udpcap

Udpcap = UDP + Npcap

Udpcap ist eine reine Empfangs-UDP-Socket-Emulation basierend auf Npcap. Es nutzt den Npcap-Paketerfassungstreiber, um den Ethernet-Verkehr zu erfassen, alle erforderlichen Header zu analysieren und die UDP-Nutzlast zurückzugeben. Mit Udpcap können Sie einen UDP-Socket öffnen und Daten empfangen, ohne tatsächlich einen Socket zu öffnen!

Das Projekt ist nur für Windows gedacht, da Npcap auch nur auf Windows abzielt.

Funktionen und Einschränkungen

Udpcap kann :

• An eine IPv4-Adresse und einen Port binden
• Legen Sie die Empfangspuffergröße fest
• Treten Sie Multicast-Gruppen bei und verlassen Sie sie
• Aktivieren und deaktivieren Sie Multicast-Loopback
• Empfangen Sie Unicast- und Multicast-Pakete (nur ein Memcpy vom Kernel zum User-Space-Speicher)
• Behandeln Sie fragmentierten IPv4-Verkehr

Udpcap kann nicht :

• Daten senden (dazu einen tatsächlichen Socket verwenden)
• Bind-Flags setzen („Sockets“ werden immer gemeinsam geöffnet)
• Verwenden Sie IPv6

Abhängigkeiten:

• Npcap
• Pcap++
• asio

Alle Abhängigkeiten werden bequem von CMake abgerufen. Um Udpcap tatsächlich nutzen zu können, muss jedoch der Npcap-Treiber installiert sein. Beachten Sie, dass die Npcap-Lizenz proprietär ist.

Warum muss das existieren?

Die Verwendung eines Paketerfassungstreibers zum Emulieren eines UDP-Sockets klingt nach einer schrecklichen Idee, wenn Sie einfach einen richtigen UDP-Socket verwenden könnten? Nun ja, das ist es wahrscheinlich. Aber Moment, es gibt ein ganz bestimmtes Windows-Problem, das dieses Projekt umgehen kann.

Im Vergleich zu Windows 7 verfügt Windows 10 über einen aggressiveren Windows Defender (den MpsSvc-Dienst). Beim Empfang vieler UDP-Multicast- Pakete mit einem regulären Socket unter Windows 10 verursacht der Windows Defender eine enorme CPU-Last, wodurch das gesamte System verzögert wird. Das Problem scheint noch schlimmer zu sein, wenn der Windows-Rechner mit einer Windows-Domäne verbunden ist, wie es normalerweise in großen Unternehmensnetzwerken der Fall ist. Wenn man das System mit Process Hacker untersucht, kann man erkennen, dass der System (der Windows-Kernel) so viel wie einen gesamten CPU-Kern belegt. Es ist immer ein Thread im Kernel, der alle CPU-Zyklen verbraucht und tcpip.sys in seinem Aufrufstapel hat:

Die Defender Firewall kann in Windows 10 nicht mehr deaktiviert werden. Der MpsSvc-Dienst läuft auch bei vorübergehender Deaktivierung weiter, da er neben der Defender Firewall weitere Sicherheitsfunktionen bietet.

So funktioniert Udpcap

Unter Windows verwendet jeder (vom Benutzerbereich initiierte) Netzwerkzugriff die Winsocks/2-API. Diese API verwendet den Kernel-Mode-Dateisystemtreiber Afd.sys , der dann den Transport Protocol Driver tcpip.sys verwendet. Der Treiber tcpip.sys ist der Ort, an dem die gesamte Protokollmagie in Windows stattfindet. An dieser Stelle analysiert auch die Windows Defender Firewall den Datenverkehr. Microsoft hat nur zu diesem Zweck eine vollständige API erstellt: die Windows Filtering Platform (WFP). Diese API ist in Windows Vista und höher verfügbar. Unter tcpip.sys befinden sich nur die NDIS.sys (Network Driver Interface Specification) und die eigentlichen Ethernet-NIC-Treiber. Um das CPU-Lastproblem der Defender Firewall zu umgehen, müssen wir den gesamten tcpip.sys -Treiber und alles darüber umgehen. Sehen Sie sich das Bild unten (schwarze Linien) an, um einen Überblick zu erhalten. Bei Verwendung von Npcap sieht der Windows Defender keine offenen Sockets und analysiert den Datenverkehr nicht. Dies bedeutet jedoch, dass der UDP-Protokollstapel im Benutzerbereich neu implementiert werden muss (hier kommt Udpcap zum Einsatz!) .

Beispiel

Udpcap verfügt über eine sehr einfache API mit starken Ähnlichkeiten zu anderen bekannten Socket-APIs:

# include < iostream >
# include < udpcap/udpcap_socket.h >

int main ()
{
  // Create a Udpcap socket and bind it to a port. For this example we want to
  // receive data from any local or remote source and therefore not bind to an
  // IP address.
  
  Udpcap::UdpcapSocket socket;

  socket. bind ( Udpcap::HostAddress::Any (), 14000 );

  for (;;)
  {
    // Allocate a buffer for the received datagram. The size of the buffer
    // should be large enough to hold the largest possible datagram.
    std::vector< char > datagram ( 65535 );

    // Create an error code object to hold the error code if an error occurs.
    Udpcap::Error error = Udpcap::Error::OK;

    // Receive a datagram from the Socket. This is a blocking
    // operation. The operation will return once a datagram has been received,
    // the socket was closed by another thread or an error occured.
    size_t num_bytes = socket. receiveDatagram (datagram. data (), datagram. size (), error);

    // Resize the buffer to the actual size of the received datagram.
    datagram. resize (num_bytes);

    std::cout << " Received " << datagram. size () << " bytes: "
              << std::string (datagram. data (), datagram. size ())
              << std::endl;
  }

  return 0 ;
}

So kompilieren Sie Udpcap und Beispiele

Sie benötigen Git-for-Windows, Visual Studio 2015 oder neuer und CMake 3.13 oder neuer, um Udpcap zu kompilieren.

