基于 linux 平台的 libpcap 源代码分析.docx
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基于linux平台的libpcap源代码分析
基于linux平台的libpcap源代码分析
关于作者:
施聪，成都人，高级程序员、网络设计师。
从事基于UNIX/LINUX下的c/c++程序设计和数据库建模工作已10年。
libpcap是unix/linux平台下的网络数据包捕获函数包，大多数网络监控软件都以它为基础。
Libpcap可以在绝大多数类unix平台下工作，本文分析了libpcap在linux下的源代码实现，其中重点是linux的底层包捕获机制和过滤器设置方式,同时也简要的讨论了libpcap使用的包过滤机制BPF。
网络监控
绝大多数的现代操作系统都提供了对底层网络数据包捕获的机制，在捕获机制之上可以建立网络监控（NetworkMonitoring）应用软件。
网络监控也常简称为sniffer,其最初的目的在于对网络通信情况进行监控，以对网络的一些异常情况进行调试处理。
但随着互连网的快速普及和网络攻击行为的频繁出现，保护网络的运行安全也成为监控软件的另一个重要目的。
例如，网络监控在路由器，防火墙、入侵检查等方面使用也很广泛。
除此而外，它也是一种比较有效的黑客手段，例如，美国政府安全部门的"肉食动物"计划。
包捕获机制
从广义的角度上看，一个包捕获机制包含三个主要部分：
最底层是针对特定操作系统的包捕获机制，最高层是针对用户程序的接口，第三部分是包过滤机制。
不同的操作系统实现的底层包捕获机制可能是不一样的，但从形式上看大同小异。
数据包常规的传输路径依次为网卡、设备驱动层、数据链路层、IP层、传输层、最后到达应用程序。
而包捕获机制是在数据链路层增加一个旁路处理，对发送和接收到的数据包做过滤/缓冲等相关处理，最后直接传递到应用程序。
值得注意的是，包捕获机制并不影响操作系统对数据包的网络栈处理。
对用户程序而言，包捕获机制提供了一个统一的接口，使用户程序只需要简单的调用若干函数就能获得所期望的数据包。
这样一来，针对特定操作系统的捕获机制对用户透明，使用户程序有比较好的可移植性。
包过滤机制是对所捕获到的数据包根据用户的要求进行筛选，最终只把满足过滤条件的数据包传递给用户程序。
Libpcap应用程序框架
Libpcap提供了系统独立的用户级别网络数据包捕获接口，并充分考虑到应用程序的可移植性。
Libpcap可以在绝大多数类unix平台下工作，参考资料A中是对基于libpcap的网络应用程序的一个详细列表。
在windows平台下，一个与libpcap很类似的函数包winpcap提供捕获功能，其官方网站是http:
//winpcap.polito.it/。
Libpcap软件包可从http:
//www.tcpdump.org/下载，然后依此执行下列三条命令即可安装，但如果希望libpcap能在linux上正常工作，则必须使内核支持"packet"协议，也即在编译内核时打开配置选项CONFIG_PACKET（选项缺省为打开）。
./configure
./make
./makeinstall
libpcap源代码由20多个C文件构成，但在Linux系统下并不是所有文件都用到。
可以通过查看命令make的输出了解实际所用的文件。
本文所针对的libpcap版本号为0.8.3，网络类型为常规以太网。
Libpcap应用程序从形式上看很简单，下面是一个简单的程序框架：
char*device;/*用来捕获数据包的网络接口的名称*/
pcap_t*p;/*捕获数据包句柄，最重要的数据结构*/
structbpf_programfcode;/*BPF过滤代码结构*/
/*第一步：
查找可以捕获数据包的设备*/
device=pcap_lookupdev（errbuf）；
/*第二步：
创建捕获句柄，准备进行捕获*/
p=pcap_open_live（device,8000,1,500,errbuf）；
/*第三步：
如果用户设置了过滤条件，则编译和安装过滤代码*/
pcap_compile（p,&fcode,filter_string,0,netmask）；
pcap_setfilter（p,&fcode）；
/*第四步：
进入（死）循环，反复捕获数据包*/
for（;;）
{
while（（ptr=（char*）（pcap_next（p,&hdr）））==NULL）;
/*第五步：
对捕获的数据进行类型转换，转化成以太数据包类型*/
eth=（structlibnet_ethernet_hdr*）ptr;
/*第六步：
对以太头部进行分析，判断所包含的数据包类型，做进一步的处理*/
if（eth->ether_type==ntohs（ETHERTYPE_IP））
…………
if（eth->ether_type==ntohs（ETHERTYPE_ARP））
…………
}
/*最后一步：
关闭捕获句柄,一个简单技巧是在程序初始化时增加信号处理函数，
以便在程序退出前执行本条代码*/
pcap_close（p）；
检查网络设备
libpcap程序的第一步通常是在系统中找到合适的网络接口设备。
