基于tcpdump原理手写抓包程序
本公众号作者为Linux内核之旅社区成员-董旭
基于tcpdump原理手动实现抓包程序
前面两篇文章分析tcpdump实现抓包原理：
1、文章1主要从Linux内核角度分析tcpdump旁路嗅探数据包的过程
2、文章2主要从Linux内核角度分析tcpdump利用BPF机制实现数据包捕获前的过滤过程
本次将根据前面的分析，手动写一个基于tcpdump工具原理的简易抓包程序，实现从链路层的抓包，加深一下关于tcpdump原理的印象。
流程分析
1、PF_PACKET协议族的socket
正如在文章1中分析时，以socket(PF_PACKET, SOCK_RAW, htons(ETH_P_ALL))为着手点。我们通常都是通过创建PF_PACKET协议族的socket,用来抓包、分析数据的。
如下，创建一个PF_PACKET类型的socket,type指定为SOCK_RAW,当指定SOCK_RAW时，获取的数据包是一个完整的数据链路层数据包。proticol字段设置为htons(ETH_P_ALL)，表示接收端数据链路层所有协议帧。
/*socket函数原型：
#include <sys/socket.h>
sockfd = socket(int socket_family, int socket_type, int protocol);
*/
sock = socket(AF_PACKET, SOCK_RAW, htons(ETH_P_ALL));
if (sock < 0) {
perror("socket");
return 1;
}
2、设置链路层属性
核心结构体：struct sockaddr_ll
struct sockaddr_ll
{
unsigned short int sll_family; /* 一般为AF_PACKET */
unsigned short int sll_protocol; /* 上层协议类型 */
int sll_ifindex; /* 网卡接口索引号，0 匹配所有的网络接口卡 */
unsigned short int sll_hatype; /* 报头类型 */
unsigned char sll_pkttype; /* 包类型 */
unsigned char sll_halen; /* 地址长度 */
unsigned char sll_addr[8]; /* MAC地址 */
};
该结构体为设备无关的物理层地址结构，数据链路层的头信息通常定义在sockaddr_all的结构体中，当发送数据包时，指定 sll_family, sll_addr, sll_halen, sll_ifindex, sll_protocol 就足够了。其它字段设置为0；sll_hatype和 sll_pkttype是在接收数据包时使用的；如果要bind, 只需要使用 sll_protocol和 sll_ifindex就足够。
struct sockaddr_ll addr;
memset(&addr, 0, sizeof(addr));
addr.sll_ifindex = if_nametoindex(name);//name为当前要抓包的网卡接口名称
addr.sll_family = AF_PACKET;
addr.sll_protocol = htons(ETH_P_ALL);
3、将创建的soccket与地址绑定
if (bind(sock, (struct sockaddr *) &addr, sizeof(addr))) {
perror("bind");
return 1;
}
4、抓包的过滤条件
在文章2中，介绍了BPF过滤机制，在tcpdump的过滤机制中有一个重要的结构体:struct sock_filter，同时也是cBPF汇编的一个框架
struct sock_filter {
__u16 code; /*指令 32位*/
__u8 jt; /* jt是指令结果为true的跳转 */
__u8 jf; /* jf是为false的跳转 */
__u32 k; /* 指令参数*/
};
该结构体一般是封装在struct sock_fprog中使用:
struct sock_fprog
{
unsigned short len;
struct sock_filter *filter;
};
在文章1中分析过，使用tcpdump -d参数可以生成BPF汇编伪代码：
dx@ubuntu:~$ sudo tcpdump -d 'ip and tcp port 80'
(000) ldh [12]
(001) jeq #0x800 jt 2 jf 12
(002) ldb [23]
(003) jeq #0x6 jt 4 jf 12
(004) ldh [20]
(005) jset #0x1fff jt 12 jf 6
(006) ldxb 4*([14]&0xf)
(007) ldh [x + 14]
(008) jeq #0x50 jt 11 jf 9
(009) ldh [x + 16]
(010) jeq #0x50 jt 11 jf 12
(011) ret #262144
(012) ret #0
这种伪代码在C程序中是无法使用的，需要借用tcpdump -dd参数生成等效的c代码：
dx@ubuntu:~$ sudo tcpdump -dd 'ip and tcp port 80'
{ 0x28, 0, 0, 0x0000000c },
{ 0x15, 0, 10, 0x00000800 },
