自己动手写网络抓包工具

看了太多的“自己动手”，这次咱也“自己动手”一下，写个简单的网络抓包工具吧。要写出像tcpdump和wireshark(ethereal)这样的大牛程序来，咱也没那能耐，呵呵。所以这个工具只能抓取本地IP数据报，同时它还使用了BPF，目的是了解如何进行简单有效的网络抓包。

当打开一个标准SOCKET套接口时，我们比较熟悉的协议往往是用AF_INET来建立基于TCP(SOCK_STREAM)或UDP(SOCK_DGRAM)的链接。但是这些只用于IP层以上，要想从更底层抓包，我们需要使用AF_PACKET来建立套接字，它支持SOCK_RAW和SOCK_DGRAM，它们都能从底层抓包，不同的是后者得到的数据不包括以太网帧头(最开始的14个字节)。好了，现在我们就知道该怎样建立SOCKET套接口了：

1. sock = socket(AF_PACKET, SOCK_RAW, htons(ETH_P_IP));

最后一个参数 ETH_P_IP 指出，我们只对IP包感兴趣，而不是ARP，RARP等。之后就可以用recvfrom从套接口读取数据了。

现在我们可以抓到发往本地的所有IP数据报了，那么有没有办法抓到那些“流经”本地的数据呢？呵呵，当然可以了，这种技术叫网络嗅探(sniff)，它很能威胁网络安全，也非常有用，尤其是当你对网内其他用户的隐私感兴趣时:(  由于以太网数据包是对整个网段广播的，所以网内所有用户都能收到其他用户发出的数据，只是默认的，网卡只接收目的地址是自己或广播地址的数据，而把不是发往自己的数据包丢弃。但是多数网卡驱动会提供一种混杂模式(promiscous mode)，工作在这种模式下的网卡会接收网络内的所有数据，不管它是发给谁的。下面的方法可以把网卡设成混杂模式：

1.       // set NIC to promiscous mode, so we can recieve all packets of the network
2.       strncpy(ethreq.ifr_name, "eth0", IFNAMSIZ);
3.       ioctl(sock, SIOCGIFFLAGS, &ethreq);
4.       ethreq.ifr_flags |= IFF_PROMISC;
5.       ioctl(sock, SIOCSIFFLAGS, &ethreq);

通过ifconfig可以很容易的查看当前网卡是否工作在混杂模式(PROMISC)。但是请注意，程序退出后，网卡的工作模式不会改变，所以别忘了关闭网卡的混杂模式：

1.       // turn off promiscous mode
2.       ethreq.ifr_flags &= ~IFF_PROMISC;
3.       ioctl(sock, SIOCSIFFLAGS, &ethreq);

现在我们可以抓到本网段的所有IP数据包了，但是问题也来了：那么多的数据，怎么处理？CPU可能会被严重占用，而且绝大多数的数据我们可能根本就不敢兴趣！那怎么办呢？用if语句？可能要n多个，而且丝毫不会降低内核的繁忙程度。最好的办法就是告诉内核，把不感兴趣的数据过滤掉，不要往应用层送。BPF就为此而生。

BPF(Berkeley Packet Filter)是一种类是汇编的伪代码语言，它也有命令代码和操作数。例如，如果我们只对用户192.168.1.4的数据感兴趣，可以用tcpdump的-d选项生成BPF代码如下：

1.       $tcpdump -d host 192.168.1.4
3.       (000) ldh      [12]
4.       (001) jeq      #0x800           jt 2 jf 6
5.       (002) ld       [26]
6.       (003) jeq      #0xc0a80104      jt 12 jf 4
7.       (004) ld       [30]
8.       (005) jeq      #0xc0a80104      jt 12 jf 13
9.       (006) jeq      #0x806           jt 8 jf 7
10.       (007) jeq      #0x8035          jt 8 jf 13
11.       (008) ld       [28]
12.       (009) jeq      #0xc0a80104      jt 12 jf 10
13.       (010) ld       [38]
14.       (011) jeq      #0xc0a80104      jt 12 jf 13
15.       (012) ret      #96
16.       (013) ret      #0

