey("no_aes")) {no_aes = true;logger.debug("AES encryption turn off. Data transfer may be at risk.");}if (http_port <= 0 && https_port <= 0) {ArgumentsResolver.die("You should specify either -http or -https option at least.",validOptions, validFeatures);}if (http_port > 0 && no_aes) {logger.warn("it will be at risk to specify a http port with --no_aes set.");}}private static void generateKey() {String keyString = bytes2Hex(AESCryptHelper.key.getEncoded());logger.debug("generate a new key: " + keyString);// 把生成的密钥写入文件File file = new File("./key.txt");try {if (file.exists()) {if (!file.delete())logger.error("can not delete old key file.");}if (file.createNewFile()) {file.deleteOnExit(); // 程序结束后删除BufferedWriter out = new BufferedWriter(new FileWriter(file));out.write(keyString);out.flush();out.close();} elselogger.error("can not write key to the file: " + file.getAbsolutePath());} catch (IOException e) {e.printStackTrace();logger.error("can not write key to the file: " + file.getAbsolutePath());}}private static String bytes2Hex(byte[] bytes) {StringBuilder builder = new StringBuilder(bytes.length * 2);for(byte b : bytes)builder.append(String.format("%02x", b & 0xff));return builder.toString();}private static void startWeb() throws Exception {Server server = new Server();if (http_port > 0) {// HTTP ConnectorServerConnector httpConnector = new ServerConnector(server);httpConnector.setPort(http_port);server.addConnector(httpConnector);}if (https_port > 0) {// SSL Context FactorySslContextFactory sslContextFactory = new SslContextFactory();sslContextFactory.setKeyStorePath(keystore_path);sslContextFactory.setKeyStorePassword(keystore_password);// HTTPS ConfigurationHttpConfiguration https_config = new HttpConfiguration();https_config.setSecureScheme("https");https_config.setSecurePort(https_port);https_config.addCustomizer(new SecureRequestCustomizer());// HTTPS ConnectorServerConnector httpsConnector = new ServerConnector(server,new SslConnectionFactory(sslContextFactory, HttpVersion.HTTP_1_1.asString()),new HttpConnectionFactory(https_config));httpsConnector.setPort(https_port);server.addConnector(httpsConnector);}HandlerList gzipHandlerList = new HandlerList();// Resource HandlerResourceHandler resourceHandler = new ResourceHandler();resourceHandler.setDirectoriesListed(true);String resource_path = Application.class.getResource("/static").toString();resourceHandler.setResourceBase(resource_path);gzipHandlerList.addHandler(resourceHandler);// WebSocket HandlerContextHandler wsHandler = new ContextHandler();wsHandler.setContextPath("/websocket");wsHandler.setHandler(new WSHandler());gzipHandlerList.addHandler(wsHandler);// GZIP SupportGzipHandler gzip = new GzipHandler();gzip.setHandler(gzipHandlerList);HandlerList handlerList = new HandlerList();handlerList.addHandler(gzip);// Servlet HandlerServletContextHandler servletHandler = new ServletContextHandler();servletHandler.addServlet(UploadServlet.class, "/upload");servletHandler.addServlet(DownloadServlet.class, "/download/*");handlerList.addHandler(servletHandler);server.setHandler(handlerList);// Start Serverserver.setStopAtShutdown(true);server.start();}private static void createDumpDir() {File dir = new File(dumper_dir);if (!dir.exists()) {if (!dir.mkdirs()) {logger.error("无法创建dump目录！");System.exit(-1);}}}}

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