Programming with pcap译文

首先明确本文的阅读对象。显然，你需要一些C语言的基本知识，除非只想了解pcap的基本原理。你不用是一个编程高手；对于想深入 了解该领 域的编程者，我保证会尽量详细描述相关概念。另外，网络方面的一些知识对阅读本文是有帮助的。本文给出了一个网络包嗅探器，所有的代码已在默认内核 的FreeBSD 4.3上测试通过。

开始: pcap应用程序的格局

首先要了解的是pcap嗅探器的总体布局。代码流程如下：

1. 我们首先要做的是决定要嗅探的接口。在Linux里它可能是eth0，BSD里可能是xl1等等。我们可以用字符串定义它，也可 以询问pcap得到所要使用的接口的名称。
2. 初始化pcap。这里我们要告诉pcap对什么设备进行嗅探。如果愿意，我们可以嗅探多个设备。如何区分它们呢？答案是文件句柄 (File Handle)。和打开文件读写一样，我们必须为我们的嗅探“会话(session)”命名，以便区分其它的任务会话。
3. 如 果我们只想嗅探特定通信(例如：仅TCP/IP包，仅流向23端口的包等等)，我们必须建立一个规则集，“编译”之，然后应用它，这三个步骤关系密切。规 则集用一个字符串保存并转换成pcap认识的格式（因此要编译它），编译工作实际上只是在程序中调用一个函数，不涉及外部程序。然后告诉pcap在我们指 定的会话上应用这个规则。
4. 最后，我们让pcap进入它的主循环。这时，pcap等待有数据包流入。每次得到新数据包，它就会调用我们指定的函数，我们可以 在这个函数里做任何我们想做的事：它可以解析数据包并输出给用户，也可以把数据保存成一个文件，或者什么也不做。
5. 在嗅探到我们需要的东西以后，关闭会话，任务完成。

实际上这是一个很简单的过程。总共五步，其中一步是可选的（就是那个使你感到困惑的第三步）。下面我们开始研究每个步骤及如何实现它 们。

设置嗅探设备

这一步极其简单。有两种方法来设置我们要嗅探的设备。

第一种是简单地让用户告诉我们，考虑下面的程序：

1. #include 
2. #include 
3.  
4. int main(int argc, char *argv[])
5. {
6.     char *dev = argv[1];
7.  
8.     printf("Device: %s ", dev);
9.     return(0);
10. }

用户指定设备名作为程序的第一个参数。现在，字符串"dev"保存了我们要嗅探的，pcap可以认识的接口名（当然，假设用户给我们的 是真实的接口）。

另一种方法也同样简单，看这个程序：

1. #include 
2. #include 
3.  
4. int main(int argc, char *argv[])
5. {
6.     char *dev, errbuf[PCAP_ERRBUF_SIZE];
7.  
8.     dev = pcap_lookupdev(errbuf);
9.     if (dev == NULL) {
10.         fprintf(stderr, "Couldn't find default device: %s ", errbuf);
11.         return(2);
12.     }
13.     printf("Device: %s ", dev);
14.     return(0);
15. }

在这里，由pcap自己来设置设备。“等一下，Tim，”你会说：“errbuf字符串代表什么？”。很多pcap命令允许我们把这个 字符串作为参 数。它的用途是：如果命令执行失败，它会得到出错的细节信息。在这段代码里，如果pcap_lookupdev()失败，errbuf会保存有一个错误信 息。很好，不是吗？

打开设备

建立嗅探会话的任务真的很简单，用pcap_open_live()就可以了。这个函数的原型（取自pcap man）如下：

pcap_t *pcap_open_live(char *device, int snaplen, int promisc, int to_ms,
	    char *ebuf)

第一个参数是设备名，我们在上一节已经介绍过了。snaplen是一个整型值，定义由pcap抓取的包的最大字节数。 promisc，当设置为true时，使接口处于混杂模式（不管怎样，即使设置为false，在一些特定情形下接口可能还是处于混杂模式）。to_ms是 读超时(read time out)，单位为毫秒（0表示没有超时；在一些平台上，这意味着你可能会一直等待直到收到足够数量的包，所以你应该使用一个非零值）。最后，ebuf用于 保存出错信息（就象我们前面的errbuf）。函数返回会话句柄。

为了演示，考虑这个代码段：

1. #include 
2. ...
3. pcap_t *handle;
4.  
5. handle = pcap_open_live(somedev, BUFSIZ, 1, 1000, errbuf);
6. if (handle == NULL) {
7.     fprintf(stderr, "Couldn't open device %s: %s ", somedev, errbuf);
8.     return(2);
9. }