其中第一列代表行号，第二列是命令代码，后面是操作数。下面我们采用汇编注释的方式简单的解释一下：

      (000) ldh      [12] ;load h?? (2 bytes) from ABS offset 12 (the TYPE of ethernet header)
      (001) jeq      #0x800           jt 2 jf 6 ;compare and jump, jump to line 2 if true; else jump to line 6
      (002) ld       [26] ;load word (4 bytes) from ABS offset 26 (src IP address of IP header)
      (003) jeq      #0xc0a80104      jt 12 jf 4 ;compare and jump, jump to line 12 if true, else jump to line 4
      (004) ld       [30] ; load word (4 bytes) from ABS offset 30 (dst IP address of IP header)
      (005) jeq      #0xc0a80104      jt 12 jf 13 ;see line 3
      (006) jeq      #0x806           jt 8 jf 7 ;compare with ARP, see line 1
      (007) jeq      #0x8035          jt 8 jf 13 ;compare with RARP, see line 1
      (008) ld       [28] ;src IP address for other protocols
      (009) jeq      #0xc0a80104      jt 12 jf 10
      (010) ld       [38] ;dst IP address for other protocols
      (011) jeq      #0xc0a80104      jt 12 jf 13
      (012) ret      #96 ;return 96 bytes to user application
      (013) ret      #0 ;drop the packet

但是这样的伪代码我们是无法在应用程序里使用的，所以tcpdum提供了一个-dd选项来输出一段等效的C代码：

1.       $tcpdump -dd host 192.168.1.4
3.       { 0x28, 0, 0, 0x0000000c },
4.       { 0x15, 0, 4, 0x00000800 },
5.       { 0x20, 0, 0, 0x0000001a },
6.       { 0x15, 8, 0, 0xc0a80104 },
7.       { 0x20, 0, 0, 0x0000001e },
8.       { 0x15, 6, 7, 0xc0a80104 },
9.       { 0x15, 1, 0, 0x00000806 },
10.       { 0x15, 0, 5, 0x00008035 },
11.       { 0x20, 0, 0, 0x0000001c },
12.       { 0x15, 2, 0, 0xc0a80104 },
13.       { 0x20, 0, 0, 0x00000026 },
14.       { 0x15, 0, 1, 0xc0a80104 },
15.       { 0x6, 0, 0, 0x00000060 },
16.       { 0x6, 0, 0, 0x00000000 },

该代码对应的数据结构是struct sock_filter，该结构在linux/filter.h中定义如下：

1.       struct sock_filter  // Filter block
2.       {
3.              __u16 code; // Actual filter code
4.              __u8 jt;    // Jump true
5.              __u8 jf;    // Jump false
6.              __u32 k;   // Generic multiuse field
7.       };

code对应命令代码；jt是jump if true后面的操作数，注意这里用的是相对行偏移，如2就表示向前跳转2行，而不像伪代码中使用绝对行号；jf为jump if false后面的操作数；k对应伪代码中第3列的操作数。

了解了BPF伪代码和结构，我们就可以自己定制更加简单有效的BPF filter了，如上例中的6-11行不是针对IP协议的，而我们的套接字已经指定只读取IP数据了，所以就可以把他们删除，不过要注意，行偏移也要做相应的修改。

另外，tcpdump默认只返回96字节的数据，但对大部分应用来说，96字节是远远不够的，所以tcpdump提供了-s选项用于指定返回的数据长度。

OK，下面我们就来看看怎样把过滤器安装到套接口上吧：

1.       $tcpdump ip -d -s 2048 host 192.168.1.2
2.       (000) ldh      [12] 
3.       (001) jeq      #0x800           jt 2 jf 7 
4.       (002) ld       [26] 
5.       (003) jeq      #0xc0a80102      jt 6 jf 4 
6.       (004) ld       [30] 
7.       (005) jeq      #0xc0a80102      jt 6 jf 7 
8.       (006) ret      #2048
9.       (007) ret      #0
   
10. 
    
12.       struct sock_filter bpf_code[] = {
13.             { 0x28, 0, 0, 0x0000000c }, 
14.             { 0x15, 0, 5, 0x00000800 }, 
15.             { 0x20, 0, 0, 0x0000001a }, 
16.             { 0x15, 2, 0, 0xc0a80102 }, 
17.             { 0x20, 0, 0, 0x0000001e }, 
18.             { 0x15, 0, 1, 0xc0a80102 }, 
19.             { 0x6, 0, 0, 0x00000800 }, 
20.             { 0x6, 0, 0, 0x00000000 }
21.       };
22. 
    