{ 0x30, 0, 0, 0x00000017 },
{ 0x15, 0, 8, 0x00000006 },
{ 0x28, 0, 0, 0x00000014 },
{ 0x45, 6, 0, 0x00001fff },
{ 0xb1, 0, 0, 0x0000000e },
{ 0x48, 0, 0, 0x0000000e },
{ 0x15, 2, 0, 0x00000050 },
{ 0x48, 0, 0, 0x00000010 },
{ 0x15, 0, 1, 0x00000050 },
{ 0x6, 0, 0, 0x00040000 },
{ 0x6, 0, 0, 0x00000000 },
这段代码就是struct sock_filter：
static struct sock_filter bpfcode[13] = {
{ 0x28, 0, 0, 0x0000000c },
{ 0x15, 0, 10, 0x00000800 },
{ 0x30, 0, 0, 0x00000017 },
{ 0x15, 0, 8, 0x00000006 },
{ 0x28, 0, 0, 0x00000014 },
{ 0x45, 6, 0, 0x00001fff },
{ 0xb1, 0, 0, 0x0000000e },
{ 0x48, 0, 0, 0x0000000e },
{ 0x15, 2, 0, 0x00000050 },
{ 0x48, 0, 0, 0x00000010 },
{ 0x15, 0, 1, 0x00000050 },
{ 0x6, 0, 0, 0x00040000 },
{ 0x6, 0, 0, 0x00000000 },
};
struct sock_fprog bpf = { 13, bpfcode };
5、设置BPF过滤器
Linux在安装和卸载过滤器时都使用了函数setsockopt(),其中标志SOL_SOCKET代表对socket进行设置，SO_ATTACH_FILTER表示安装过滤器动作，setsockopt在内核中的调用可以看文章2。
setsockopt(sd, SOL_SOCKET, SO_ATTACH_FILTER, &Filter, sizeof(Filter));
if (setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_ATTACH_FILTER, &bpf, sizeof(bpf))) {
perror("setsockopt ATTACH_FILTER");
return 1;
}
6、设置网卡的混杂模式
关键结构体：struct packet_mreq
struct packet_mreq
{
intmr_ifindex; /* 接口索引 */
unsigned shortmr_type; /* mreq 类型 */
unsigned shortmr_alen; /* 地址长度 */
unsigned charmr_address[8]; /* 物理地址 */
};
混杂模式：
混杂模式就是接收所有经过网卡的数据包，包括不是发给本机的包，默认情况下网卡只把发给本机的包（包括广播包）传递给上层程序，其它的包一律丢弃；简单的讲，混杂模式就是指网卡能接受所有通过它的数据流，不管是什么格式，什么地址，当网卡处于混杂模式时，该网卡就具有“广播地址”，它对所有遇到的每一个数据帧都产生一个硬件中断，以便提醒操作系统处理流经过该物理媒体上的每一个报文包。
通过shortmr_type字段可以设置混杂模式
struct packet_mreq mreq;
memset(&mreq, 0, sizeof(mreq));
mreq.mr_type = PACKET_MR_PROMISC;//设置混杂模式
mreq.mr_ifindex = if_nametoindex(name);
将设置的混杂模式设置到socket:
if (setsockopt(sock, SOL_PACKET,
PACKET_ADD_MEMBERSHIP, (char *)&mreq, sizeof(mreq))) {
perror("setsockopt MR_PROMISC");//ACKET_ADD_MEMBERSHIP 用于增加一个绑定
return 1;
}
7、定义要获得的数据报文信息
源和目的MAC地址
关键结构体：
struct ether_header
{
uint8_t ether_dhost[ETH_ALEN]; /* 目的MAC地址 */
uint8_t ether_shost[ETH_ALEN]; /* 源MAC地址 */
uint16_t ether_type; /* packet type ID field */
};
IP信息(源、目的IP，IP版本)、上层协议类型
struct iphdr
{
#if __BYTE_ORDER == __LITTLE_ENDIAN
unsigned int ihl:4;
unsigned int version:4;
#elif __BYTE_ORDER == __BIG_ENDIAN
unsigned int version:4;
unsigned int ihl:4;
#else
# error "Please fix <bits/endian.h>"
#endif
uint8_t tos;
uint16_t tot_len;
uint16_t id;
uint16_t frag_off;
uint8_t ttl;