这个代码打开"somedev"字符串指定的设备，告诉它每次读BUFSIZ字节(定义于pcap.h中)，置设备于混杂模式。嗅探直 到有错误发生，错误信息保存到errbuf中，用于后面的错误信息输出。

关于混杂模式vs.非混杂模式：这是两个非常不同的风格。非混杂模式嗅探只监听与本地有直接关系的包。只有发往、源自或本地路由的包会 被嗅 探器捕获。另一方面，混杂模式监听所有线上的通信。在无交换环境中（non-switched environment），所以网络通信都会被监听。它可以让我们得到更多的包，但是，这是可以被检测的：可 以通过测试强可靠性来发现网络中是否有主机正在以混合模式监听，另外混杂工作模式仅仅在非交换式的网络中有效，而且在一个高负载的网络环境中，混杂模式将 消耗大量的系统资源。

通信过滤

通常我们只对特定网络通信感兴趣。比如我们只打算嗅探23端口（telnet）用于搜索密码信息，或者劫持发往21端口的文件 （FTP）， 也可能是DNS通信（port 53 UDP）。无论哪种情形，我们很少会盲目地嗅探所有的网络通信。考虑使用pcap_compile()和 pcap_setfilter()函数。

这个步骤也是相当的简单。调用pcap_open_live()之后我们已经有了一个可用的嗅探会话，可以应用我们的过滤器。为什么不 用if/else语句？两个原因：首先，pcap的过滤器有更好的效率，因为它直接作用于BPF(BSD Packet Filter)同时又减少了直接操作BPF所需的大量步骤。第二，这样简单得多:)

应用我们的过滤器之前，我们必须“编译”它。过滤器表达式为一个规则字符串（char数组）。在tcpdump的man文档里有其语法 的说明 书。阅读语法说明的工作得你自己去做。尽管如此，我们将会尽量使用简单的过滤器表达式，因此你也许足够聪明从而可以从我的例子中领悟出来。

通过pcap_compile()函数来“编译”。它的原型为：

int pcap_compile(pcap_t *p, struct bpf_program *fp, char *str, int optimize, 
	bpf_u_int32 netmask)

第一个参数是我们的会话句柄(前文的例子里是pcap_t *handle)。接下来的参数用于指向存放编译后过滤器的空间。然后是过滤表达式。下一个optimize整数决定表达式是否是“优化的”（0为 false、1为true）。最后，我们要指定网络掩码。函数失败时返回-1；其它值表示成功。

表达式被编译之后，就可以应用它了。使用pcap_setfilter()函数，下面是pcap_setfilter()原型：

int pcap_setfilter(pcap_t *p, struct bpf_program *fp)

很直白，第一个参数是会话句柄，第二个是编译后的表达式。

也许这个代码示例可以帮助你更好地理解：

1. #include 
2. ...
3. pcap_t *handle; /* 会话句 柄 */
4. char dev[] = "rl0"; /* 被嗅探的 设备 */
5. char errbuf[PCAP_ERRBUF_SIZE]; /* 错误信息 */
6. struct bpf_program fp; /* 编译后的过滤表达式 */
7. char filter_exp[] = "port 23"; /* 过 滤表达式 */
8. bpf_u_int32 mask; /* 嗅探设备的网络掩码 */
9. bpf_u_int32 net; /* 嗅探设备 的IP */
10.  
11. if (pcap_lookupnet(dev, &net, &mask, errbuf) == -1) {
12.     fprintf(stderr, "Can't get netmask for device %s ", dev);
13.     net = 0;
14.     mask = 0;
15. }
16. handle = pcap_open_live(dev, BUFSIZ, 1, 1000, errbuf);
17. if (handle == NULL) {
18.     fprintf(stderr, "Couldn't open device %s: %s ", 
19.             somedev, errbuf);
20.     return(2);
21. }
22. if (pcap_compile(handle, &fp, filter_exp, 0, net) == -1) {
23.     fprintf(stderr, "Couldn't parse filter %s: %s ", 
24.             filter_exp, pcap_geterr(handle));
25.     return(2);
26. }
27. if (pcap_setfilter(handle, &fp) == -1) {
28.     fprintf(stderr, "Couldn't install filter %s: %s ",
29.             filter_exp, pcap_geterr(handle));
30.     return(2);
31. }