24.       struct sock_fprog filter;
25.       filter.len = sizeof(bpf_code)/sizeof(bpf_code[0]);
26.       filter.filter = bpf_code;
27.       setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_ATTACH_FILTER, &filter, sizeof(filter));

最后加上信号处理器，以便能在程序退出前恢复网卡的工作模式。到现在我们已经可以看到一个小聚规模抓包小工具了，呵呵，麻雀虽小，但也五脏俱全啊！下面给出完整的代码。

1.       #include <sys/types.h>
2.       #include <sys/time.h>
3.       #include <sys/ioctl.h>
4.       #include <sys/socket.h>
5.       #include <linux/types.h>
6.       #include <netinet/in.h>
7.       #include <netinet/udp.h>
8.       #include <netinet/ip.h>
9.       #include <netpacket/packet.h>
10.       #include <net/ethernet.h>
11.       #include <arpa/inet.h>
12.       #include <string.h>
13.       #include <signal.h>
14.       #include <net/if.h>
15.       #include <stdio.h>
16.       #include <sys/uio.h>
17.       #include <fcntl.h>
18.       #include <unistd.h>
19.       #include <linux/filter.h>
20.       #include <stdlib.h>
21. 
    
24.       #define ETH_HDR_LEN 14
25.       #define IP_HDR_LEN 20
26.       #define UDP_HDR_LEN 8
27.       #define TCP_HDR_LEN 20
28. 
    
30.       static int sock;
31. 
    
33.       void sig_handler(int sig) 
34.       {
35.             struct ifreq ethreq;
36.             if(sig == SIGTERM)
37.                   printf("SIGTERM recieved, exiting.../n");
38.             else if(sig == SIGINT)
39.                   printf("SIGINT recieved, exiting.../n");
40.             else if(sig == SIGQUIT)
41.                   printf("SIGQUIT recieved, exiting.../n");
43.             // turn off the PROMISCOUS mode 
44.             strncpy(ethreq.ifr_name, "eth0", IFNAMSIZ);
45.             if(ioctl(sock, SIOCGIFFLAGS, &ethreq) != -1) {
46.                   ethreq.ifr_flags &= ~IFF_PROMISC;
47.                   ioctl(sock, SIOCSIFFLAGS, &ethreq);
48.             }
49.             close(sock);
50.             exit(0);
51.       }
52. 
    
54.       int main(int argc, char ** argv) {
55.             int n;
56.             char buf[2048];
57.             unsigned char *ethhead;
58.             unsigned char *iphead;
59.             struct ifreq ethreq;
60.             struct sigaction sighandle;
61. 
    
63.       #if 0
64.             $tcpdump ip -s 2048 -d host 192.168.1.2
65.             (000) ldh      [12]
66.             (001) jeq      #0x800           jt 2 jf 7
67.             (002) ld       [26]
68.             (003) jeq      #0xc0a80102      jt 6 jf 4
69.             (004) ld       [30]
70.             (005) jeq      #0xc0a80102      jt 6 jf 7
71.             (006) ret      #2048
72.             (007) ret      #0
73.       #endif
74. 
    
76.             struct sock_filter bpf_code[] = {
77.                   { 0x28, 0, 0, 0x0000000c },
78.                   { 0x15, 0, 5, 0x00000800 },
79.                   { 0x20, 0, 0, 0x0000001a },
80.                   { 0x15, 2, 0, 0xc0a80102 },
81.                   { 0x20, 0, 0, 0x0000001e },
82.                   { 0x15, 0, 1, 0xc0a80102 },
83.                   { 0x6, 0, 0, 0x00000800 },
84.                   { 0x6, 0, 0, 0x00000000 }
85.             };
86. 
    
88.             struct sock_fprog filter;
89.             filter.len = sizeof(bpf_code)/sizeof(bpf_code[0]);
90.             filter.filter = bpf_code;
91. 
    