uint8_t protocol; //上层协议类型
uint16_t check;
uint32_t saddr; //源地址
uint32_t daddr; //目的地址
/*The options start here. */
};
8、循环接收捕获的数据包
在文章1中，分析了数据包是怎样捕获的:
回顾：
tcpdump进行抓包的内核流程梳理
应用层通过libpcap库：调用系统调用创建socket, sock_fd = socket(PF_PACKET, SOCK_RAW, htons(ETH_P_ALL));tcpdump在socket创建过程中创建packet_type(struct packet_type),并挂载到全局的ptype_all链表上。(同时在packet_type设置回调函数packet_rcv网络收包/发包时，会在各自的处理函数(收包时： __netif_receive_skb_core，发包时：dev_queue_xmit_nit)中遍历ptype_all链表，并同时执行其回调函数，这里tcpdump的注册的回调函数就是packet_rcvpacket_rcv函数中会将用户设置的过滤条件，通过BPF进行过滤，并将过滤的数据包添加到接收队列中 应用层调用recvfrom 。PF_PACKET 协议簇模块调用packet_recvmsg 将接收队列中的数据copy应用层，到此将数据包捕获到。
所以上面创建好的PF_PACKET类型socket，并设置好过滤器后，当网卡有数据进出时，就已经将数据报文添加到了接收队列上了，下面只需要我们进行recv获取数据报文即可。
for (;;) {
n = recv(sock, buf, sizeof(buf), 0);
if (n < 1) {
perror("recv");
return 0;
}
//获取链路层的源和目的地址
mac_hdr=(struct ether_header *)buf;
ip = (struct iphdr *)(buf + sizeof(struct ether_header));
inet_ntop(AF_INET, &ip->saddr, saddr_str, sizeof(saddr_str));
inet_ntop(AF_INET, &ip->daddr, daddr_str, sizeof(daddr_str));
switch (ip->protocol) {
#define PTOSTR(_p,_str) \
case _p: proto_str = _str; break
PTOSTR(IPPROTO_ICMP, "icmp");
PTOSTR(IPPROTO_TCP, "tcp");
PTOSTR(IPPROTO_UDP, "udp");
default:
proto_str = "";
break;
}
printf(" SMAC:%X:%X:%X:%X:%X:%X",
(u_char)mac_hdr->ether_shost[0],
(u_char)mac_hdr->ether_shost[1],
(u_char)mac_hdr->ether_shost[2],
(u_char)mac_hdr->ether_shost[3],
(u_char)mac_hdr->ether_shost[4],
(u_char)mac_hdr->ether_shost[5]
);
printf(" ==> DMAC:%X:%X:%X:%X:%X:%X ",
(u_char)mac_hdr->ether_dhost[0],
(u_char)mac_hdr->ether_dhost[1],
(u_char)mac_hdr->ether_dhost[2],
(u_char)mac_hdr->ether_dhost[3],
(u_char)mac_hdr->ether_dhost[4],
(u_char)mac_hdr->ether_dhost[5]
);
printf("IPv%d proto=%d(%s) src=%s dst=%s\n",
ip->version, ip->protocol, proto_str, saddr_str, daddr_str);
}
至此，从创建socket，到设置socket过滤器、网卡工作模式，到接收捕获的数据包就结束了。
附：源代码
实现捕获数据包的过滤条件：ip and tcp port 80
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <net/if.h>
#include <net/ethernet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netpacket/packet.h>
#include <linux/filter.h>
static struct sock_filter bpfcode[13] = {
{ 0x28, 0, 0, 0x0000000c },
{ 0x15, 0, 10, 0x00000800 },
{ 0x30, 0, 0, 0x00000017 },
{ 0x15, 0, 8, 0x00000006 },
{ 0x28, 0, 0, 0x00000014 },
{ 0x45, 6, 0, 0x00001fff },
{ 0xb1, 0, 0, 0x0000000e },
{ 0x48, 0, 0, 0x0000000e },
{ 0x15, 2, 0, 0x00000050 },