这个程序在rl0设备上以混杂模式嗅探发往或源自23端口的所有通信。

你可能注意到了，这个例子中有一个之前没讨论过的函数：pcap_lookupnet()。给一个设备名，得到它的IP和网络掩码。为 了应用过滤器，我们就要知道网络掩码，这个函数就可以派上用场了。

经试验发现这个过滤器并不能在所有的操作系统上正常工作。在我的测试环境中，我发现OpenBSD 2.9支持这种过滤器，而FreeBSD 4.3却不行。

正式开始嗅探

到这里我们已经学习了如何定义设备、准备嗅探以及应用过滤器来过滤我们不想嗅探的部分。现在是时候嗅探数据包了。

嗅探数据包有两种主要方法。我们可以一次捕获一个单独的包，也可以进入一个循环，等待N个包流入。我们首先关注如何捕获单个包，之后再 研究循环的方法。就单个包而言，我们用pcap_next()。

pcap_next()的原型很简单：

u_char *pcap_next(pcap_t *p, struct pcap_pkthdr *h)

首个参数是会话句柄。第二个参数是一个指针，它指向的结构用于存放数据包的一般信息，如捕获的时间，包长度，组成包的各部分长度。 pcap_next()返回的*u_char指向捕获的包，稍后我们将会讨论读取数据包本身的方法。

这个例子演示怎样使用pcap_next()来嗅探数据包：

1. #include 
2. #include 
3.  
4. int main(int argc, char *argv[])
5. {
6.     pcap_t *handle; /* 会话句柄 */
7.     char *dev; /* 嗅探的设备 */
8.     char errbuf[PCAP_ERRBUF_SIZE]; /* 错误信息 */
9.     struct bpf_program fp; /* 编译的过滤器 */
10.     char filter_exp[] = "port 23"; /* 过 滤表达式 */
11.     bpf_u_int32 mask; /* 网 络掩码 */
12.     bpf_u_int32 net; /* IP */
13.     struct pcap_pkthdr header; /* pcap头 */
14.     const u_char *packet; /* 数据包 */
15.  
16.     /* 定义设备 */
17.     dev = pcap_lookupdev(errbuf);
18.     if (dev == NULL) {
19.         fprintf(stderr, "Couldn't find default device: %s ", errbuf);
20.         return(2);
21.     }
22.     /* 取得设备属性 */
23.     if (pcap_lookupnet(dev, &net, &mask, errbuf) == -1) {
24.         fprintf(stderr, "Couldn't get netmask for device %s: %s ", 
25.                 dev, errbuf);
26.         net = 0;
27.         mask = 0;
28.     }
29.     /* 以混杂模式打开会话 */
30.     handle = pcap_open_live(dev, BUFSIZ, 1, 1000, errbuf);
31.     if (handle == NULL) {
32.         fprintf(stderr, "Couldn't open device %s: %s ",
33.                 somedev, errbuf);
34.         return(2);
35.     }
36.     /* 编译并应用过滤器 */
37.     if (pcap_compile(handle, &fp, filter_exp, 0, net) == -1) {
38.         fprintf(stderr, "Couldn't parse filter %s: %s ", 
39.                 filter_exp, pcap_geterr(handle));
40.         return(2);
41.     }
42.     if (pcap_setfilter(handle, &fp) == -1) {
43.         fprintf(stderr, "Couldn't install filter %s: %s ",
44.                 filter_exp, pcap_geterr(handle));
45.         return(2);
46.     }
47.     /* 抓取一个数据包 */
48.     packet = pcap_next(handle, &header);
49.     /* 输出数据包长度 */
50.     printf("Jacked a packet with length of [%d] ",
51.             header.len);
52.     /* 关闭会话 */
53.     pcap_close(handle);
54.     return(0);
55. }

这个程序用pcap_lookupdev()取得设备并将其设置为混杂模式，然后开始嗅探。它取得23端口(telnet)上的首个包 后输出这个包 的大小（字节）。此外，这个程序有一个新的函数：pcap_close()，我们等会儿再讨论它（尽管函数名已经说明了一切）。

另一种方法要复杂一些，不过更有用。通常很少有嗅探器直接调用pcap_next()函数（如果有的话），它们更常用的是 pcap_loop()或pcap_dispatch()。要学会这两个函数，你必须先理解回调函数。