网络接口在Linux网络体系中是一个很重要的概念，它是对具体网络硬件设备的一个抽象，在它的下面是具体的网卡驱动程序，而其上则是网络协议层。
Linux中最常见的接口设备名eth0和lo。
Lo称为回路设备，是一种逻辑意义上的设备,其主要目的是为了调试网络程序之间的通讯功能。
eth0对应了实际的物理网卡，在真实网络环境下，数据包的发送和接收都要通过eht0。
如果计算机有多个网卡，则还可以有更多的网络接口，如eth1,eth2等等。
调用命令ifconfig可以列出当前所有活跃的接口及相关信息，注意对eth0的描述中既有物理网卡的MAC地址，也有网络协议的IP地址。
查看文件/proc/net/dev也可获得接口信息。
Libpcap中检查网络设备中主要使用到的函数关系如下图：
libpcap调用pcap_lookupdev（）函数获得可用网络接口的设备名。
首先利用函数getifaddrs（）获得所有网络接口的地址，以及对应的网络掩码、广播地址、目标地址等相关信息，再利用add_addr_to_iflist（）、add_or_find_if（）、get_instance（）把网络接口的信息增加到结构链表pcap_if中，最后从链表中提取第一个接口作为捕获设备。
其中get_instanced（）的功能是从设备名开始,找第一个是数字的字符,做为接口的实例号。
网络接口的设备号越小，则排在链表的越前面，因此，通常函数最后返回的设备名为eth0。
虽然libpcap可以工作在回路接口上，但显然libpcap开发者认为捕获本机进程之间的数据包没有多大意义。
在检查网络设备操作中，主要用到的数据结构和代码如下：
/*libpcap自定义的接口信息链表[pcap.h]*/
structpcap_if
{
structpcap_if*next;
char*name;/*接口设备名*/
char*description;/*接口描述*/
/*接口的IP地址,地址掩码,广播地址,目的地址*/
structpcap_addraddresses;
bpf_u_int32flags;/*接口的参数*/
};
char*pcap_lookupdev（registerchar*errbuf）
{
pcap_if_t*alldevs;
……
pcap_findalldevs（&alldevs,errbuf）；
……
strlcpy（device,alldevs->name,sizeof（device））;
}
打开网络设备
当设备找到后，下一步工作就是打开设备以准备捕获数据包。
Libpcap的包捕获是建立在具体的操作系统所提供的捕获机制上，而Linux系统随着版本的不同，所支持的捕获机制也有所不同。
2.0及以前的内核版本使用一个特殊的socket类型SOCK_PACKET，调用形式是socket（PF_INET,SOCK_PACKET,intprotocol），但Linux内核开发者明确指出这种方式已过时。
Linux在2.2及以后的版本中提供了一种新的协议簇PF_PACKET来实现捕获机制。
PF_PACKET的调用形式为socket（PF_PACKET,intsocket_type,intprotocol），其中socket类型可以是SOCK_RAW和SOCK_DGRAM。
SOCK_RAW类型使得数据包从数据链路层取得后，不做任何修改直接传递给用户程序，而SOCK_DRRAM则要对数据包进行加工（cooked），把数据包的数据链路层头部去掉，而使用一个通用结构sockaddr_ll来保存链路信息。
使用2.0版本内核捕获数据包存在多个问题：
首先，SOCK_PACKET方式使用结构sockaddr_pkt来保存数据链路层信息，但该结构缺乏包类型信息；其次，如果参数MSG_TRUNC传递给读包函数recvmsg（）、recv（）、recvfrom（）等，则函数返回的数据包长度是实际读到的包数据长度，而不是数据包真正的长度。
Libpcap的开发者在源代码中明确建议不使用2.0版本进行捕获。
相对2.0版本SOCK_PACKET方式，2.2版本的PF_PACKET方式则不存在上述两个问题。
在实际应用中，用户程序显然希望直接得到"原始"的数据包，因此使用SOCK_RAW类型最好。
但在下面两种情况下，libpcap不得不使用SOCK_DGRAM类型，从而也必须为数据包合成一个"伪"链路层头部（sockaddr_ll）。
某些类型的设备数据链路层头部不可用：
例如Linux内核的PPP协议实现代码对PPP数据包头部的支持不可靠。
在捕获设备为"any"时：
所有设备意味着libpcap对所有接口进行捕获，为了使包过滤机制能在所有类型的数据包上正常工作,要求所有的数据包有相同的数据链路头部。
打开网络设备的主函数是pcap_open_live（）[pcap-linux.c]，其任务就是通过给定的接口设备名，获得一个捕获句柄：
结构pcap_t。
pcap_t是大多数libpcap函数都要用到的参数，其中最重要的属性则是上面讨论到的三种socket方式中的某一种。
首先我们看看pcap_t的具体构成。
structpcap[pcap-int.h]
{
intfd;/*文件描述字，实际就是socket*/