{ 0x48, 0, 0, 0x00000010 },
{ 0x15, 0, 1, 0x00000050 },
{ 0x6, 0, 0, 0x00040000 },
{ 0x6, 0, 0, 0x00000000 },
};
int main(int argc, char **argv)
{
int sock;
int n;
char buf[2000];
struct sockaddr_ll addr;
struct packet_mreq mreq;
struct iphdr *ip;
struct ether_header *mac_hdr;
char saddr_str[INET_ADDRSTRLEN], daddr_str[INET_ADDRSTRLEN];
char *proto_str;
char *name;
struct sock_fprog bpf = { 13, bpfcode };
if (argc != 2) {
printf("Usage: %s ifname\n", argv[0]);
return 1;
}
name = argv[1];
sock = socket(AF_PACKET, SOCK_RAW, htons(ETH_P_ALL));
if (sock < 0) {
perror("socket");
return 1;
}
memset(&addr, 0, sizeof(addr));
addr.sll_ifindex = if_nametoindex(name);
addr.sll_family = AF_PACKET;
addr.sll_protocol = htons(ETH_P_ALL);
if (bind(sock, (struct sockaddr *) &addr, sizeof(addr))) {
perror("bind");
return 1;
}
if (setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_ATTACH_FILTER, &bpf, sizeof(bpf))) {
perror("setsockopt ATTACH_FILTER");
return 1;
}
memset(&mreq, 0, sizeof(mreq));
mreq.mr_type = PACKET_MR_PROMISC;
mreq.mr_ifindex = if_nametoindex(name);
if (setsockopt(sock, SOL_PACKET,
PACKET_ADD_MEMBERSHIP, (char *)&mreq, sizeof(mreq))) {
perror("setsockopt MR_PROMISC");
return 1;
}
for (;;) {
n = recv(sock, buf, sizeof(buf), 0);
if (n < 1) {
perror("recv");
return 0;
}
//获取链路层的源和目的地址
mac_hdr=(struct ether_header *)buf;
ip = (struct iphdr *)(buf + sizeof(struct ether_header));
inet_ntop(AF_INET, &ip->saddr, saddr_str, sizeof(saddr_str));
inet_ntop(AF_INET, &ip->daddr, daddr_str, sizeof(daddr_str));
switch (ip->protocol) {
#define PTOSTR(_p,_str) \
case _p: proto_str = _str; break
PTOSTR(IPPROTO_ICMP, "icmp");
PTOSTR(IPPROTO_TCP, "tcp");
PTOSTR(IPPROTO_UDP, "udp");
default:
proto_str = "";
break;
}
printf(" SMAC:%X:%X:%X:%X:%X:%X",
(u_char)mac_hdr->ether_shost[0],
(u_char)mac_hdr->ether_shost[1],
(u_char)mac_hdr->ether_shost[2],
(u_char)mac_hdr->ether_shost[3],
(u_char)mac_hdr->ether_shost[4],
(u_char)mac_hdr->ether_shost[5]
);
printf(" ==> DMAC:%X:%X:%X:%X:%X:%X ",
(u_char)mac_hdr->ether_dhost[0],
(u_char)mac_hdr->ether_dhost[1],
(u_char)mac_hdr->ether_dhost[2],
(u_char)mac_hdr->ether_dhost[3],
(u_char)mac_hdr->ether_dhost[4],
(u_char)mac_hdr->ether_dhost[5]
);
printf("IPv%d proto=%d(%s) src=%s dst=%s\n",
ip->version, ip->protocol, proto_str, saddr_str, daddr_str);
}
return 0;
}
运行：
注意：程序指定的参数：ens33为自己的网卡接口名称，可以通过ip addr进行查看。