基于libcapwinpcap的网络编程.docx

1、基于libcapwinpcap的网络编程第五章 基于libpcap的网络编程技术51 常见的包捕获机制简介包捕获就是利用以太网的介质共享的特性，通过将网络适配器设置为混杂模式的方法，接收到所有网络上的以太网帧。包捕获的机制大致可以分为两类：一类是由操作系统内核提供的捕获机制。另一类是由应用软件或系统开发包捕获驱动程序提供的捕获机制。常见的包捕获机制如表5-1所示。其中最主要的是下列4种： BPF（Berkeley Packet Filter） DLPI（Data Link Provider Interface） NIT（Network Interface Tap） SOCK-PACKET类型套

2、接口。BPF由基于BSD的Unix系统内核所实现。DLPI是Solaris（和其他System V UNIX）系统的内嵌子系统。NIT是SUN OS4系统的一部分，但在Solaris /SUN OS5中被DLPI所取代。Linux核心则实现了SOCK-PACKET的包捕获机制。从性能上看，BPF比DLPI和NIT 好得多，SOCK-PACKET最弱。表5-1 常用的包捕获机制由于现在很多局域网为NT网，其网络传输方式大多采用以太网标准，所以涉及的编程也是在Windows环境下实现的。Windows操作系统没有提供包捕获机制，只提供了数量很少并且功能有限的API调用。在Windows环境下由于其

3、自身的封装性，很难对其底层进行编程。本章将对BSD系列的libpcap进行深入地介绍。5.2 Libpcap与BPF（1）libpcap概述libpcap(Packet Capture library)，即数据包捕获函数库。该库提供的C函数接口可用于捕获经过网络接口(只要经过该接口，目标地址不一定为本机)的数据包。它是由洛仑兹伯克利试验室的研究人员Steven McCanne和Van Jacobson于1993年在Usenix93会议上正式提出的一种用于Unix内核数据包过滤体制 。该函数库支持Linux、Solaris和BSD系统平台。采用libpcap可以捕获本地网络数据链路层上的数据。l

4、ibpcap库是基于BPF(Berkeley Packet Filter：BSD包过滤器)系统的。BPF是BSD系统在的TCP/IP软件在实现的时候所提供的一个接口，通过这个接口，外部程序可以得到到达本机的数据链路层网络数据，同时也可以设置过滤器，嵌入到网络软件中，获得过滤后的数据包。（2）BPF结构及工作原理BPF或者BSD Packet Filter是一种由steven McCanne和Van Jacobson提出的内核包捕获的体系结构，它使得UNIX下的应用程序通过一个高度优化的方法读取流经网图5-1 BPF工作原理络适配器的数据包。winpcap的核心网络驱动程序也是采用这种结构的。它

5、主要由两部分组成：Network tap和Packet Filter。Network tap是一个回调函数（callback function）， 并不是直接由BPF执行，当一个新的数据包到达时，由网络适配器的设备驱动程序激活，它从网络拷贝每个数据包，并且将它们分发到对应的应用程序。Packet filter来决定一个数据包是否需要进行接收和拷贝到相应的应用程序，同时还提供一种很复杂的功能，可以确定需要进行拷贝的数据的长度。BPF的工作原理如图5-1所示。由Network tap不断地从网络适配器获得数据包，通过packet filter的判断后，拷贝数据到内核store buffer，当st

6、ore buffer填满后，将和hold buffer进行数据交换，再由hold buffer将数据拷贝到处于用户层的user buffer中。由于采用这种内核过滤、数据包双缓冲、数据包批拷贝的方式，减少了用户态进程调用内核的次数，极大地提高了数据包的处理能力。在系统实现的过程中可以充分利用BPF过滤模型的这种特性，通过根据不同的网络侦听的需求，如针对特定的协议、特定的机器等，设置内核过滤器，减少捕获的数据的大小，同时增加内核缓冲区的大小，使系统能够获得一个很好的性能。BPF的结构如图5-2所示。libpcap在BPF的基础上提供了实用的接口函数供其它程序调用，既可以捕获网络上的数据，也可以打