/*在socket上，可以使用select（）和poll（）等I/O复用类型函数*/
intselectable_fd;
intsnapshot;/*用户期望的捕获数据包最大长度*/
intlinktype;/*设备类型*/
inttzoff;/*时区位置，实际上没有被使用*/
intoffset;/*边界对齐偏移量*/
intbreak_loop;/*强制从读数据包循环中跳出的标志*/
structpcap_sfsf;/*数据包保存到文件的相关配置数据结构*/
structpcap_mdmd;/*具体描述如下*/
intbufsize;/*读缓冲区的长度*/
u_charbuffer;/*读缓冲区指针*/
u_char*bp;
intcc;
u_char*pkt;
/*相关抽象操作的函数指针，最终指向特定操作系统的处理函数*/
int（*read_op）（pcap_t*,intcnt,pcap_handler,u_char*）;
int（*setfilter_op）（pcap_t*,structbpf_program*）;
int（*set_datalink_op）（pcap_t*,int）;
int（*getnonblock_op）（pcap_t*,char*）;
int（*setnonblock_op）（pcap_t*,int,char*）;
int（*stats_op）（pcap_t*,structpcap_stat*）;
void（*close_op）（pcap_t*）;
/*如果BPF过滤代码不能在内核中执行,则将其保存并在用户空间执行*/
structbpf_programfcode;
/*函数调用出错信息缓冲区*/
charerrbuf[PCAP_ERRBUF_SIZE+1];
/*当前设备支持的、可更改的数据链路类型的个数*/
intdlt_count;
/*可更改的数据链路类型号链表，在linux下没有使用*/
int*dlt_list;
/*数据包自定义头部，对数据包捕获时间、捕获长度、真实长度进行描述[pcap.h]*/
structpcap_pkthdrpcap_header;
};
/*包含了捕获句柄的接口、状态、过滤信息[pcap-int.h]*/
structpcap_md{
/*捕获状态结构[pcap.h]*/
structpcap_statstat;
intuse_bpf;/*如果为1，则代表使用内核过滤*/
u_longTotPkts;
u_longTotAccepted;/*被接收数据包数目*/
u_longTotDrops;/*被丢弃数据包数目*/
longTotMissed;/*在过滤进行时被接口丢弃的数据包数目*/
longOrigMissed;/*在过滤进行前被接口丢弃的数据包数目*/
#ifdeflinux
intsock_packet;/*如果为1，则代表使用2.0内核的SOCK_PACKET模式*/
inttimeout;/*pcap_open_live（）函数超时返回时间*/
intclear_promisc;/*关闭时设置接口为非混杂模式*/
intcooked;/*使用SOCK_DGRAM类型*/
intlo_ifindex;/*回路设备索引号*/
char*device;/*接口设备名称*/
/*以混杂模式打开SOCK_PACKET类型socket的pcap_t链表*/
structpcap*next;
#endif
};
函数pcap_open_live（）的调用形式是pcap_t*pcap_open_live（constchar*device,intsnaplen,intpromisc,intto_ms,char*ebuf），其中如果device为NULL或"any"，则对所有接口捕获，snaplen代表用户期望的捕获数据包最大长度，promisc代表设置接口为混杂模式（捕获所有到达接口的数据包，但只有在设备给定的情况下有意义），to_ms代表函数超时返回的时间。
本函数的代码比较简单，其执行步骤如下：
为结构pcap_t分配空间并根据函数入参对其部分属性进行初试化。
分别利用函数live_open_new（）或live_open_old（）尝试创建PF_PACKET方式或SOCK_PACKET方式的socket，注意函数名中一个为"new"，另一个为"old"。
根据socket的方式，设置捕获句柄的读缓冲区长度，并分配空间。
为捕获句柄pcap_t设置linux系统下的特定函数，其中最重要的是读数据包函数和设置过滤器函数。
（注意到这种从抽象模式到具体模式的设计思想在linux源代码中也多次出现，如VFS文件系统）
handle->read_op=pcap_read_linux；handle->setfilter_op=pcap_setfilter_linux；
下面我们依次分析2.2和2.0内核版本下的socket创建函数。
staticint
live_open_new（pcap_t*handle,constchar*device,intpromisc,
intto_ms,char*ebuf）
{
/*如果设备给定,则打开一个RAW类型的套接字,否则,打开DGRAM类型的套接字*/
sock_fd=device?