回调函数并不是新鲜事物，它们在不少API中普遍存在。回调的概念很简单。假设我的程序要等待某个事件，为简单起见，就说是等待用户输 入 吧。用户每按一次键，我想要通过函数来决定接下来做什么。这个函数就可以是回调函数，每次按下键盘，我的程序就会调用这个回调函数。回到pcap中，回调 函数被调用的时机由用户按下一个键改为pcap嗅探到一个数据包。pcap_loop() 和 pcap_dispatch() 的用法很相似。每次嗅探到一个符合过滤要求（如果存在过滤器的话）的包后就会调用回调函数。

pcap_loop()的原型是：

int pcap_loop(pcap_t *p, int cnt, pcap_handler callback, u_char *user)

首个参数是会话句柄。接下来的cnt参数告诉pcap_loop()返回之前应该嗅探到多少个包（负数表示一直嗅探直到出错为止）。第 三个就是之前讨论的回调函数啦。最后一个参数的作用是传递附加的自定义数据给回调函数，在 一些应用时有用，很多时候直接设为NULL就行。后面我们将会以例子的形式看到pcap用u_char指针传递一些很有意思的信息。 pcap_dispatch()的用法几乎一样，唯一的区别是pcap_dispatch()只处理第一批从系统中收到的包，而pcap_loop()会 继续处理接下来的包直到达到指定数量为止。关于它们的细节差异，请参考pcap的man文档。

拿出cap_loop()的例子之前，我们得了解一下回调函数的原型：

void got_packet(u_char *args, const struct pcap_pkthdr *header,
	const u_char *packet);

首先，它是一个无返回值的函数。这是可以理解的，因为pcap_loop()不知道怎样处理回调函数的返回值。

第一个参数就是我们传给pcap_loop()的最后一个数据。每次回调函数被调用时都可以取得这个数据。

第二个参数是pcap头结构，它含有包何时到达，多大等信息。pcap_pkthdr结构定义于pcap.h之中：

struct pcap_pkthdr {
	struct timeval ts; /* time stamp */
	bpf_u_int32 caplen; /* length of portion present */
	bpf_u_int32 len; /* length this packet (off wire) */
};

结构成员名称完全可以自解释了。

最后的那个参数const u_char *packet是我们最关心的，也是最容易引起pcap初学者混乱的。它是一个u_char指针，指向被pcap_loop()嗅探到的整个数据包的第一 个字节。

怎样使用这个packet参数呢？数据包有很多属性，只要思考一下就会知道，它不是一个真正的字符串，而是一系列的结构（例如， TCP/IP包应该有以太头、IP头、TCP头，最后，还有包的载荷）。这个u_char指针指向的正是这些数据结构的序列化版本，所以在使用之前，要做 类 型转换工作。

首先，我们要定义这些结构，下面定义的是以太网TCP/IP数据包结构。

/* 以太网的地址占6字节 */
#define ETHER_ADDR_LEN 6

/* 以太网头 */
struct sniff_ethernet {
	u_char ether_dhost[ETHER_ADDR_LEN]; /* 目的地址 */
	u_char ether_shost[ETHER_ADDR_LEN]; /* 源地址 */
	u_short ether_type; /* IP? ARP? RARP? 等 */
};

/* IP 头 */
struct sniff_ip {
	u_char ip_vhl; /* version << 4 | header length >> 2 */
	u_char ip_tos; /* type of service */
	u_short ip_len; /* total length */
	u_short ip_id; /* identification */
	u_short ip_off; /* fragment offset field */
#define IP_RF 0x8000 /* reserved fragment flag */
#define IP_DF 0x4000 /* dont fragment flag */
#define IP_MF 0x2000 /* more fragments flag */
#define IP_OFFMASK 0x1fff /* mask for fragmenting bits */
	u_char ip_ttl; /* time to live */
	u_char ip_p; /* protocol */
	u_short ip_sum; /* checksum */
	struct in_addr ip_src,ip_dst; /* source and dest address */
};
#define IP_HL(ip) (((ip)->ip_vhl) & 0x0f)
#define IP_V(ip) (((ip)->ip_vhl) >> 4)