7、开tcpdump和tcpslice格式的数据，进行分析。同时也可以根据需要，设置过滤器，获得感兴趣的数据包。可以编辑简单的BPF过滤器对数据进行过滤，获得指定的IP包、TCP包等。如下所示：可以用tcpdump的过滤表达式进行过滤：tcpdump tcp 21表示获得FTP端口(21)的所有的TCP数据，即通过21端口进出的数据，其它的数据全部丢弃。图5-2 BPF的结构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

8、 CONFIG_PACKET(选项缺省为打开)。./configure./make./make install5.3 libpcap库函数与数据结构（1）libpcap库函数libpcap所提供的主要函数如下：1) pcap_t *pcap_open_live();用于获取一个包捕获描述符2) char *pcap_lookupdev();返回一个适于pcap_open_live()和pcap_lookupnet()函数使用的指向网络设备的指针3) int pcap_lookupnet();用于判断与网络设备相关的网络号和掩码4) int pcap_dispatch()或int pcap_lo

9、op();收集和处理数据包5) void pcap_dump();将一个包输出到由pcap_dump_open（）打开的保存文件中6) int pcap_compile();用于将过滤规则字符串编译成一个内核过滤程序7) int pcap_setfilter();设定一个过滤程序8) int pcap_datalink();返回数据链路层类型，如10M以太网，SLIP，PPP，FDDI，ATM，IEEE802.3等9) void pcap_close();关闭关联文件并回收资源 10) int pcap_stats(pcap_t *, struct pcap_stat *); 11) int

10、pcap_read(pcap_t *, int cnt, pcap_handler, u_char *); 除了上面列出的主要函数外，libpcap还提供一些其他的函数，将在后面介绍。dump文件格式：文件头：struct pcap_file_header bpf_u_int32 magic; / 0xa1b2c3d4 u_short version_major; u_short version_minor; bpf_int32 thiszone; bpf_u_int32 sigfigs; bpf_u_int32 snaplen; bpf_u_int32 linktype; ;每一个包的包头和

11、数据struct pcap_pkthdr struct timeval ts; bpf_u_int32 caplen; bpf_u_int32 len;其中数据部分的长度为caplen（2）libpcap数据结构相关的数据结构：typedef void (*pcap_handler)(u_char *, const struct pcap_pkthdr *,const u_char *);typedef struct pcap pcap_t;struct bpf_program u_int bf_len;struct bpf_insn *bf_insns; （3）利用libpcap函数库开发应

12、用程序的基本步骤图5-3说明了libpcap的应用步骤。图5-3 libpcap的调用流程 下面列出libpcap应用过程中的几个关键函数。获取设备名 char *pcap_lookupdev(char *errbuf)该函数用于返回可被pcap_open_live()或pcap_lookupnet()函数调用的网络设备名（一个字符串指针）。如果函数出错，则返回NULL，同时errbuf中存放相关的错误消息。获取网络号和掩码int pcap_lookupnet(char *device, bpf_u_int32*netp,bpf_u_int32 *maskp, char *errbuf)获得指

13、定网络设备的网络号和掩码。netp参数和maskp参数都是bpf_u_int32指针。如果函数出错，则返回-1，同时errbuf中存放相关的错误消息。打开设备pcap_t * pcap_open_live ( char * device, int snaplen, int promisc, int to_ms, char * errbuf );获得用于捕获网络数据包的数据包捕获句柄，后续很多libpcap函数将使用该句柄，类似于文件操作函数频繁使用文件句柄。device参数为指定打开的网络设备名，比如eth0。snaplen参数定义捕获数据的最大字节数。promisc指定是否将网络接口置于混杂