socket（PF_PACKET,SOCK_RAW,htons（ETH_P_ALL））
:
socket（PF_PACKET,SOCK_DGRAM,htons（ETH_P_ALL））;
/*取得回路设备接口的索引*/
handle->md.lo_ifindex=iface_get_id（sock_fd,"lo",ebuf）;
/*如果设备给定，但接口类型未知或是某些必须工作在加工模式下的特定类型，则使用加工模式*/
if（device）{
/*取得接口的硬件类型*/
arptype=iface_get_arptype（sock_fd,device,ebuf）;
/*linux使用ARPHRD_xxx标识接口的硬件类型，而libpcap使用DLT_xxx
来标识。
本函数是对上述二者的做映射变换，设置句柄的链路层类型为
DLT_xxx，并设置句柄的偏移量为合适的值，使其与链路层头部之和为4的倍数，目的是边界对齐*/
map_arphrd_to_dlt（handle,arptype,1）;
/*如果接口是前面谈到的不支持链路层头部的类型，则退而求其次，使用SOCK_DGRAM模式*/
if（handle->linktype==xxx）
{
close（sock_fd）；
sock_fd=socket（PF_PACKET,SOCK_DGRAM,htons（ETH_P_ALL））;
}
/*获得给定的设备名的索引*/
device_id=iface_get_id（sock_fd,device,ebuf）;
/*把套接字和给定的设备绑定，意味着只从给定的设备上捕获数据包*/
iface_bind（sock_fd,device_id,ebuf）；
}else{/*现在是加工模式*/
handle->md.cooked=1;
/*数据包链路层头部为结构sockaddr_ll，SLL大概是结构名称的简写形式*/
handle->linktype=DLT_LINUX_SLL;
device_id=-1;
}
/*设置给定设备为混杂模式*/
if（device&&promisc）
{
memset（&mr,0,sizeof（mr））;
mr.mr_ifindex=device_id;
mr.mr_type=PACKET_MR_PROMISC;
setsockopt（sock_fd,SOL_PACKET,PACKET_ADD_MEMBERSHIP,
&mr,sizeof（mr））；
}
/*最后把创建的socket保存在句柄pcap_t中*/
handle->fd=sock_fd;
}
/*2.0内核下函数要简单的多，因为只有唯一的一种socket方式*/
staticint
live_open_old（pcap_t*handle,constchar*device,intpromisc,
intto_ms,char*ebuf）
{
/*首先创建一个SOCK_PACKET类型的socket*/
handle->fd=socket（PF_INET,SOCK_PACKET,htons（ETH_P_ALL））;
/*2.0内核下，不支持捕获所有接口，设备必须给定*/
if（!
device）{
strncpy（ebuf,"pcap_open_live:
The\"any\"deviceisn'tsupportedon2.0[.x]-kernelsystems",PCAP_ERRBUF_SIZE）;
break;
}
/*把socket和给定的设备绑定*/
iface_bind_old（handle->fd,device,ebuf）；
/*以下的处理和2.2版本下的相似，有所区别的是如果接口链路层类型未知，则libpcap直接退出*/
arptype=iface_get_arptype（handle->fd,device,ebuf）;
map_arphrd_to_dlt（handle,arptype,0）;
if（handle->linktype==-1）{
snprintf（ebuf,PCAP_ERRBUF_SIZE,"unknownarptype%d",arptype）;
break;
}
/*设置给定设备为混杂模式*/
if（promisc）{
memset（&ifr,0,sizeof（ifr））;
strncpy（ifr.ifr_name,device,sizeof（ifr.ifr_name））;
ioctl（handle->fd,SIOCGIFFLAGS,&ifr）；
ifr.ifr_flags|=IFF_PROMISC;
ioctl（handle->fd,SIOCSIFFLAGS,&ifr）；
}
}
比较上面两个函数的代码，还有两个细节上的区别。
首先是socket与接口绑定所使用的结构：
老式的绑定使用了结构sockaddr，而新式的则使用了2.2内核中定义的通用链路头部层结构sockaddr_ll。
iface_bind_old（intfd,constchar*device,char*ebuf）
{
structsockaddrsaddr;
memset（&saddr,0,sizeof（saddr））;
strncpy（saddr.sa_data,device,sizeof（saddr.sa_data））;
bind（fd,&saddr,sizeof（saddr））；
}
iface_bind（int
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