93.             sighandle.sa_flags = 0;
94.             sighandle.sa_handler = sig_handler;
95.             sigemptyset(&sighandle.sa_mask);
96.             //sigaddset(&sighandle.sa_mask, SIGTERM);
97.             //sigaddset(&sighandle.sa_mask, SIGINT);
98.             //sigaddset(&sighandle.sa_mask, SIGQUIT);
100.             sigaction(SIGTERM, &sighandle, NULL);
101.             sigaction(SIGINT, &sighandle, NULL);
102.             sigaction(SIGQUIT, &sighandle, NULL);
103. 
     
105.             // AF_PACKET allows application to read pecket from and write packet to network device
106.             // SOCK_DGRAM the packet exclude ethernet header
107.             // SOCK_RAW raw data from the device including ethernet header
108.             // ETH_P_IP all IP packets 
109.             if((sock = socket(AF_PACKET, SOCK_RAW, htons(ETH_P_IP))) == -1) {
110.                   perror("socket");
111.                   exit(1);
112.             }
113. 
     
115.             // set NIC to promiscous mode, so we can recieve all packets of the network
116.             strncpy(ethreq.ifr_name, "eth0", IFNAMSIZ);
117.             if(ioctl(sock, SIOCGIFFLAGS, &ethreq) == -1) {
118.                   perror("ioctl");
119.                   close(sock);
120.                   exit(1);
121.             }
122. 
     
124.             ethreq.ifr_flags |= IFF_PROMISC;
125.             if(ioctl(sock, SIOCSIFFLAGS, &ethreq) == -1) {
126.                   perror("ioctl");
127.                   close(sock);
128.                   exit(1);
129.             }
130. 
     
132.             // attach the bpf filter
133.             if(setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_ATTACH_FILTER, &filter, sizeof(filter)) == -1) {
134.                   perror("setsockopt");
135.                   close(sock);
136.                   exit(1);
137.             }
138. 
     
140.             while(1) {
141.                   n = recvfrom(sock, buf, sizeof(buf), 0, NULL, NULL);
142.                   if(n < (ETH_HDR_LEN+IP_HDR_LEN+UDP_HDR_LEN)) {
143.                         printf("invalid packet/n");
144.                         continue;
145.                   }
146. 
     
148.                   printf("%d bytes recieved/n", n);
149. 
     
151.                   ethhead = buf;
152.                   printf("Ethernet: MAC[%02X:%02X:%02X:%02X:%02X:%02X]", ethhead[0], ethhead[1], ethhead[2],
153.                         ethhead[3], ethhead[4], ethhead[5]);
154.                   printf("->[%02X:%02X:%02X:%02X:%02X:%02X]", ethhead[6], ethhead[7], ethhead[8],
155.                         ethhead[9], ethhead[10], ethhead[11]);
156.                   printf(" type[%04x]/n", (ntohs(ethhead[12]|ethhead[13]<<8)));
157. 
     
159.                   iphead = ethhead + ETH_HDR_LEN;
160.                   // header length as 32-bit
161.                   printf("IP: Version: %d HeaderLen: %d[%d]", (*iphead>>4), (*iphead & 0x0f), (*iphead & 0x0f)*4);
162.                   printf(" TotalLen %d", (iphead[2]<<8|iphead[3]));
163.                   printf(" IP [%d.%d.%d.%d]", iphead[12], iphead[13], iphead[14], iphead[15]);
164.                   printf("->[%d.%d.%d.%d]", iphead[16], iphead[17], iphead[18], iphead[19]);
165.                   printf(" %d", iphead[9]);
166. 
     
168.                   if(iphead[9] == IPPROTO_TCP)
169.                         printf("[TCP]");
170.                   else if(iphead[9] == IPPROTO_UDP)
171.                         printf("[UDP]");
172.                   else if(iphead[9] == IPPROTO_ICMP)
173.                         printf("[ICMP]");
174.                   else if(iphead[9] == IPPROTO_IGMP)
175.                         printf("[IGMP]");
176.                   else if(iphead[9] == IPPROTO_IGMP)
177.                         printf("[IGMP]");
178.                   else
179.                         printf("[OTHERS]");
180. 
     
182.                   printf(" PORT [%d]->[%d]/n", (iphead[20]<<8|iphead[21]), (iphead[22]<<8|iphead[23]));
183.             }
185.             close(sock);
186.             exit(0);
187.       }

参考资料:
[1] Linux下Sniffer程序的实现
[2] 使用socket BPF