14、模式。to_ms参数指定超时时间（毫秒），测试下来的结论，0可能代表永不超时。errbuf参数则仅在pcap_open_live()函数出错返回NULL时用于传递错误消息。/usr/include/pcap.htypedef struct pcap pcap_t;pcap-int.h里定义了struct pcap struct pcap int fd; int snapshot; int linktype; int tzoff; /* timezone offset*/ int offset; /* offset for proper alignment*/ struct pcap_sf sf

15、; struct pcap_md md; int bufsize; /* Read buffer*/ u_char *buffer; u_char *bp; int cc; u_char *pkt; /* Place holder for pcap_next()*/ struct bpf_program fcode;/* Placeholder for filter code if bpf not in kernel. */ charerrbufPCAP_ERRBUF_SIZE;编译、优化、调试过滤规则int pcap_compile ( pcap_t * p, struct bpf_prog

16、ram * fp, char * str, int optimize, bpf_u_int32 netmask ); 该函数用于解析过滤规则串，填写bpf_program结构。str指向过滤规则串，格式参看tcpdump的man手册，比如： tcpdump -x -vv -n -t ip proto tcp and dst 192.168.8.90 and tcp13 & 2 = 2这条过滤规则将捕捉所有携带SYN标志的到192.168.8.90的TCP报文。过滤规则串可以是空串( )，表示抓取所有过路的报文。optimize为1表示对过滤规则进行优化处理。netmask指定子网掩码，一般从p

17、cap_lookupnet()调用中获取。返回值小于零表示调用失败。这个函数可能比较难于理解，涉及的概念源自BPF，Linux系统没有这种概念，但是libpcap采用pcap_compile()和pcap_setfilter()结合的办法屏蔽了各种链路层支持的不同，无论是SOCK_PACKET，还是DLPI。int pcap_setfilter ( pcap_t * p, struct bpf_program * fp );该函数用于设置pcap_compile()解析完毕的过滤规则。fp参数是bpf_program结构指针，通常取自pcap_compile()函数调用。出错时返回-1；成功时

18、返回0。抓取下一个数据包抓取数据包int pcap_dispatch ( pcap_t * p, int cnt, pcap_handler callback, u_char * user );捕获并处理数据包，即该函数用于捕捉报文、分发报文到预先指定好的处理函数(回调函数)。其中，cnt参数指定函数返回前所处理数据包的最大值，pcap_dispatch()接收够cnt个报文便返回。Cnt为-1表示在一个缓冲区中处理所有的数据包。如果cnt为0，仅当发生错误、读取到EOF或者读超时到了(pcap_open_live中指定)才停止捕捉报文并返回。callback参数指定一个带有三个参数的回调函数

19、用于处理pcap_dispatch()所捕获的报文。回调函数的三个参数为： typedef void ( *pcap_handler ) ( u_char *, const struct pcap_pkthdr *, const u_char * );一个从pcap_dispatch()函数传递过来的u_char指针，一个pcap_pkthdr结构的指针，和一个数据包大小的u_char指针。如果成功则pcap_dispatch()返回捕捉到的报文个数，如果在读取静态文件(以前包捕捉过程中存储下来的)时碰到EOF则返回0。返回-1表示发生错误，此时可以用pcap_perror()、pcap_ge

20、terr()显示错误信息。-/usr/include/pcap.h/* Each packet in the dump file is prepended with this generic header.* This gets around the problem of different headers for different* packet interfaces.*/struct pcap_pkthdr struct timeval ts; /* time stamp */ bpf_u_int32 caplen; /* length of portion present */ bpf

21、_u_int32 len; /* length this packet (off wire) */;/usr/include/net/bpf.h/* Structure prepended to each packet.*/struct bpf_hdr struct timeval bh_tstamp; /* time stamp */ bpf_u_int32 bh_caplen; /* length of captured portion */ bpf_u_int32 bh_datalen; /* original length of packet */ u_short bh_hdrlen;

22、 /* length of bpf header (this struct plus alignment padding) */;/* Because the structure above is not a multiple of 4 bytes, some compilers* will insist on inserting padding; hence, sizeof(struct bpf_hdr) wont work.* Only the kernel needs to know about it; applications use bh_hdrlen.*/#ifdef KERNEL