/* TCP 头 */
struct sniff_tcp {
	u_short th_sport; /* source port */
	u_short th_dport; /* destination port */
	tcp_seq th_seq; /* sequence number */
	tcp_seq th_ack; /* acknowledgement number */

	u_char th_offx2; /* data offset, rsvd */
#define TH_OFF(th) (((th)->th_offx2 & 0xf0) >> 4)
	u_char th_flags;
#define TH_FIN 0x01
#define TH_SYN 0x02
#define TH_RST 0x04
#define TH_PUSH 0x08
#define TH_ACK 0x10
#define TH_URG 0x20
#define TH_ECE 0x40
#define TH_CWR 0x80
#define TH_FLAGS (TH_FIN|TH_SYN|TH_RST|TH_ACK|TH_URG|TH_ECE|TH_CWR)
	u_short th_win; /* window */
	u_short th_sum; /* checksum */
	u_short th_urp; /* urgent pointer */
};

注意：我发现在我的Slackware Linux 8(2.2.19内核)里不能编译这个结构。问题出现在include/features.h里，除非在包含它之前定义_BSD_SOURCE，否则将以 POSIX接口实现。所以建议在包含所有头文件之前先加入一行：

#define _BSD_SOURCE 1

这样能确保使用BSD风格的API。当然，如果你不想用预定义，你可以简单地改一下结构，就象我在这里做的那样。

那么，如何把我们神秘的u_char指针应用到pcap工作中来呢？嗯~~这些结构定义了包中的头部数据，那怎样提取这些部分呢？准备 见证指针的典型应用之一吧。

我们还是假设处理以太网的TCP/IP包。同样的方法可用于任何数据包，唯一的区别是你实际所使用的结构类型。让我们从用于解析数据包 的变量声明及预处理定义开始：

1. /* 以太网头总是14字节 */
2. #define SIZE_ETHERNET 14
3.  
4. const struct sniff_ethernet *ethernet; /* The ethernet header */
5. const struct sniff_ip *ip; /* The IP header */
6. const struct sniff_tcp *tcp; /* The TCP header */
7. const char *payload; /* Packet payload */
8.  
9. u_int size_ip;
10. u_int size_tcp;

现在开始神奇的类型转换：

1. ethernet = (struct sniff_ethernet*)(packet);
2. ip = (struct sniff_ip*)(packet + SIZE_ETHERNET);
3. size_ip = IP_HL(ip)*4;
4. if (size_ip < 20) {
5.     printf(" * Invalid IP header length: %u bytes ", size_ip);
6.     return;
7. }
8. tcp = (struct sniff_tcp*)(packet + SIZE_ETHERNET + size_ip);
9. size_tcp = TH_OFF(tcp)*4;
10. if (size_tcp < 20) {
11.     printf(" * Invalid TCP header length: %u bytes ", size_tcp);
12.     return;
13. }
14. payload = (u_char *)(packet + SIZE_ETHERNET + size_ip + size_tcp);

它怎样工作？考虑一下数据包在内存中的布局。u_char指针只是一个包含内存地址的变量，这就是指针的实质，指出内存所在位置。

为了简单起见，就说这个指针指向的地址为X吧。如果我们的这三个结构是线性存储的，那么第一个（sniff_ethernet）结构就 位于地址为X的内存上，接下来我们可以很简单地找到后面的结构：X地址加上14（或SIZE_ETHERNET）字节的以太网头长度。

简而言之，如果我们有头地址，那么后面的结构地址就是当前头地址加上头长度。IP头和以太网头不一样，这的长度是不固定的。它的长度由 它的成员指定，以字(4byte)为单位，所以得到字节长度还得剩上4。最小长度是20字节。

TCP头也是变长的，同样以4字节为一个单位，最小长度也是20字节。

我们来做个表格：

 

变量	位置 (bytes)
sniff_ethernet	X
sniff_ip	X + SIZE_ETHERNET
sniff_tcp	X + SIZE_ETHERNET + {IP header length}
payload	X + SIZE_ETHERNET + {IP header length} + {TCP header length}

第一行的sniff_ethernet结构，正好在X处。sniff_ip，紧跟在sniff_ethernet之后，为X加上以太网 头所占空间(14字节，或SIZE_ETHERNET)。sniff_tcp在sniff_ip后面，因此它的位置是X加上以太网头和IP头的大小。最 后，payload (它不是一个单一的结构，这与上层的协议有关）位于最后。

到这里，我们了解了如何调用回调函数，调用它以及找到嗅探到的包的属性。你所期待的时刻到了：写一个有用的嗅探器。由于代码长度的关 系，我不打算把它放到本文中。你可以到这里下载 sniffex.c并测试它。

Wrapping Up

现在你应该能够用pcap写一个嗅探器了。你已经学习了打开pcap会话、关于它的属性、嗅探数据包、应用过滤器和回调函数的基本概 念。是时候开始嗅探数据了。