1. Klonen Sie dieses Repo

   (Alternativ können Sie dieses Repo als Archiv herunterladen. Es gibt keine Untermodule.)

   git clone https://github.com/eclipse-ecal/udpcap.git
   cd udpcap

2. Rufen Sie CMakeWindows.bat auf

   Dadurch werden auch die folgenden Abhängigkeiten heruntergeladen:

   • asio (nur Header)
   • Npcap SDK (als binäre .lib Dateien)
   • Pcap++ (als binäre .lib Dateien)

3. Öffnen Sie _build/udpcap.sln mit Visual Studio und kompilieren Sie udpcap und die Beispiele

   Um einige Ausgaben der Beispiele zu sehen, müssen Sie natürlich immer sowohl das Sender- als auch das udpcap_reciever-Beispiel ausführen.

CMake-Optionen

Sie können die folgenden CMake-Optionen festlegen, um zu steuern, wie Udpcap erstellt werden soll:

Option	Typ	Standard	Erläuterung
UDPCAP_BUILD_SAMPLES	BOOL	ON	Erstellen Sie die Udpcap- (und ASIO-)Beispiele zum Senden und Empfangen von Dummy-Daten
UDPCAP_BUILD_TESTS	BOOL	OFF	Erstellen Sie die udpcap-GTests. Erfordert die Verfügbarkeit von GTest::GTest.
UDPCAP_THIRDPARTY_ENABLED	BOOL	ON	Aktivieren/Deaktivieren Sie die Verwendung integrierter Abhängigkeiten.
UDPCAP_THIRDPARTY_USE_BUILTIN_NPCAP	BOOL	ON	Rufen Sie eine integrierte Version des npcap SDK ab und erstellen Sie diese. Nur verfügbar, wenn UDPCAP_THIRDPARTY_ENABLED=ON
UDPCAP_THIRDPARTY_USE_BUILTIN_PCAPPLUSPLUS	BOOL	ON	Abrufen und Erstellen einer integrierten Version von Pcap++. Nur verfügbar, wenn UDPCAP_THIRDPARTY_ENABLED=ON
UDPCAP_THIRDPARTY_USE_BUILTIN_ASIO	BOOL	ON	Rufen Sie eine integrierte Version von ASIO ab und erstellen Sie sie. Nur verfügbar, wenn UDPCAP_THIRDPARTY_ENABLED=ON
UDPCAP_THIRDPARTY_USE_BUILTIN_GTEST	BOOL	ON	Rufen Sie Tests anhand einer vordefinierten Version von GTest ab und erstellen Sie sie. Wenn deaktiviert, müssen die Ziele extern bereitgestellt werden. Nur verfügbar, wenn UDPCAP_THIRDPARTY_ENABLED=ON und UDPCAP_BUILD_TESTS=ON
UDPCAP_LIBRARY_TYPE	STRING		Steuert den Bibliothekstyp von Udpcap, indem die Zeichenfolge in den add_library -Aufruf eingefügt wird. Kann auf STATIC / SHARED / OBJECT eingestellt werden. Wenn diese Option festgelegt ist, wird die reguläre CMake-Option BUILD_SHARED_LIBS überschrieben. Wenn nicht festgelegt, verwendet CMake die Standardeinstellung, die von BUILD_SHARED_LIBS gesteuert wird.

So integrieren Sie Udpcap in Ihr Projekt

Als Binärdateien integrieren :

1. Laden Sie eine udpcap-Version herunter oder erstellen Sie sie wie zuvor beschrieben. Wenn Sie selbst erstellen, stellen Sie sicher, dass Sie sowohl eine Debug- als auch eine Release-Version erstellen und installieren.

2. Wenn Sie die gemeinsam genutzte udpcap-Bibliothek (-> .dll ) gewählt haben, ist diese eigenständig und Sie müssen nur udpcap.dll / udpcapd.dll in Ihr Anwendungsverzeichnis kopieren.

   Wenn Sie die statische udpcap-Bibliothek (-> .lib ) gewählt haben, müssen Sie auch die folgenden Ziele für CMake verfügbar machen:

   • pcapplusplus::pcapplusplus
   • npcap::npcap

   Schauen Sie sich das Udpcap-Integrationsbeispiel an, um einen Vorschlag dazu zu erhalten. Die Skripte und Module zum Abrufen und Finden von Npcap und Pcap++ finden Sie hier:

   • Dritter/npcap
   • Drittanbieter/pcapplusplus

3. Fügen Sie das udpcap-Verzeichnis zu Ihrem CMAKE_PREFIX_PATH hinzu:

   cmake your_command_line -DCMAKE_PREFIX_PATH=path/to/udpcap/install/dir

Als Quelle integrieren

1. Machen Sie die udpcap-Quelle in beiden Fällen verfügbar. Sie können es beispielsweise manuell herunterladen, ein Git-Submodul verwenden oder CMake FetchContent verwenden.

2. Fügen Sie Folgendes zu Ihrer CMakeLists.txt hinzu:

    # You will probably not need the samples, so turn them off.
   set (UDPCAP_BUILD_SAMPLES OFF )
   
   # Add the top-level directory as cmake subdirectory
   add_subdirectory ( "path_to_udpcap" )
   
   # Add the dummy Findudpcap.cmake do the module path to make
   # find_package(udpcap) succeed.
   list ( APPEND CMAKE_MODULE_PATH "path_to_udpcap/thirdparty/udpcap/Modules" )

3. Jetzt können Sie gegen udpcap::udpcap verlinken