23、#define SIZEOF_BPF_HDR 18#endif- int pcap_loop(pcap_t *p, int cnt, pcap_handler callback, u_char *user) 功能基本与pcap_dispatch()函数相同，只不过此函数在cnt个数据包被处理或出现错误时才返回，但读取超时不会返回。而如果为pcap_open_live()函数指定了一个非零值的超时设置，然后调用pcap_dispatch()函数，则当超时发生时pcap_dispatch()函数会返回。cnt参数为负值时pcap_loop()函数将始终循环运行，除非出现错误。例如：pcap_loo

24、p(pd, 10, eth_printer, NULL);主循环,开始抓包,共抓10个(由第二个参数指定),抓到包后就进入函数eth_printer􀂄 u_char *pcap_next(pcap_t *p, structpcap_pkthdr *h) 返回指向下一个数据包的u_char指针。关闭void pcap_close(pcap_t *p)关闭p参数相应的文件，并释放资源。出错处理象其它库一样,libpcap 也有自己的错误处理机制。基本上每个函数都有返回值,出错时返回值小于零。void pcap_perror(pcap_t *, char *);char *pcap

25、_strerror(int);char *pcap_geterr(pcap_t *);在pcap_t 中有一个成员存了错误字串struct pcap .char errbufPCAP_ERRBUF_SIZE;其他的辅助函数􀂄 pcap_read() 打开设备 pcap_next() 循环包捕获脱机方式监听部分：Libpcap 支持脱机监听。即先将网络上的数据截获下来，存到磁盘上，再以后方便时从磁盘上获取数据来做分析。主要函数为pcap_open_offline()pcap_offline_read ()FILE *pcap_file(pcap_t *p)返回被打开文件的文件名

26、。􀂄 int pcap_fileno(pcap_t *p)返回被打开文件的文件描述字号码。int pcap_snapshot(pcap_t *);返回最长抓多少字节,就是在pcap_open_live中第二个参数设置int pcap_stats(pcap_t *, struct pcap_stat *);计数,共抓了多少过滤掉了多少struct pcap_stat u_int ps_recv; /* number of packets received */u_int ps_drop; /* number of packets dropped */u_int ps_ifdro

27、p; /* drops by interface XXX notyet supported */;int pcap_datalink(pcap_t *);返回网络类型,如 DLT_EN10MB 就是10M以太网int pcap_major_version(pcap_t *);返回libpcap主版本号int pcap_minor_version(pcap_t *);返回libpcap次版本号5.4 Libpcap的应用实例上面详细说明了libpcap的调用过程和步骤，下面通过两个具体的例子来说明libpcap库的应用。例5-1 一个简单的Libpcap测试程序（1） test.CXX#ifde

28、f _cplusplusextern C #endif#include #ifdef _cplusplus#endifvoid printer(u_char * user, const struct pcap_pkthdr * h, const u_char * p)printf(I get one packet! );#define DEFAULT_SNAPLEN 68int main()char ebufPCAP_ERRBUF_SIZE;char *device = pcap_lookupdev(ebuf);bpf_u_int32 localnet, netmask;pcap_lookup

29、net(device, &localnet, &netmask, ebuf);printf(%u.%u.%u.%u, localnet&0xff, localnet8&0xff,localnet16&0xff, localnet24&0xff);printf(:%d.%d.%d.%d , netmask&0xff, netmask8&0xff,netmask16&0xff, netmask24&0xff);struct pcap_t *pd = pcap_open_live(device, DEFAULT_SNAPLEN, 0, 1000, ebuf);if(pcap_datalink(pd) = DLT_EN10MB)printf(10Mb以太网 );struct bpf_program fcode;pcap_compile(pd, &fcode, NULL, 1, 0);pcap_setfilter(pd, &fcode);pcap_loop(pd, 10, printer, NULL);struct pcap_stat stat;p